嚴寒地區村鎮住宅屋頂雙層復合保溫模式初探

李桂文，徐其態，方修睦

(1.哈爾濱工業大學建筑學院，哈爾濱150006，liguiwen@hit.edu.cn; 2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱150090)

1 研究背景

1.1 村鎮住宅能耗現狀

長期以來，我國嚴寒地區村鎮住宅能源消費水平居高不下，其中絕大部分是冬季采暖能耗.造成這種現象的主要原因是村鎮住宅缺乏科學合理的保溫設計理念和嚴格的保溫設計控制，圍護結構的傳熱系數太大，使得通過維護結構的傳熱耗熱量遠遠大于城市住宅.以哈爾濱地區調查為例，冬季每家農戶在僅使用一個居室的條件下采暖耗煤高達兩噸以上，還不包括薪柴和秸稈.大量實態調查表明村鎮住宅室內平均溫度均在10℃左右，未達到基本的熱舒適度要求.

1.2 傳統屋頂保溫技術特點

北方地區傳統民居的屋頂按形態分有平頂(含單坡排水和雙坡排水)、囤頂、坡屋頂等幾種典型形態;按屋面材料分有瓦屋面、草屋面和堿土屋面等幾種形式，構造多樣，各種形式的屋頂都具有構造邏輯清晰、就地取材、因材致用的特點;常用屋頂保溫材料有蘆葦、秸稈、土、草泥等，都是當地鄉土材料，制作工藝簡單、可操作性強且保溫效果好，但這些保溫材料也存在耐候性差的缺點，需經常翻修;村鎮住宅建設長期由村民自己動手建造，既無正規的建筑技術指導，也無針對村鎮住宅的節能標準可依，傳熱系數往往達不到要求.

1.3 傳統屋頂保溫性能分析

通過對東北三省村鎮住宅的實態調研和相關圖集的分析，本文提取3種典型的屋頂形式作為分析對象，如圖1所示.

圖1 3種典型屋頂構造示意圖

3種典型屋頂形式傳熱系數計算分析如下:

1)坡屋頂

坡屋頂構造由內到外依次為:吊頂、屋架、葦蓮(厚度80 mm，λ=0.047 W/(m·K))、草泥(厚度50～70 mm，λ=0.76 W/(m·K))、順水條、掛瓦條、陶土瓦或粘土瓦，其中葦蓮和草泥為保溫層.其傳熱系數為0.60 W/(m2·K)［1］.

2)囤頂

囤頂構造由內到外依次為:吊頂、屋架、葦蓮、秸稈(厚度100 mm，λ=0.047 W/(m·K))、草泥(厚度200 mm，λ=0.76 W/(m·K))、堿土(防水層)，其中秸稈和草泥為保溫層.其傳熱系數為0.46 W/(m2·K).

3)平屋頂

平屋頂構造由內到外依次為:涂料、抹灰、鋼筋混凝土屋面板(厚度100mm，λ = 1.74 W/(m·K))、礦渣混凝土找坡(平均厚度120 mm，λ=0.76 W/(m·K))、堿土(防水層)，其中礦渣混凝土為保溫層.其傳熱系數為2.64 W/(m2·K).

對比以上3種屋頂的傳熱系數，可見傳統坡屋頂和囤頂保溫性能達到較高水平，其傳熱系數遠低于鋼筋混凝土平屋頂.

1.4 屋頂傳熱系數限值規定

村鎮住宅基本以低層為主，導致其自身體型系數自然偏大，均在0.3以上.到目前為止國家仍未出臺任何專門針對村鎮住宅節能設計的正式標準.本文分析及計算中所用屋頂傳熱系數限值系參考《嚴寒和寒冷地區農村住房節能設計導則(試行)》(以下簡稱《導則》)相關規定，該《導則》對嚴寒地區村鎮住宅的頂傳熱系數限值規定為:嚴寒A區0.3 W/(m2·K)，嚴寒B區0.35 W/(m2·K)，嚴寒C區0.4 W/(m2·K).經計算，坡屋頂和囤頂兩種傳統構造的傳熱系數分別為0.60 W/(m2·K)和0.46 W/(m2·K)，與《導則》規定的限值仍有一定差距，但相對于鋼筋混凝土平屋頂2.64 W/ (m2·K)的傳熱系數，傳統屋頂構造技術在保溫節能方面的獨特優勢顯而易見，值得我們發掘提高.

2 屋頂雙層復合保溫模式的提出

通過對東北地區新農村建設現狀的實地調研和對各地新農村住宅圖集的查閱，不難發現坡屋頂是各地住宅建設采用的主流形式.首先，坡屋頂作為我國傳統建筑的主要形式，有著重要的審美價值;其次，坡屋頂構造有利于屋面防水，不易滲漏;第三，農村坡屋頂住宅一般均做吊頂棚，可結合吊頂做屋頂保溫.基于以上幾點優勢和對屋頂調研實例的傳熱系數計算比較，筆者提出坡屋面與吊棚雙層復合保溫的模式，即在吊頂內部形成封閉空間，通過坡屋面和吊棚分設保溫層，構成一體化的屋頂雙層復合保溫.該模式適用于所有有檁體系坡屋面，屋面基層為檁條(或檁條上的望板)，屋面面層為各種屋面瓦(板).

2.1 設計理念

我國新農村建設正處于起步階段，在村鎮住宅的設計理念中應樹立發揮傳統技術優長特點的思想，充分利用傳統屋頂各構造層的保溫作用;另一方面，利用現代建筑呼吸表皮基本理論在屋面或山墻部位設置保溫通風窗，冬季保溫通風窗關閉，吊棚內部成為封閉空間［2］，通過吊棚和屋面的保溫層協同作用生成一體化的屋頂雙層復合保溫構造體系，該通風窗夏季開啟成為通風口，利用空氣對流排出吊頂內部熱量，形成通風隔熱頂棚.在這個保溫模式中，坡屋面保溫層延續傳統做法，吊棚保溫層由坡屋面保溫層的傳熱系數與《導則》規定的屋頂傳熱系數限值之間的關系決定.

2.2 模式內涵

坡屋面與吊棚雙層復合保溫模式的是指在冬季吊棚內空間實現封閉的狀態下，將上下兩層保溫層與空氣層組成一個復合保溫層，共同承擔屋頂的保溫作用.這里的上層是指坡屋面保溫層，常置于瓦材下面，或檁條之間.例如小青瓦屋面，可在基層鋪一層草泥作為保溫層，同時草泥還是構造邏輯上的必需層次，起到將瓦粘結在基層上的作用;在平瓦屋面中可將保溫材料填塞在檁條之間.下層是指在吊棚之上鋪設的保溫層.該模式充分利用邏輯層面所必需的構造層次的保溫性能.通過坡屋面與吊棚雙層復合保溫模式的應用，既能繼承傳統保溫構造的優點，同時又能保證屋頂傳熱系數達到《導則》的要求.該模式是將具有明顯保溫效果的構造層次合理納入保溫計算，使村鎮住宅保溫設計更為科學.

2.3 保溫材料選擇

2.3.1 坡屋面保溫材料的選用

坡屋面保溫層通常位于屋面瓦材之下，檁條之間，受檁條用材高度和屋面荷載制約.傳統的小青瓦屋面一般用草泥作為保溫層，小青瓦直接粘結在草泥上，由于草泥比較密實，不易變形，可直接承受瓦材荷載，其厚度一般在50 mm左右;目前常用的塊瓦屋面可將草泥或者石灰鋸末填于檁條之間作為保溫層，與小青瓦屋面不同的是，塊瓦通過掛瓦條干掛于屋頂基層，草泥和石灰鋸末本身不承重，其厚度與檁條高度相等，通常在50～70 mm.以上兩種保溫做法基層均可輔以厚80 mm左右的秸稈或葦蓮加強保溫性能［3］.

2.3.2 吊棚保溫材料的選用

由于吊棚保溫構造相對簡單，保溫材料的形式基本不受限制.天然的纖維材料，如干草、蘆葦、農作物秸稈等材料，取材方便、產量豐富、保溫性能良好，都可置于吊棚之上作為保溫層，但使用時要通過生石灰進行鈣化防腐處理;松散材料如稻殼、麥糠、鋸末、草木灰、膨脹珍珠巖、爐渣等，也是很好的吊棚保溫材料;吊棚基層可鋪設各種草板.以上幾類保溫材料在使用過程中應避免受潮、腐蝕，影響保溫效果［4］.經濟條件較好的地區可鋪設節能高效的聚苯板、擠塑板等現代材料，通過鄉土材料和現代材料的結合使用，確保屋面熱阻達到保溫和節能要求.

2.4 雙層復合保溫模式的計算模型

2.4.1 計算原理

坡屋頂與吊頂雙層復合保溫是在坡屋面和吊頂棚分別設置保溫層，旨在吊頂內部形成保溫性能良好的封閉非供暖空氣間層，成為介于室內和室外熱環境之間的一個熱緩沖空間.由于坡屋頂舉架較高，封閉空氣間層的傳熱不是純導熱過程，其熱阻與厚度之間不存在簡單的正比關系，空氣間層溫度tx不易確定.但為給吊頂保溫層的厚度計算提供合理的熱環境依據，通過吊頂封閉空間熱平衡公式的建立，便可求出空氣間層溫度tx的計算值.因坡屋面保溫構造相對固定，其傳熱系數K2可根據平壁傳熱系數計算公式求出.

2.4.2 計算模型

現假設吊頂傳熱系數K1與坡屋面傳熱系數K2綜合作用的總傳熱系數當量值為K，K即為滿足屋頂保溫需求的傳熱系數限值.tx可通過以下熱平衡關系確定(圖2).

即

式中:Q1為吊頂傳熱耗熱量(W);Q2為坡屋面傳熱耗熱量(W);F1為吊頂傳熱面積(m2);F2為坡屋面傳熱面積(m2)，F1=F2cos θ，θ為屋面坡度;ti為采暖室內計算溫度(K);te為采暖室外計算溫度(K).

由此可得

由于

可得

可得

K即為達到規定的屋頂傳熱系數限值坡屋面與吊頂所需的當量傳熱系數.式中α為溫差修正系數［5］.

由式(3)、(4)便可計算出為達到規定的屋頂傳熱系數限值，吊棚保溫所需的傳熱系數為

2.5 保溫層厚度參考

在坡屋頂與吊頂復合保溫的模式中，由于提倡屋面保溫層延續傳統做法，坡屋面傳統保溫構造一旦給定，其傳熱系數K2則成為已知的定值.通過式(5)可算得吊棚保溫層所需的傳熱系數K1，再根據K1=1/(1/αi+δ/λ+1/αe)便能求得吊頂保溫層的厚度值δ=(1/K1－0.15)λ.

圖2 屋頂雙層復合保溫計算原理

為加強坡屋面與吊頂復合保溫模式的可操作性和實用性，擬選擇一種新農村住宅建設中常見的木架平瓦坡屋頂進行該模式下的保溫設計，并通過計算給出屋面和吊頂保溫層的厚度值，以供參考.屋頂構造由內到外依次為:吊頂、吊棚保溫層、木 屋 架、葦 蓮(厚 度 80mm，λ = 0.047 W/(m·K))、草泥(厚度50～70 mm，λ=0.76 W/(m·K))、順水條、掛瓦條、陶土瓦或粘土瓦.坡屋面傳熱系數K2=0.6 W/(m2· K)，屋面坡度θ取30°.本計算中不同嚴寒子氣候區所用屋頂傳熱系數限值K參考《導則》相關規定.經計算得出吊棚保溫層參考厚度值見表1.

表1 吊頂保溫材料厚度選用表 mm

將以上各保溫材料厚度參考值與單設吊頂保溫層時各材料所需厚度做一比較，該保溫模式的優勢顯而易見.以聚苯板為例，嚴寒A區單設吊棚保溫層厚度需要150 mm，運用坡屋頂與吊頂復合保溫模式其厚度僅需75 mm，大大節省了保溫材料費用;再如鋸末，嚴寒A區單設吊頂保溫層厚度需要500 mm，運用坡屋頂與吊頂復合保溫模式其厚度僅需195 mm，不僅節省了材料，還能有效減少吊頂荷載.因此，該保溫模式對傳統鄉土保溫的構造做法具有重要參考價值，不僅繼承和發揚了優秀的傳統構造技術，使傳統做法中保溫層厚度能通過以上計算模型的建立得以合理確定，并能實現傳統做法與現代材料的有效結合，為村鎮住宅保溫技術走向合理化提供重要參考.

3 結語

結合我國國情，現階段廣大村鎮住宅屋頂保溫技術仍采用多層次技術手段是十分必要的.屋頂雙層復合保溫模式的提出正是利用屋頂上下兩個層次的保溫，通過傳統鄉土保溫技術的優化組合及適當引入新材料、新技術，形成具有村鎮地域特色的屋頂保溫模式.該模式通過吊頂封閉空間熱平衡公式的建立，科學合理的確定了各保溫層的厚度，充分利用了各構造層次的構成邏輯和保溫性能.該模式適用于有檁體系坡屋頂，也適用于囤頂、木架平屋頂等形式.該模式豐富了屋頂保溫形式，提高了構造節能的效益，為我國嚴寒地區村鎮住宅屋頂保溫和節能設計提供了新的設計對策.

［1］ 劉加平.建筑物理［M］.北京:建筑工業出版社，2000:26.

［2］ 葛翠玉，王洪光，趙莉.寒冷地區鄉村住宅建筑節能探索［J］.住宅科技，2004，8:46－48.

［3］ 李必瑜.建筑構造［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000:143.

［4］ 嚴寒和寒冷地區農村住房節能設計導則(試行)［S］.北京:住房和城鄉建設部.2009:18.

［5］ 范惠民.供熱工程［M］.北京:冶金工業出版社，1994:7.