農村自建房雙層通風屋頂的節能效果探究

王虎星，周智勇，茍雪琴

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650000；2.云南經濟管理學院，云南 昆明 650000)

0 引 言

我國建筑能耗占全國總能耗[1]的11%以上，并且這一比例仍在持續增大，因此建筑節能是我國重點關注方向。安康市全年四季分明，該地區有豐富的太陽輻射（每年平均輻射量4100～4400 MJ/m2），其冬夏兩季采暖及制冷負荷需求較大。在其農村地區，由于自建房施工工藝參差不齊，施工工藝多數無法按照國家標準的要求進行建造，因此其屋頂保溫及隔熱效果不佳、也容易出現滲漏問題。這種現象不僅影響居民的居住，而且降低了整個建筑的使用功能，使整個建筑的使用能耗增加，縮短了使用壽命[2]，因此農村自建房屋頂構造也是重要關注點之一。為解決這一問題，目前農村自建房屋采用的方法是改善屋頂結構，主要是將平屋頂改為坡屋頂[3]。不足之處是在于檢修困難、造價較高、如未做成悶頂結構就不能作其他用途。對于農村自建房，在屋頂晾曬糧食、太陽能熱水器安裝、雜物堆放等也是其重要的用途，相比較傳統坡屋頂而言雙層通風屋頂，在增強隔熱、防水性能同時，又可兼顧屋頂空間利用率。

1 雙層通風屋頂結構

1.1 下層保溫雙層通風屋頂

為了更好探究農村自建房雙層通風屋頂應用的節能效果[4]，以夏熱冬冷地區農村自建房為研究對象，從全年采暖及制冷能耗的角度出發，首先通過傳統經驗公式確定最佳通風層高度，再運用ecotect 能耗分析軟件，基于安康市的氣象數據，對采用雙層通風屋面以及傳統平、坡屋頂情況下自建房逐月的空調能耗及三種屋頂結構節能率進行分析，為農村自建房屋頂結構優化提供參考。意大利的M. Ciampi 和F. Leccese 建立了雙層屋頂模型[5]，并在夏季的真實環境中進行了測試，也證明了雙層通風屋頂中的氣流可以有效帶走熱量，比相同結構的不通風屋頂節能30%。雙層通風屋頂結構如圖1 所示。

1.2 雙層通風屋頂最佳空腔間距

在夏季，雙層通風屋頂通風窗開啟時，室外太陽輻射熱量Qout一部分熱量Qls由反射和對流傳遞至外界[6]，流動的空氣與上下壁之間發生對流傳熱，氣體從通風窗出口處流出，帶走部分熱量Qv，減少屋頂的熱負荷，提高屋頂隔熱性能。進入冬季，可關閉雙層通風屋頂的通風窗，使夾層區形成溫室。白天太陽照射使空氣夾層內空氣溫度Tgap升高，使下層屋頂上表面溫度Tpe升高，從而降低下層屋頂兩面的溫差，有效阻止室內熱量向外擴散，增加屋頂的保溫性能。其傳熱示意圖見圖2。

通風屋頂傳熱方程如式(1)所示，通風夾層中空氣流動帶走的熱量Qv，其值越大代表雙層屋面的隔熱效果越好。在穩態條件下，Qv可表示為式(2)。

式(1)中Qout為太陽輻射熱量；Qls為反射及對流至外界的熱量；Qin為傳遞至室內的熱量。式(2)中b、d分別為通風口的寬度和高度；c為比熱容；v1、v2分別為入口空氣平均流入和出口空氣平均流速；ρ1、ρ2分別為出入口空氣密度；T1、T2分別為通風層空氣的入口及出口的平均溫度。由式(1)和式(2)可以看出：夾層高度，出入口氣體平均溫度、平均流速對夾層內空氣流動帶走的熱量大小有重要影響。實驗證明[7,8]通風屋頂結構存在最佳間距。當通風間距超過最佳間距時，屋頂的散熱效果并無明顯提高。浙江大學的趙黎[4]從強迫對流角度對雙層通風屋面的隔熱性能進行了分析計算，推導出雙層通風屋面空氣層最大熱阻與空氣層高度的關系計算公式[4]，由式(3)所示，對工程計算具有參考價值。

由(3)式可知，通風屋頂空氣夾層與夾層間空氣流動的雷諾數和普朗特數有關。多數氣體Pr＜1,空氣的γ＝1.4 (γ為比熱比)[9]，Pr取值0.75，L為屋面長度取值10m。代入式中可得出雷諾數Re與D的關系曲線如圖3。從關系曲線圖可看出夾層高度在0.3m 處，隨雷諾數增大最佳間距變化趨于平緩，綜合考慮房屋建造成本及空間使用率夾層厚度取0.3m。

圖3 雷諾數Re 與空氣夾層間距D 的關系曲線

2 能耗分析模型與參數設置

2.1 ECOTEC 能耗分析模型建立

該自建房總建筑面積160m2，設置有4 個房間、1 個客廳、2 個衛生間，外墻厚度270mm，內墻厚度155mm。利用ECOTEC 分別建立雙層通風屋頂(夾層厚度30cm)、平屋頂、傳統坡屋頂(坡度25°)三個模型[10]，各模型層高均為2.9 m，如圖4-6 所示。

圖5 瓦面坡屋頂模型

圖6 傳統平屋頂模型

2.2 能耗模擬參數設置

ECOTEC 在進行能耗分析時，需要考慮室內設備、人員數量、服裝熱阻、活動強度、室內換氣次數、風速、作息時間等。為了更準確地對三類不同屋頂結構的模型進行對比分析，三個模型除屋頂外的區域參數均采用相同設置。自建房內總人數6 人、照度300Lux、換氣次數：1.5 次/h、濕度60%、室內溫度保持16～26℃，屋面區域均設置為自然通風，臥室空調系統使用時間設置為21:00—8:00，客廳空調使用時間設置為8:00—21:00，其中氣象數據使用中國氣象臺所監測的陜西安康市氣象數據為計算依據。三個模型門窗均采用相同材料，為實心木門、鋁合金雙層low-e玻璃窗，模型外墻、內墻、屋頂熱工參數見表1。

表1 模型熱工參數表

3 ECOTECT 模擬結果分析

3.1 不同屋頂結構模擬結果與分析

根據設定好的區域參數，對三種不同構造的屋頂形式模擬結果如圖7-9 所示。三種屋頂構造形式下，建筑全年熱負荷都大于全年冷負荷，可以看出雙層通風屋頂逐月負荷均少于傳統平屋頂及坡屋頂。冷負荷主要集中在5—9 月，雙層通風屋頂相比較其他兩種屋頂構造在8 月冷負荷差值最大分別為101.35 kW·h、120.91 kW·h，冷負荷集中在1—4 月、10—12 月，其中1 月熱負荷差值最大分別為147.95 kW·h、302.81 kW·h，7 月及1 月份正處于夏季、冬季極端氣候時間段，由此可以看出雙層通風屋頂在極端氣候月份其節能效果更明顯。通過圖9 三種屋頂結構總負荷模擬結果可知，雙層通風屋頂保溫及隔熱性能優勢顯著，較傳統平屋、瓦面坡屋頂全年總負荷分別減少837.80 kW·h、1454.81 kW·h。

圖7 三種屋頂逐月熱負荷對比

圖8 三種屋頂逐月冷負荷對比

圖9 三種屋頂結構總空調負荷對比

3.2 不同屋頂結構節能率分析

3.2.1 節能率指標確定

建筑的節能率是指：設計建筑全年能耗與基準住宅全年空調采暖能耗比值。根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》(JGJ 134.2010)，夏熱冬暖地區其基準建筑負荷計算參數：冬天16℃、夏天26 ℃；外墻：傳熱系數K=2.47 W/(m2·K)；屋面：傳熱系數K=1.8 W/(m·K)；外窗：傳熱系數K=6.4 W/(m2·K)，遮陽系數SC=0.9；換氣次數：1.5 次/h。以上條件下，通過ecotect 軟件模擬計算，獲得E、Ejz[11]。節能率是參照建筑和設計建筑的采暖及供冷耗電量來計算的，相應的計算公式[12]為：

式中：R為建筑節能率，%;

E、Ejz分別為設計建筑和基準住宅單位面積全年采暖及供冷耗電量[13]，kW·h /m2。

3.2.2 相對節能率分析

通過計算得到，平屋頂、坡屋頂、雙層通風屋頂三種屋頂結構建筑節能率分別為：63.17%、64.97%、67.42%。圖10 為三種屋頂結構形式的相對節能率。從圖中可以看出，雙層通風屋頂對比傳統平屋頂其相對節能率最高為4.24%，而雙層通風屋頂及坡屋頂均比普通屋頂節能效果更強，雙層通風屋頂對比坡屋頂其節能率也提高2.45%。由此可以看出雙層通風屋頂在夏熱冬冷地區有較好的節能效果[14,15]。

圖10 三種屋頂結構相對節能率圖

4 結論

1)基于本模型的安康市農村地區自建房，在不考慮其他因素影響的情況下，屋頂結構的變化對建筑空調的能耗有很大的影響，因此有必要考慮對屋頂進行節能設計。

2)通過模擬數據計算和對比分析，雙層平屋頂分別較普通平屋頂及傳統坡屋頂全年總冷負荷分別減少245.96 kW·h、293.40 kW·h；全年總熱負荷分別減少591.83 kW·h、1162.11 kW·h。雙層通風屋頂，在我國夏熱冬冷地區相比較傳統平、坡屋頂形式有更良好的保溫及隔熱性能。

3)應用雙層通風屋頂自建房的建筑節能率相比較使用傳統平、坡屋頂分別提高4.25%、2.45%。其建筑節能率可達到67.42%，符合我國夏熱冬冷地區居住建筑節能要求，因此在屋頂節能設計時，可考慮雙層通風屋頂結構的應用。