論被動式太陽能技術引入屋頂節能

崔 明 敏

(晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000)

論被動式太陽能技術引入屋頂節能

崔 明 敏

(晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000)

對住宅的屋頂能耗進行了分析，提出了將被動式太陽能技術引入住宅屋頂節能的概念，并利用優化屋頂形式、調控屋頂表面熱效應等手段，對能源進行充分利用，以實現住宅零能耗的可持續發展追求。

被動式太陽能技術，屋頂節能，應用

0 引言

20世紀20年代左右，美國芝加哥一家報社提出了一個新的詞匯——太陽能住宅。與傳統住宅截然不同的是它用熱水的能量來驅動設備(包括采暖)，并從太陽中索取熱源。之后，在1976年將太陽能住宅清晰明了的劃分為主動式太陽能住宅和被動式太陽能住宅兩個概念。所謂被動式即以不使用機械為前提，完全通過加強建筑物的遮避功能，達到滿足正常室內環境的目的。

屋頂是建筑物的重要組成部分之一，除兼具實用和美觀的雙重功能外，它在節能控制方面也是重中之重的一個環節。根據實驗研究表明，改變屋頂的材質、顏色、角度、朝向和面積等方面，使其與外部環境之間更加協調是節能環保的一個有效手段。簡而言之，盡量達到“夏季高溫不吸熱，冬季低溫不散熱”的目的。如何將被動式太陽能技術引入屋頂節能，不僅是本文要探討的課題，更是當今建筑行業重點關注的技術問題。

1 屋頂能耗分析

分析住宅的能耗是通過模擬計算的手段對建筑單體本身屬性的改變來確定其對建筑能耗的影響。此外，住宅能耗很大程度上還受地域氣候差異及室內熱環境的影響。因此，建筑物的能耗分析必須注明地區及室內熱環境的設定。我國大部分地區為夏熱冬冷氣候條件，大體可分為兩大類：需要加強冬季采暖無需加強夏季散熱和需要加強夏季散熱無需加強冬季采暖。用現代計算機技術精準的控制建筑因采暖或散熱帶來的空調能耗，從而明確建筑因此能耗帶來的耗電量。根據這個原理，我們最終得出了建筑外圍護結構(包括屋頂、外墻、外門窗等)與建筑能耗之間的變化規律。以深圳一棟兩層住宅為例，通過計算得出屋頂在整個外圍護結構中的面積和熱量占整體建筑的25%。要求居住建筑的節能目標是50%，屋頂需達到15%～18%的節能，由此看出提高屋頂的保溫性能或散熱性能對建筑的整體節能是很有必要的。

2 被動式太陽能技術的應用

屋頂的熱環境和結構直接影響室內的環境質量，也決定了建筑的節能指標。而被動式太陽能技術引入屋頂節能主要是通過以下幾點實現的：屋頂的形狀、屋頂的表面、屋頂的隔熱保溫和屋頂的冷卻。

2.1 屋頂的形狀

屋頂的形狀大致可分為3種：平屋頂、坡屋頂和垂直面開口式天窗。不同的形式決定不同的太陽輻射量。其中，坡屋頂的傾斜角度不同，其承受的太陽輻射熱也有差別。通常屋頂有一個最佳集熱管安裝角度，采暖用的角度為緯度加15°，制冷用的角度為緯度加5°。

我國建筑物的最大受熱面為南向，所以屋頂的集熱、附設溫室和直接獲熱設備通常設在南向。當南面不易采光時，可利用天窗、老虎窗、活動屋頂等形式把太陽輻射熱引入室內。冬季需要更多的獲取并儲存熱量，可增大屋頂南向面積來提高建筑物的受熱量，同時，把北側外墻壓低或加厚來抵抗西北風的侵襲，盡量把熱損失降到最低(如設計需要必須在朝向不利位置開設門窗洞口時，宜采用雙層或三層玻璃)。

熱量最不易散失的屋頂形式是屋脊為東西走向的建筑，在屋脊的南北兩側架設大屋頂，尤其是北側的屋頂，要降低到建筑二層附近。此形式大大降低了建筑北側的熱量損失。

2.2 屋頂的表面

屋頂的表面熱平衡受到輻射、對流、蒸發等諸多條件的影響。下面對控制不同條件來影響建筑熱平衡的方法進行一些簡要的分析。

2.2.1 空氣對流

通過控制屋頂表面的對流傳熱系數大小來控制散熱量，促進空氣在屋頂表面流動，提高散熱。具體方法可以通過架空屋頂，或改變朝向形成空氣對流層等手段實現。

2.2.2 太陽輻射

屋頂材料表面不同顏色對太陽輻射熱的吸收也不同。對于長波來說，與表面顏色無關，粗糙面的輻射率最大，接近于1。但太陽輻射主要以短波為主，而黑色的反射率最小，所以顏色對太陽輻射吸收和反射的影響是十分顯著的。

2.2.3 蒸發散熱

用灑水器在屋頂均勻灑水或設計種植屋面，利用水分蒸發帶走熱量，從而達到熱的控制。這兩種方法在我國南部地區廣泛使用且效果極佳。值得一提的是，屋頂綠化不僅節能環保，在藝術審美上也給建筑帶來了新的設計手法?，F如今，“屋頂花園”的概念已經深入人心，在我國許多地區都有應用很好的案例。

2.2.4 現代化可變裝置

屋頂受熱面設計現代化的可變裝置，例如可根據室外熱環境情況自動調節開閉的天窗、老虎窗、活動屋頂等。某些特殊建筑還設有屋頂水池，可通過調節水的蒸發來控制儲熱和散熱。

2.3 屋頂的隔熱、保溫

一般而言，在接受太陽輻射熱以及在接受與室外空氣的熱能上，屋頂是被暴露在最嚴酷條件下的部位，其隔熱保溫的基本原理可歸納為以下幾點:1)用隔熱材料來控制熱的流進流出；2)通過屋頂里層的通風換氣來排熱和防止結露；3)利用防潮片材防止濕氣進入屋頂里層同時防止室內向外漏氣。

2.3.1 隔熱層的厚度

在寒冷地區需要屋頂有特別高的隔熱性，但在比較溫暖的地區，還需要考慮防暑，因此隔熱層的厚度要綜合考慮。

2.3.2 屋頂里層的換氣

酷暑季節，屋頂里層的氣溫有時會高達60 ℃～70 ℃。即使有頂棚隔熱，也會有大量的熱氣進入室內，將這些熱氣攔截在屋頂內部，阻止它進入建筑室內破壞建筑內部的熱環境，在屋頂里層進行換氣，再排出建筑物，減小熱氣對建筑主體的熱環境破壞。這種在屋頂層內部的通風排氣還可以避免梅雨季節潮氣對建筑的影響，改善住宅熱環境，提高舒適度。

2.3.3 減少輻射傳熱

屋頂面層在設計時選擇表面輻射熱小的材料，這樣可降低熱流通過空氣層的總量，從而減少輻射傳熱。需要特別說明的是，防潮層需要設置在隔熱層以下。

2.4 將自然能源轉變為制冷源

眾所周知：“遮擋太陽輻射并通風是建筑設計的基本”。避免高溫季節對建筑熱環境的不利影響，考慮太陽輻射熱不侵入室內。需要明確的是，被動式太陽能建筑設計不是單純地遮擋太陽輻射和向外排熱，而是要積極的利用太陽輻射熱來改善建筑功能的使用。也就是說，積極地將自然能源作為夏季的制冷源引入建筑，包括雨水的利用以及由光導管產生的光的利用等。

利用冷卻空氣，常見的方法是悶頂內安裝冷卻板，外部氣流進入后自動冷卻成冷空氣。這些冷空氣可及時送入室內降低室內溫度，也可以存儲在悶頂內部，在建筑需要的時候再送入室內，起到智能調節熱環境的作用。

目前常用的空氣制冷手段有兩種：1)吸收外部空氣，制冷后送入室內；2)吸收建筑內部的空氣，制冷后再循環使用。

3 結語

本文通過對屋頂能耗的分析，提出了將被動式太陽能技術引入屋頂節能的概念，簡要闡述了一些目前技術允許的實施方法。這項研究不僅解決了環境和城市發展之間的一些矛盾，更為今后的建筑發展方向提出了一種新的可能。當然，被動式太陽能技術的實施需要政策上的大力扶持，而中國現在正大力提倡綠色建筑，“綠建”作為一項硬性指標成為新建筑考核的重要條件之一，這些都為本課題的后續研究和應用提供了堅實的保障。

[1] 彰國社,任子明，馬 俊，等.國外建筑設計詳圖圖集13[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[2] 涂逢祥.圖書館目錄[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3] 江 億，林波榮.住宅節能[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

Passive solar energy technology in residential roof energy saving

Cui Mingmin

(JinchengInstituteofArchitecturalDesign,Jincheng048000,China)

The paper analyzes the roof energy consumption of houses, points out the introduction of passive solar energy technique to roof energy-saving, adopts the optimal roof forms and adjustment of thermal effect of roof surface, and has the sufficient use of energy, so as to realize the sustainable development for the zero energy consumption of houses.

passive solar energy technique, roof energy-saving, application

1009-6825(2015)30-0182-02

2015-08-19

崔明敏(1987- )，女，碩士，助理工程師

TU201.5

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