嚴寒地區高效能屋頂技術策略

■張 博，王海鵬，閆沛祺，劉秋兵，張廣平 ■吉林建筑大學建筑與規劃學院，吉林 長春 130117

1 高效能屋頂的概念

研究課題旨在提高資源利用效率，實現節能減排，積極應對全球氣候變化，建設資源節約型、環境友好型社會，改善人們生活質量，為建筑節能提供新的研究方向。因此我們提出的高效能屋頂的技術，希望能夠結合多方面的綠色節能技術，來突破傳統的“綠色屋頂”的模糊概念，從而根據北方嚴寒地區特有的建筑形式、建筑構造、氣候特性來提出具體的解決方案。

針對北方嚴寒地區的氣候特點，“高效能屋頂”力求從屋頂植被、利用太陽能以及屋頂節能保溫構造三方面對目前嚴寒地區屋頂技術進行改進，結合生態需要對屋頂構造進行創新，使其達到經濟、美觀、合理三大要求。通過對屋頂植被層的研究討論其與建筑屋頂結合的可能性，為城市綠化發展尋找新方式;通過對太陽能利用的研究為將來形成一套完整的建筑節能系統打下基礎;利用屋頂保溫節能技術對現有節能技術和材料進行改進。

2 屋頂防水保溫構造與植被結合的技術策略

屋頂綠化是解決地區環境問題很好的方法。當今地球上許多人口稠密、工業集中的地區，存在著非常嚴重的環境問題。屋頂綠化是解決這些地區環境問題的有效途徑。在歐美、日本等發達國家屋頂綠化已經很普遍，我國的屋頂綠化經過多年的研究實踐，已在部分南方城市成功開展，取得了一定的景觀和生態效果。而在東北等嚴寒地區，由于受到氣候等因素的制約，屋頂綠化的實踐不是很廣泛。

充分考慮到嚴寒地區大風天氣，采取含有防風措施系統的種植土層，可以很好地穩固植被;土層下方設有排水板，引導多余的水流入中水處理系統，增加雨水利用率;高分子防水層的設置，能夠確保屋面嚴密的防水;保溫層采用聚氨酯保溫材料，噴涂的施工方式使得保溫材料無縫連接，加大防水力度;蒸汽阻攔層，是隔絕水蒸氣侵入結構的最后防線，避免結構層受潮。多種處理方式充分考慮到北方嚴寒地區的氣候和構造需求。

種植屋面系統可以分為雙層種植土層和單層種植土層兩大類，一般做法有以下幾種:

圖片來源:VEDAG GmbH

(1)含有防風措施系統的雙層種植土層，有兩層瀝青根阻防水材料，適應于灌木植物;

(2)上面一層為較厚的土層，下面一層為輕質土層，下面鋪有耐壓的保溫層，一般種植樹木等較重的植物;

(3)單層種植土層，單層防水，主要針對斜屋面和流水長度不超過10m的屋面;

(4)單層種植土層，多層防水，比較適應于種植景天屬類植物。

屋頂不再只是單純地作為防水保溫的單一建筑構造部分，而是在充分考慮到地域氣候因素之后參與建筑節能以及城市綠化的重要建造手段和城市美化方式。以防水保溫構造為基礎，在其基礎上圍繞植物綠化方式和太陽能構件進行改造，將三者有機結合，將屋頂打造成為城市居住建筑的另一道風景線和建筑節能的一大標志，同時也為人們提供了另一種活動休閑場所，其實施的積極意義巨大。

3 季節性互補的自然能源利用與高效能屋頂構造結合的技術策略

自然能源主要包括三大類:太陽能、風能、地熱能。其利用方式分為主動式和被動式兩種。根據北方嚴寒地區的氣候特點，主要影響高效能屋頂保溫節能效率的因素是氣溫、太陽輻射和風。

北方嚴寒地區由于其獨特的地理位置，冬季長春夏秋季短，冬季從11 月到次年4 月左右，冬季平均氣溫在零度以下，太陽輻射較弱，不利于植被生長。冬季來自西伯利亞和蒙古等中高緯度內陸的西北風風速大風力強。據統計，我國北方大部分地區(黑龍江、吉林東部、遼東半島)的有效風能密度在200W/m2以上，全年中風速大于和等于3m/s 的時數為5000h，全年中風速大于和等于6m/s 的時數為3000h。夏季時盛行東風和東南風，風速較小，太陽輻射較強，且雨水較豐富，適合植被生長。根據北方地區的氣候特點，結合高效能屋頂和光伏玻璃得到一種復合的節能裝置。主要由可開合的光伏玻璃頂板和四周玻璃圍合而成。其通過主動式和被動式兩種方式達到節能目的(參見圖1)。

圖1

冬季時風大氣溫低不利于植被生長，此時可以關閉光伏玻璃頂蓋，形成溫室，同時防風。既為植物生長提供了光環境和適宜的溫度，也為冬季時期人們使用屋頂綠化提供了舒適的環境。提供遮擋的同時，頂面的光伏玻璃可以吸收太陽輻射并將其轉化成為電能。夏季時可將光伏玻璃板打開，使植被吸收降水，同時可以打開側面的玻璃板，形成拔風效應，降低屋面板溫度。

北方嚴寒地區的特殊氣候——冬季時間長、日照充足，以及微氣候——早晚溫差大決定了屋頂的改造應當是多方面的，季節性的節能互補，早晚的節能利用，讓不同的節能技術得到高效能地發揮。冬季以太陽能的利用為主，其生成的電能和熱能，可融化光伏電池板和屋面上的積雪;融化的積雪可作為中水加以處理利用;解決屋面和排水管道的凍脹問題;同時能夠為建筑居住者提供熱水和電能。夏季以綠化屋頂的利用為主，屋頂重新結合防水保溫構造添加一定的步道系統和景觀植物，打造屋頂娛樂休閑空間;可吸收降雨雨水，降低屋面徑流，減緩城市排水系統壓力，防止城市出現洪澇的現象;調節建筑屋面的微氣候，降低屋面溫度;吸收二氧化碳，為居住環境輸入新鮮氧氣。冬季與夏季的節能方式互補，利用自然界的光能、雨水以及植物結合氣候特性充分發揮高效能屋頂的價值。

4 結語

高效能屋頂可以緩解溫室效應和城市熱島效應，屋頂綠化植物還能吸收有害氣體，吸收PM2.5 粉塵顆粒，起到凈化空氣、減少城市霧霾天氣和風沙天氣頻繁出現的作用，且能夠隔音降噪［1］。希望通過有效利用光能和管理水資源，充分提高建筑屋頂的效能，打造更為綠色、更為健康的城市環境。“設計結合自然”，運用高效能屋頂從多方面對自然資源進行利用和管理，解決城市問題，在增加城市綠化面積的同時，為建筑內部的使用者提供更多的資源和能源。北方嚴寒地區高效能屋頂技術策略旨在有助于進一步實現建筑節能，提高自然資源利用率，優化城市上空風景線。推動屋頂保溫節能模式工業化，方便推進實現城市建筑大規模的節能減排。通過對自然陽光，雨水的利用研究，使其轉化為可利用的資源，從而進行屋頂效能最大化的利用。

［1］李海霞，曹敏，論夏熱冬冷地區屋頂花園的隔熱保溫節能措施［J］，現代商貿工業，2011(21).