蓄水與蓋板開孔對屋面蓄水磚隔熱效果的影響

卿玉濤 王 令 韓如冰

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蓄水與蓋板開孔對屋面蓄水磚隔熱效果的影響

卿玉濤 王 令 韓如冰

（西南科技大學(xué)土建學(xué)院 綿陽 621010）

屋面隔熱效果直接影響室內(nèi)冷負(fù)荷大小，也是導(dǎo)致頂層房間制冷量增大的直接原因。選取無水的蓄水磚屋面與蓄水的蓄水磚屋面、不同蓋板蓋（開孔與不開孔）蓄水磚屋面兩種工況的屋面進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果分析蓄水磚屋面的隔熱效果，并探討蓄水磚屋面一天24h的溫度分布。研究結(jié)果表明：屋面蓄水利于隔熱，蓄水的蓄水磚屋面隔熱效果優(yōu)于無水的蓄水磚屋面；不開孔蓋板的蓄水磚比開孔蓋板的蓄水磚隔熱效果更優(yōu)。既有建筑屋面節(jié)能改造可以鋪設(shè)屋面蓄水磚改善屋面的隔熱性能。

蓄水屋面；隔熱；蒸發(fā)冷卻；節(jié)能改造

0 前言

眾所周知，由于屋面受到的太陽直接輻射最強(qiáng)且作用時(shí)間最長，屋面得熱量在頂層房間總得熱量中占有較大的比例[1]（一般在40%左右），因此強(qiáng)化和改善屋頂?shù)谋馗魺崮芰τ欣诟纳祈攲臃块g的室內(nèi)熱環(huán)境，節(jié)約空調(diào)能耗。屋面保溫隔熱改造是建筑節(jié)能改造中非常重要的一部分。據(jù)測算[2]，夏季室內(nèi)溫度每降低1℃，空調(diào)運(yùn)行能耗減少10%，而人體的舒適性會大大提高。因此，做好屋面的隔熱，對于提高頂層房間室內(nèi)熱舒適性，減少空調(diào)制冷能耗有著不可或缺的作用。減少通過屋面的傳熱量能夠減少室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。

本文介紹一種雨水蓄水屋面磚，解決屋面夏季隔熱、冬季保溫性能。同時(shí)，由于城市水體蒸發(fā)可以緩解城市的熱島效應(yīng)和干島效應(yīng)，因此，蓄水屋面也是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。既有建筑不同于新建建筑，可以通過改變建筑結(jié)構(gòu)和屋面結(jié)構(gòu)實(shí)施屋面蓄水，既有建筑屋面無法改變結(jié)構(gòu)形式，承重不能隨意增加，因此，蓄水磚材料采用輕質(zhì)陶粒混凝土。陶粒混凝土與普通混凝土（石子+河沙+水泥）相比，質(zhì)量輕，導(dǎo)熱系數(shù)小，自身具有保溫隔熱效果。本文主要針對夏季陶粒蓄水屋面磚的隔熱效果進(jìn)行實(shí)測研究，研究結(jié)論為既有建筑屋面蓄水節(jié)能改造提供依據(jù)。

1 蓄水磚測點(diǎn)布置與測試儀器

1.1 蓄水屋面磚的結(jié)構(gòu)

蓄水屋面磚[3]的尺寸為300mm×300mm×240mm（L×W×H），磚底部與屋面形成的空氣間層厚度為20mm；蓄水深度最大為120mm；蓋板分兩種（厚度均為20mm），一種開孔，開孔率為30%（圖1（a））；另一種不開孔，開孔率為0（圖1（b））。其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)剖面圖見圖1（c）、（d）。

（a）?????????（b）

（c）1-1?????????（d）2-2

圖1 屋面蓄水磚結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Water-retaining brick structure

1.2 蓄水屋面磚的測點(diǎn)布置

圖2 蓄水磚布置圖

為研究不同形式蓄水屋面的隔熱保溫效果，本文設(shè)立了3組對比實(shí)驗(yàn)。對比實(shí)驗(yàn)分別為：（1）開孔蓄水的蓄水磚屋面與開孔無水的蓄水磚屋面，（2）不開孔蓄水的蓄水磚屋面與開孔無水的蓄水磚屋面，（3）開孔蓄水的蓄水磚屋面與不開孔蓄水的蓄水磚屋面。測試磚塊測試區(qū)域?yàn)楹谏娇騼?nèi)見圖2，磚塊測點(diǎn)布置見圖3。

圖3 測點(diǎn)布置圖

1.3 測試數(shù)據(jù)段選取

本實(shí)驗(yàn)于2015年4月5日開始，于2015年5月31日結(jié)束。測試數(shù)據(jù)選取2015年5月15日-5月20日連續(xù)晴天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

測試儀器及操作方法如下：太陽總輻射強(qiáng)度、室外風(fēng)速、室外空氣溫度、室外空氣相對濕度的測試采用綿州陽光氣象科技有限公司的PC-4型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，靈敏度為±0.2℃，每1h記錄1次。各測點(diǎn)溫度的測試采用上海朝杰無紙記錄儀C6108A，精度等級±0.2%FS ，每4min記錄一次，挑選整點(diǎn)時(shí)間的數(shù)據(jù)繪制溫度變化趨勢圖。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 蓄水與否對磚蓄水屋面隔熱性能的影響

圖4 屋面溫度逐時(shí)變化圖

夏季蓄水屋面磚的隔熱效果非常明顯，本文選取開孔無水的蓄水磚屋面、開孔蓄水的蓄水磚屋面與裸露屋面進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。測試時(shí)間為連續(xù)晴天2015年5月18日早上7:00-5月20日早上7點(diǎn)，各屋面溫度逐時(shí)變化規(guī)律見4。

從圖4測試結(jié)果分析可以得出如下結(jié)論：

（1）開孔無水的蓄水磚屋面與開孔蓄水的蓄水磚屋面白天都有較好的隔熱效果，有效削弱了室外向室內(nèi)傳遞的熱量。當(dāng)裸露屋面溫度升至51.6℃時(shí)，開孔無水的蓄水磚屋面溫度為30.8℃，而開孔蓄水的蓄水磚屋面溫度僅為27.7℃，裸露屋面與磚下屋面最大溫差達(dá)到23.9℃。

（2）蓄水的蓄水磚與無水蓄水磚隔熱效果對比，蓄水的蓄水磚隔熱效果更優(yōu)。通過二者屋面溫度對比，可以得出蓄水磚下屋面溫度變化平穩(wěn)、波動小，同時(shí)與裸露屋面比較，有一定的延遲，二者的峰值出現(xiàn)在不同時(shí)刻。

屋面鋪裝無水的蓄水磚使其表面溫度降低，這是由于蓄水磚蓄水部分用空氣替代，二空氣自身導(dǎo)熱系數(shù)小、隔熱效果優(yōu)，因此能有效地起到隔熱的作用，降低屋面表面溫度。磚內(nèi)蓄水后其隔熱效果更優(yōu)，主要是因?yàn)樗砻娴乃魵夥謮毫Ω哂诳諝庵械乃魵夥謮毫Γl(fā)生蒸發(fā)，使水和空氣溫度都降低，利用蓄水蒸發(fā)冷卻原理，將外界熱量帶走，從而使屋面溫度降低。因此，蓄水與否對蓄水磚隔熱效果影響較大，蓄水后隔熱效果更優(yōu)，在無水磚屋面的基礎(chǔ)上，溫度再降低0.4～3.1℃。

2.2 蓋板開孔對蓄水磚隔熱效果的影響

圖5 不同孔蓋水溫逐時(shí)變化圖

為了研究蓄水磚蓋板開孔對隔熱效果的影響，本課題小組將開孔蓋板與不開孔蓋板進(jìn)行測試對比，試驗(yàn)期間監(jiān)測的數(shù)據(jù)有：磚下的屋面溫度、裸屋面溫度以及水溫。監(jiān)測結(jié)果見圖5、圖6。

圖6 不同孔蓋屋面溫度逐時(shí)變化圖

從上圖測試結(jié)果分析可以得出：

（1）蓄水磚蓋板的開孔對其隔熱效果具有影響。蓋板開孔，使其白天陽光直接與磚內(nèi)蓄水接觸，加快了水溫的變化，從圖5可以明顯看出，開孔蓋板的水溫變化明顯大于不開孔蓋板水溫變化。連續(xù)晴天測試中，二者水溫有存在近2h的延遲，開孔蓋板水溫最高達(dá)31.6℃，出現(xiàn)在15:00，而不開孔蓋板最高水溫為29.1℃，出現(xiàn)在17:00。

（2）開孔與不開孔均有隔熱的效果，但二者效果存在差異。不開孔相對開孔隔熱效果更優(yōu)。從圖6測試結(jié)果分析，不開孔與開孔蓄水磚下屋面的溫度變化趨勢基本保持一致，二者的最大差值為1.1℃。

開孔與不開孔隔熱效果出現(xiàn)差異，其直接原因是太陽輻射。太陽輻射會加快水溫的上升，從而影響磚下屋面溫度的變化。因此，開孔與否對屋面隔熱有影響，不開孔蓋效果更優(yōu)。

2.3 蓄水磚豎直傳熱分布

圖7 不開孔蓋板蓄水磚溫度分布圖

本課題組選取一個(gè)實(shí)心蓋蓄水磚為研究單元，時(shí)間是2015.5.18早上7:00至2015.5.19早上7:00，對其水溫、磚底溫度以及磚下屋面溫度進(jìn)行測試分析，測試結(jié)果見圖7。

根據(jù)測試結(jié)果得出白天與夜間蓄水磚的溫度分布有所不同。上午11:00至夜間23:00時(shí)段蓄水磚隔熱降溫，水溫、磚底溫度以及磚下屋面溫度依次降低，最大溫差在1.1℃左右；而夜間23:00至白天11:00，屋面溫度高于磚底溫度，磚底溫度高于水溫，最大溫差在0.9℃左右。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是熱量的傳遞過程存在一定延遲，午后輻射被削弱，有良好的隔熱效果，可顯著降低房間的溫度。

3 結(jié)論

本文通過蓄水與蓋板開孔對屋面蓄水磚隔熱效果影響的研究，目的在于初步掌握蓄水磚的隔熱性能，以及蓄水磚隔熱效果的影響因素，從而進(jìn)一步研究蓄水磚屋面提供依據(jù)。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析獲得如下結(jié)論：

（1）蓄水磚屋面蓄水后的隔熱效果明顯，蓄水的蓄水磚屋面隔熱效果優(yōu)于無水蓄水磚屋面，蓄水能有效地隔熱，降低由屋面帶來的冷負(fù)荷。

（2）開孔會對蓄水磚屋面的隔熱造成影響，不開孔蓋板蓄水磚比開孔蓋板蓄水磚隔熱效果更優(yōu)。

（3）熱量的傳遞過程存在一定延遲，不開孔蓋板蓄水磚白天與夜間溫度分布規(guī)律有所不同。

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Research on the Insulation Effect of Water-retaining Roof Bricks from Water Storage and Cover with Hole

Qing Yutao Wang Ling Han Rubing

( Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

Roof insulation has an impact on the indoor heat load and causes an increase in the heat on the top floor. This paper selects two conditions for testing: (1) comparing roof temperature using brick storage water, brick not storage water and an ordinary roof, (2) comparing different cover of water-retaining roof. Meanwhile, analyzing the distribution of bricks temperature in a whole day(24hous) from the test results. According to the test results, it shows that roof with water-retaining brick storage water is more insulated than the brick not storage water and cover with no hole insulation effect is better. For energy saving in existing buildings using a water-retaining roof will improve the performance of the roof insulation.

water-retaining roof; insulation; evaporation cooling; energy saving

1671-6612（2016）05-599-04

TU834

A

國家自然科學(xué)基金（51208442）

卿玉濤（1991-），男，在讀碩士研究生，E-mail：qyt1991@yeah.net

王 令（1969-），女，副教授，E-mail：Wlling1015@126.com

2015-07-10