陜南地區農宅平加坡屋頂構造熱工性能研究

■肖求波 XIAO Qiubo 賀 永 HE Yong 劉 煜 LIU Yu 吳曉楠 WU Xiaonan

0 引言

陜南地區屬于夏熱冬冷地區，總體上屬山地暖溫帶濕潤季風氣候[1]。據當地居民介紹，該地冬無嚴寒、夏無酷暑，氣候宜人。但是，近年來受全球氣候變化影響，當地年平均氣溫呈上升趨勢，夏季高溫天氣持續增加，極端氣候和暴雨頻次較往年有所增長[2]。

自2010 年以來，在鄉村振興和移民搬遷政策的指導下，陜南地區大量居民從山區搬遷至城鎮和中心村定居。村民修建大量的農宅以滿足自身住房需求，且其中大部分農宅由村民自己設計和建造[3]。由于當地施工隊普遍缺少建筑保溫意識，且當地既有農宅也很少使用保溫材料，因此，這些農宅的外圍護結構保溫性能普遍較差。隨著生活條件的改善，當地居民普遍使用分體式空調進行夏季制冷和冬季采暖，但因由于建筑圍護結構保溫性能較差且空調的調節能力有限，大部分農宅均會配置多個空調（幾乎每一個主要功能房間配一個空調），造成了大量的能源浪費和污染。在此背景下，如何提升陜南地區農宅外圍護結構熱工性能，已成為一個重要的研究內容。

陜南地區是我國貧困地區之一[4]，因此，對當地農宅的節能改造，不能采取高技術和高經濟投入的方式。通過實地調查，當地部分農宅使用的平加坡屋頂具有較好的改造潛力，可以在有限的經濟投入基礎上實現較好的節能效果。

1 平加坡屋頂的概念

當代農宅平加坡屋頂的做法來自于當地傳統農宅智慧。陜南地區傳統農宅多使用夯土墻和木架結構，因為當地氣候濕潤、降雨頻繁，坡屋頂有利于保護墻體免受雨水沖刷。在當代農宅建設中，則普遍采用預制混凝土板搭建平屋頂，并在屋頂上鋪設防水層。但是，這一做法的防水性能有限，在當地降雨頻繁的氣候環境下，屋頂滲水、墻面滲水等現象時有發生。當地居民借鑒傳統農宅智慧，在平屋頂之上加蓋一個坡屋頂以解決防水問題，這就是平加坡屋頂（圖1）。

圖1 平加坡屋頂構造圖

實地調研發現，傳統農宅相對于當代農宅具有較好的保溫性能。一方面，傳統農宅使用的夯土墻具有較好的蓄熱性能和隔熱性能；另一方面，傳統農宅的屋頂做法也更有利于保溫，充分體現了當地居民的智慧。陜南傳統農宅會設置閣樓用于儲存，因為閣樓通風條件較好且十分干燥，也兼做夏季臥室。閣樓的地板一般采用在木梁之上鋪設緊密排布的木板，并在木板之上夯筑密實的黃土，在黃土中摻入秸稈以增強其牢固程度。如此一來，傳統農宅的屋頂構成包含3 部分：第一部分是用于防水的坡屋頂；第二部分是用于承重和保溫的夯土樓板；第三部分則是介于坡屋頂和夯土樓板之間的空氣層。這3 部分構成了室內環境和室外環境之間的“緩沖層”（圖2）。本文對當代平加坡屋頂保溫性能的思考也源自于對傳統農宅屋頂的觀察。

圖2 陜南傳統農宅及其建筑構造

2 平加坡屋頂與平屋頂的保溫性能比較

預制混凝土板平屋頂施工簡便、價格低廉，普遍使用于陜南地區當代農宅的建設中。但這種屋頂構造的防水性能和熱工性能都很差。為了改善農宅防水，許多居民在屋頂上加蓋坡屋頂，使用的屋面材料包括彩鋼板、小青瓦和機制瓦。經調研，使用機制瓦和小青瓦的加建方式一般是在外墻上砌筑一堵矮墻，矮墻之上搭建木檁條，在檁條之上鋪設掛瓦片和瓦。如果對該屋頂構造進行一定的保溫處理，可以提升屋頂的熱工性能。

平加坡屋頂比平屋頂多了一個空氣間層，使得原有平屋頂的外表面不再直接接觸室外空氣，而是經過坡屋頂內部的空氣層進行緩沖；且增設坡屋頂所采用的木構架、瓦片和頁巖磚墻都是蓄熱材料，能夠改善屋頂的整體蓄熱性能。筆者認為，在此基礎上，在平屋頂部分再鋪設一層保溫板，則可以使該屋頂的熱工性能得到更顯著的提升。

2.1 實驗對象選取

為了對比相同情況下，經節能改造的平加坡屋頂和平屋頂之間的保溫性能差異，本文選取陜南寧強地區某居民安置點的2個農宅作為研究對象。2 個農宅具有相似的平面構造、朝向和外墻構造，其中，平加坡屋頂農宅為實驗農宅，平屋頂農宅為對比農宅（圖3、4）。選取2 個農宅西北向臥室作為測試房間，并分別命名為1號測試房間（T1）和2號測試房間（T2）。

圖3 采用平屋頂的對比農宅

圖4 采用平加坡屋頂的實驗農宅

2.2 測試過程

選取夏季8 月21—26 日、冬季12 月6—12 日，對實驗農宅和對比農宅屋頂的各表面溫度和測試房間的室內外溫度進行測量，擬通過各屋頂表面溫度的變化趨勢，探討平加坡屋頂的被動式隔熱性能。

測試內容包括：實驗農宅坡屋頂及平屋頂部分的上、下表面溫度，1號測試房間的室內外溫濕度、風速和黑球溫度；對比農宅平屋頂上下表面溫度和2 號測試房間的室內溫濕度、風速和黑球溫度。

測試過程中，測試房間始終處于密閉狀態，除工作人員讀取測試數據外無人員出入；且測試所使用的儀器保持一致，測試點位置亦保持一致。同時，夏季測試時，為了更好地研究平加坡屋頂的隔熱效果，2 個測試房間均無制冷措施；冬季測試時，則在2 個測試房間采用變頻電子加熱器，將室內溫度控制在18 ℃，以研究平加坡屋頂的保溫效果。

預研究顯示，當地居民自建農宅的平加坡屋頂沒有封閉坡屋頂和平屋頂之間的空氣層，導致該屋頂構造的隔熱和保溫效果相對于平屋頂并無顯著優勢。因此，本研究對測試農宅的平加坡屋頂進行必要的改造，具體內容為：①在平加坡屋頂內部鋪設50 mmXPS 帶錫箔紙的保溫巖棉板；②使用普通防雨布以遮擋平加坡屋頂通風口，使通風口夏季可以打開，冬季則可以封閉。

測試所使用的儀器均符合《建筑熱環境測試方法標準》（JGJ/T 347—2014）[5]的相關要求（表1）。測試過程中的部分儀器安置如圖5 所示，測點位置如圖6 所示。

圖5 測試過程中部分儀器安置

圖6 測點位置分布圖

表1 使用儀器信息表

2.3 夏季測試結果與分析

為了便于研究，選取測試過程中的典型日期進行對比分析。夏季選取時間為8 月23 日，天氣晴朗，微風。當日室外最高溫度為32.8 ℃，出現在13:50；最低溫度為20.8 ℃，出現在早晨6:50；平均溫度為25.7 ℃，晝夜溫差為12 ℃。

2.3.1 平加坡屋頂測試結果分析

從圖7 可以看出：①實驗農宅平加坡屋頂的上表面為機制瓦，該表面溫度在太陽出來之前比室外溫度約低4 ℃，在太陽出來之后，琉璃瓦屋面升溫迅速，且最高能升溫至57 ℃，出現時間為14:20；而平加坡屋頂內部的空氣溫度變化幅度則小得多，且與平屋頂部分的上表面溫度接近。②平屋頂部分上表面最高溫度為36.3 ℃，出現在14:20；最低溫度為22.5 ℃，出現時間為早晨6:50；平均溫度為28.2 ℃。③平屋頂部分下表面最高溫度為27.8 ℃，出現時間為19:50；最低溫度為26 ℃，出現時間為上午10:00；平均溫度為26.9 ℃。④1 號測試房間的室內溫度變化較為平緩，最高溫度為29.2 ℃，出現在18:40；最低溫度為25.7 ℃，出現在上午9:30；平均溫度為27 ℃，晝夜溫差為3.5 ℃。

圖7 平加坡屋頂各測點夏季溫度變化圖

結果顯示，平屋頂部分對外界溫度具有顯著的延遲效果。

2.3.2 平屋頂測試結果分析

從圖8 可以看出：①對比農宅的平屋頂上表面溫度最高溫度為42.3 ℃，出現在14:00；最低溫度為22 ℃，出現在早上6:20；平均溫度為30 ℃。②該屋頂下表面最高溫度為41.1 ℃，出現在18:00；最低溫度為26.2 ℃，出現在早晨8:00；平均溫度為26.2 ℃。③2 號測試房間室內最高溫度為33.5 ℃，出現在18:20；最低溫度為27.6，出現在早晨7:10；平均溫度為29.6 ℃，晝夜溫差為6 ℃。

圖8 平屋頂各測試點夏季溫度變化圖

2.3.3 結果對比

從上述測試結果可以看出：①在相同環境下，1 號測試房間的室內平均溫度低于2 號測試房間（約2.7 ℃）；②1 號測試房間的晝夜溫差也低于2號測試房間（約2.5 ℃）；③平屋頂對室外溫度具有較好延遲作用，從而避免了室內溫度隨室外溫度劇烈變化；④平加坡屋頂的隔熱性能明顯優于平屋頂，這是因為平加坡屋頂的雙層屋面對太陽輻射遮擋效果更顯著，且屋頂采用的蓄熱材料對溫度上升具有較好的延遲效果。

2.4 冬季測試結果

冬季測試過程中，2 個測試房間均采用同一型號的變頻加熱器對室內進行加熱，根據《民用建筑熱工設計 規 范》（GB 501761—2016）[6]的相關要求，室內采暖設定溫度為18 ℃。變頻加熱器的工作特點是，它會根據室內溫度調整自身加熱功率，從而使室內溫度維持在一個相對恒定的水平。測試時，使用一個電子電能表記錄加熱器的電能消耗。本文通過將電能消耗轉化為標準煤并除以建筑面積，來計算單位建筑面積能耗（kg/ m2）。通過對比2 個測試房間的單位建筑面積能耗差異，可以反映出屋頂保溫性能的差異。

標準煤轉化公式采用《農村住宅用能核算標準》（CECS 309：2012）[7]的相關要求。即：

式中，Qdn為電能的標準煤折算量（kg）；kdn為標準煤折算系數，取308 g/(kWh)；Ndn為電能的使用量（kWh）。

本文選取12 月10 日的測試結果為代表，分析各測點溫度變化。該日天晴、微風，室外最高溫度為21.1 ℃，出現在15:30；最低溫度為-1.1 ℃，出現時間為早晨7:50；室外平均溫度為7 ℃，晝夜溫差為22.2 ℃。

2.4.1 平加坡屋頂測試結果分析

如圖9 所示：①平加坡屋頂的上表面最低溫度為-5.6 ℃，最高溫度為25.2 ℃，溫度變化幅度較大，且隨室外溫度變化明顯。②平屋頂部分，上表面最高溫度為15 ℃，最低溫度為3.4 ℃，平均溫度為8.4 ℃；下表面最高溫度為19.4 ℃，最低溫度為16.5 ℃，平均溫度為18.4 ℃。③1 號測試房間室內最高溫度為18.8 ℃，最低溫度為16.8 ℃，平均溫度為18.3 ℃。可以看出，室內溫度基本維持穩定，但在測試人員于15:40 進入室內進行數據讀取時，有一些擾動，之后恢復正常。

圖9 平加坡屋頂各測試點冬季溫度變化圖

電能表讀數顯示，在室內維持18 ℃的過程中，1 號測試房間的單日平均電能消耗為34.9 kWh。該房間面積為14 m2，按照標準煤折算，可知其單位建筑面積標準煤耗為0.77 kg/m2。

2.4.2 平屋頂測試結果分析

由圖10 可以看出：①平屋頂上表面最高溫度為12.1 ℃，最低溫度為0.4 ℃，平均溫度為5.7 ℃；②下表面最高溫度為20.9 ℃，最低溫度為13.8 ℃，平均溫度為16.9 ℃；③2 號測試房間室內最高溫度為18.9 ℃，最低溫度為16.2 ℃，平均溫度為17.6 ℃。結果表明，在加熱器持續工作的狀態下，2 號測試房間的溫度也難以維持在穩定水平，而是隨室外溫度變化出現緩慢的變化，在夜晚，其室溫難以達到18 ℃。

圖10 平屋頂各測試點冬季溫度變化圖

電能表讀數顯示，在設定室內維持18 ℃的過程中，2 號測試房間的單日平均電能消耗為48.5 kWh。該房間面積為11 m2，按照標準煤折算，可知其單位建筑面積標準煤耗為1.07 kg/m2。

2.4.3 結果對比

上述測試結果表明：①在室內設置加熱器的情況下，1 號測試房間室內溫度能夠較好地維持在18 ℃，而使用平屋頂的2 號測試房間則易受環境變化影響；②1 號測試房間的單日單位建筑面積能耗低于2 號測試房間（約0.3 kg/m2）；③如按陜西西安地區采暖時間為每年11 月15 日至次年3 月15 日共120 d 計算，對于建筑面積為100 m2的建筑，采用平加坡屋頂比使用平屋頂節省標煤約3.6 t。總而言之，平加坡屋頂相對于平屋頂具有更好的保溫效果。

3 結語

在全國鄉村振興和農村居民生活水平不斷提升的大背景下，農宅圍護結構熱工性能的改善，是一個需要深入研究的內容。由于農村居民經濟條件有限，針對農宅的保溫改造不能像城市住宅那樣使用高技術和高經濟投入的做法。本研究對當地農宅采用的平加坡屋頂進行簡單節能改造，經一系列的測試證明，該改造能夠顯著提升農宅屋頂的熱工性能。因本改造所使用的材料是普通的XPS 保溫板，可以在市場上獲得，不會明顯增加農宅建設的成本；且本次保溫改造的施工過程完全由當地施工隊完成，因此，在當地具有較好的推廣價值。