通風屋頂隔熱性能影響因素綜述

龍正熠 李曉杰 李光輝 羅清海 鄧滔文

南華大學土木工程學院

0 引言

在經濟的發展和物質生活水平提高的背后，付出的是能源的高額支出，其中建筑行業的能耗需求已成為主要部分[1］，在我國，建筑全生命周期能耗已占全國能源消費總量的46.5%，碳排放總量為全國能源碳排放的51.2%[2］，為此，我國推出了一系列政策來大力發展綠色建筑。相比于主動式節能技術，被動式節能技術在節能減排方面享有天然的優勢，通過采取預防措施，在遮陽和通風等方面，不需額外消耗能量就能削減或是阻斷外部熱量通過圍護結構進入室內。不少文獻已經證實通風屋頂在減少室內得熱方面有著優異的表現性能[3］，本文基于以往對通風屋頂隔熱性能的研究，對影響通風屋頂隔熱性能的相關因素進行了歸類和總結，并對通風屋頂未來的研究方向提出見解。

1 主體結構

通風屋頂主體結構大致分為遮陽層、通風層和保溫隔熱層，如圖1 所示。通常遮陽層以椽條和檁條等支撐構件架設在保溫層上，其與保溫層之間形成的通風空隙為通風層，通風層可以使氣流通過以帶走部分熱量，為增強通風量，屋頂一般設有一定的傾斜角度。

圖1 通風屋頂結構示意圖

遮陽層一般由輕質非透明材料構成，如鋼板鐵皮、薄土瓦片、瓷磚瓦塊等，其特點是外表面反射率較高，能夠有效減少外表面太陽輻射得熱量，且由于其較差的蓄熱特性，遮陽層的熱響應時間較短，當太陽輻射強度逐漸增大時，遮陽層也能同步升溫，加熱通風層上側氣流，從而增強空腔熱壓作用，增大空腔氣流流量而帶走更多熱量。為避免遮陽層過高的溫升對保溫隔熱層產生較大的熱輻射作用，可以在保溫隔熱層上表面或者遮陽層下表面設置輻射屏障，如鋁箔等，以減少保溫層得熱[4-5］；由于支撐構件的存在，通風層間的氣流流動會受到一定的影響，將圓邊支撐構件設置為圓邊會比方邊的更有利于通風層層間氣流的流動[6］；保溫隔熱層一般采用傳統構造方法，但近年來更多人研究使用相變材料作為保溫隔熱層，這進一步增大了屋頂的熱惰性及蓄熱能力，更有利于室內熱舒適環境的營造[7-8］。

2 研究方法

對通風屋頂節能效果的研究，一般采用數值模擬的方法，如采用CFD 模擬技術，將物理模型進行建模及網格劃分后，在設定邊界條件的基礎上，對質量、能量及動量守恒方程和N-S 方程等進行求解，其關鍵是針對通風層氣流流態選擇恰當的求解模型，不同的求解模型會對模擬結果產生一定的影響，對于湍流模型，采用Realizable k-ε模型的模擬結果更加理想[9］；其次是試驗測試，多數為室內搭建測試平臺，在定邊界壁溫或者定熱流的條件下測量通風層各表面溫度及出入口風速等，其目的主要是用以驗證數值模擬模型的正確性；少數也有對實際搭載了通風屋頂的建筑進行數據測量[10-12］，以分析實際條件下通風屋頂的隔熱性能；另也有采取理論計算或建立預測模型的研究手段，如Ciampi M等[13］采用熱阻網絡法對通風層傳熱熱阻進行分析和處理，其采用經驗公式或者半經驗公式，如Haaland 公式及Gnielinsk 公式來計算通風層內的對流換熱熱阻；Gómez V H H 等[14］則基于全局能量平衡法提出了新的計算模型，并用Mathematica 程序對模型方程進行求解。此外，Tzuc O M 等[15］采用多基因遺傳規劃(MGGP)方法建立了平頂自然通風屋面得熱模型，基于實驗測試數據對該模型進行馴化，用于預測通風屋頂得熱情況；Tong S 等[16］基于MATLAB 程序，采用解析復雜快速傅里葉變換(CFFT)方法對自然通風房間多層屋面的瞬態溫度和傳熱熱通量進行了預測。以上研究文獻均表明，相對于傳統屋頂，在夏季通風屋頂具有更好的隔熱性能。

3 隔熱性能影響因素

就通風屋頂自身而言，其隔熱性能與遮陽層隔熱能力、通風層的排熱量及保溫層隔熱效果密切相關，此外也會受到環境因素，諸如太陽輻射強度、室外氣溫及風環境等的影響。為量化分析影響通風屋頂熱性能的因素，給出合理的通風屋頂設計方案，多數文獻采用了數值模擬結合室內試驗的方法對通風屋頂進行了進一步的研究和分析。

3.1 表面發射率

表面發射率對通風屋頂熱性能的影響，主要體現在削減輻射傳熱的過程上。通風屋頂由于空腔的存在而有多個表面，雖然遮陽層外表面受太陽輻射直接影響，但降低通風層內上下表面發射率,減少通過通風屋頂的熱流密度的效果更加顯著[17］，一般采用增設輻射屏障的方式，如增設鋁箔或者低發射率涂層來降低表面發射率，設置位置如圖2 所示。當通風層內上下表面發射率從0.8 降低至0.15 時，可以使通過通風屋頂的總熱流密度減少48%，而遮陽層外表面及通風層內上下表面發射率均由0.8 降至0.15 時，通風屋頂的總熱流密度降低了59%[18］，當僅降低遮陽層外表面發射率至0.09 時，熱流密度降低了23%~25%[19］，以上數據說明削減二次傳熱過程中遮陽層溫升對保溫層的輻射換熱作用可能比削減太陽輻射對遮陽層的直接影響作用更大，但文獻[17］[18］的數據結果是在太陽輻射強度為800 W/m2的條件下得出的，上述結論可能還缺乏不同太陽輻射強度數據的支撐。此外，Roels S 等[4］指出降低表面發射率與減少室內得熱并非是線性關系，當上下表面發射率由0.8降至0.47時，通過屋頂進入室內的熱流密度僅降低了2%左右，為保證有較好的隔熱效果，通風層上下表面發射率應盡可能低，同時也應注意長時間使用后會由于積塵的影響而增大上下表面發射率[4］。

圖2 輻射屏障設置示意圖

3.2 屋頂水平傾角

雖然同是夾層空腔氣流流動的通風結構，但通風屋頂對傾角設計的要求與太陽能煙囪及太陽能集熱器不同，后兩者是要求盡可能接收到太陽輻射，故而其傾角設計與當地地理緯度相關，緯度越高，水平傾角越大[20］，所能接收到的太陽輻射量也越大；而通風屋頂的要求是減少太陽輻射得熱的影響，通風層的構建可以有效利用氣流通風而削減太陽輻射的影響，因此，通風屋頂傾角改變的影響主要體現在通風層內氣流流態的發展上，作用于通風層內上下表面熱邊界層及速度邊界層的形成和發展[21］，影響著層間通風氣流速率[22］及上下表面平均對流換熱系數[21］。一般而言，水平傾角越大，越有利于加速通風層內的自然對流及增強層內上下表面對流換熱[23-24］，從而降低室內得熱，柳晟等人[25］表明當屋面傾角從15°增加到45°時，最大熱流和日透過熱量分別約降低40%和39%，但當水平傾角超過33°時，保溫層上表面的平均溫度及通過保溫層的熱流密度下降幅度有限[26］，傾角的增大對壁面溫度的影響不大[27］；Lee D S等人也指出對于這種夾層通風結構，水平傾角為45°時，通風層內氣流流動的阻力最小[28］；再綜合考慮到建筑的功能性、美觀及屋頂的結構特性和建造成本等因素，通風屋頂水平傾角設計推薦值在33°~40°范圍內[26］。值得一提的是，對于屋頂水平傾角的結構設計，Hirunlabh J 等人[29］提出了一種接近于傳統泰式風格建筑的多傾角通風屋頂結構，如圖3所示，該結構盡可能地設置較大的水平傾角來獲得更大的通風量，結果也顯示，相比于該文獻中的其它屋頂設計，通風屋頂結構a的通風量最大。

圖3 多傾角通風屋頂結構[29]

3.3 通風層間距

盡管通風層間距（h）對通風屋頂整體熱性能的影響不如表面發射率和屋頂傾角[17］，但它直接影響著通風層內上下表面熱邊界層及速度邊界層的形成和發展，以及間接影響層內氣流流態的轉捩[9,21,30］，最終影響到屋頂的通風量及通風層內由氣流帶走的熱量。較大的通風層間距雖然會減少支撐構件對氣流的阻力影響，但也同時降低了層內熱壓作用的效果，研究表明，通風層間距由4 cm 改為6 cm 時，通過通風屋頂的最大熱流密度減少了6.6%，而由6 cm改為10 cm 時，其最大熱流密度僅減少了2.0%[25］，Giacomo Villi 等人[31］也表明通風層高度在5 cm 時其整體隔熱性能最好，但與10 cm 時的熱性能相差不大，而當超過10 cm 時對屋頂整體傳熱基本沒有影響[32］，所以將通風層間距設置在6～10 cm 范圍內[18,26］，通風屋頂能獲得較好的隔熱性能。但值得指出的是，文獻[18］[32］是在太陽輻射強度分別為800 W/m2及600 W/m2的條件下得出的結論，亦缺乏不同太陽輻射值條件下的研究數據，而文獻[25］[26］[31］雖然模擬了全天的太陽輻射變化情況，但Li D 等人[26］沒有研究在通風層間距為10～14 cm之間屋頂得熱情況的變化，柳晟[25］及Giacomo Villi 等人[31］也沒有對通風層間距超過10 cm的通風屋頂進行模擬分析。有趣的是，Lai C 等人[33］指出，當通風層間距與其內上下表面的熱邊界層厚度非常接近時，此時的通風層排熱量最大；Alzwayi A S等人[9,30］也表明通風層內的氣流發展會受到通風層上表面以及通風層內整體平均溫升的影響，導致通風層內氣流提早發生轉捩，使得上下表面熱邊界層的發展也會受到影響，因此，對于通風層最佳間距的選取，除了要考慮通風屋頂自身結構及材料以外，還需要結合通風屋頂所在地區的年太陽輻射強度及年室外空氣溫度作進一步分析。

3.4 保溫隔熱層

保溫隔熱層的厚度和材料的選用直接影響著通風屋頂的綜合傳熱熱阻，工程上一般選取EPS 聚苯板、XPS 擠塑板、膨脹珍珠巖塊等作為保溫隔熱材料，顯然，其厚度越大，能降低通過屋頂的最大熱流密度的比例也越大[25］，室內天花板表面溫度也會有顯著的降低[18,25］，但相應地保溫隔熱層上表面的溫度會升高，通風層內的氣流質量流量也會隨之上升[18］，總體而言，通風屋頂整體的隔熱效果會隨著保溫隔熱層厚度的增加而增加[9］，但受限于屋頂結構設計與成本考慮，保溫層厚度會受到限制，Biwole P H 等人[18］推薦保溫層厚度為5 cm。近年來，由于相變材料優異的保溫性能和蓄熱特性，其在建筑領域內的應用越來越廣泛[34］，相變材料對建筑圍護構件的增益主要體現在其對溫度波動的“移峰削谷”作用上，減小室內溫度的波動范圍；選用相變溫度接近于人體舒適溫度的相變材料分別布置在通風屋頂外表面及作為保溫層，如圖4所示，不僅可以使室內峰值溫度降低16.9%~18.8%，顯著推遲峰值溫度的出現時間[7］，還可以有效降低室內熱環境的不滿意率[8］。

圖4 相變材料布置示意圖

3.5 其它因素

由于通風屋頂的結構特性，影響其隔熱性能的因素并不局限于上述4種，通風層的縱向寬度[23］，軸向長度（L）[22,27,29］，進出口面積之比[26］，通風層上下表面的摩擦系數[13］等都會對通風屋頂的隔熱性能產生或多或少的影響。此外，考慮風壓作用下的通風屋頂，其傾角還需要結合風向來設置，對于水平傾角為60°的通風空腔，只要是水平方向吹來的風都會導致空腔質量流率的下降[35］；Lee S 等人[36］還研究了帶肋板的通風屋頂隔熱性能，發現肋板雖然會使得通風層的排熱能力變大，但也會導致更高的通風層下表面溫度，為利于室內熱環境舒適的營造，需在保溫層上表面增設熱阻斷。

可以看出，研究以上因素的文獻較少，但這并不表明這些因素對通風屋頂隔熱性能的影響效果不如前文提及的因素，相反，這說明了在這些因素方面，通風屋頂可能還有更多的節能潛力值得進一步分析，后續的研究者們也許可以在此更加深入下去，發掘出更多有意義的結論，讓通風屋頂的研究更加全面和細致。

4 總結

總體而言，基于對目前影響通風屋頂隔熱性能因素的量化分析，表面發射率可能對其影響最大，在通風屋頂設計中應首要考慮降低通風層上下表面的發射率；其次則可能是屋頂水平傾角，而屋頂不僅承擔著遮陽的作用，還要起著擋雨的功能，張濤[37］表明中國傳統民居建筑的屋頂坡度主要與地區年降雨量有關，要想將通風屋頂應用于傳統民居，可能還需要對通風屋頂傾角設計給予更多的考量。此外，大多數文獻都是依據室內試驗及數值模擬來展開對通風屋頂隔熱性能的研究，雖能有針對性地具體研究影響通風屋頂隔熱性能的因素，但其對通風屋頂的實際應用作用有限，因為室外實際情況的變化要比室內的模擬更復雜多變，不同地區的地理條件和氣候特征都有可能對通風屋頂的隔熱性能產生重要影響，一方面表現為通風屋頂的氣候適應性，另一方面則是自然因素，如積塵，降雨，銹蝕老化等對其隔熱性能的干擾。雖然不少文獻給出了通風屋頂最佳設計的參考值，但其可靠性有待進一步的應用研究；對于少數測量實際工程中通風屋頂數據的文獻，由于數據的龐雜及不明顯的規律表現，很難總結出通風屋頂設計的普適經驗，亦缺乏更加深入的分析。

對于部分文獻提出的基于大量研究數據來馴化通風屋頂得熱預測模型，其從本質上可能要比對單一或者較少工況進行研究的文獻結論更加可靠，這也可能是有效剔除室內試驗局限性的方式，但是，結合地區的氣候特征及地理環境來設計出適應于當地的通風屋頂，給予自然影響因素更加充分的考慮，就如土家族民居通風屋頂設計[10］，設計結合到實處，才能賦予節能真正的意義。