施诺 谢莹
(福建工程学院建筑与城乡规划学院，福建福州 350001)
1 概述
近年来，夏热冬暖地区夏季空调制冷能耗量呈逐渐攀升之势，能源的消耗使空气中二氧化碳等污染物的含量逐渐增多，加剧了环境恶化。建筑节能改造作为节能工作的重要组成部分，是改善和提高建筑舒适性、促进环境保护、减少温室气体排放、降低城市热岛效应的重要措施。屋顶作为建筑围护结构的主要构件之一，是节能改造的薄弱部位，也是关键所在。
2 屋顶对建筑总能耗的影响
根据节能住宅研究机构文献记载，屋顶的能耗损失是围护结构中仅次于外墙、门窗及楼梯间的重要热量损失部位。在大量的建筑中，屋顶虽然是建筑外围护结构表面所占面积较小的部分，但是所造成的室内外温差传热、耗热量却大于任何一面外墙，其表面积建筑能耗也高居整幢建筑物表面积建筑能耗比值的榜首［1］。特别是一些老旧建筑，以多层为主，屋顶占建筑外围护结构比例大，导致其对建筑总能耗的影响远高于普通高层建筑。
在我国夏热冬暖地区，冬季基本无采暖要求，而夏季的制冷能耗却占总用电量的一半。因为夏季屋顶吸收大量的太阳辐射热，使水平屋面的表面空气温度升高，温度达到60℃～80℃，顶层比其下层室内温度高出2℃～4℃。据测算，室温每降低1℃，空调能耗减少10%，而人体的舒适性也会大大提高［2］。因此，提高屋顶隔热降温能力对建筑节能具有重大作用。
3 夏热冬暖地区既有建筑屋顶节能改造策略分析
3.1 增加热阻
热传递是通过辐射、对流及导热这3种途径来实现的。热阻表示热量通过围护结构传递时所受到的阻力，是反映阻止热量传递能力的综合参量。如图1所示，太阳照射为辐射热，夏季当阳光通过辐射方式传到屋顶时，其中约有20%～30%的热量被反射，剩余被屋顶接收的辐射热，一部分经屋顶材料内部以热导方式传向室内，另一部分则由屋顶表面向大气层辐射，并通过对流换热的方式将热量传递给周围空气［3］。建筑物围护结构中保温层的主要意义在于减少室内外热量的传递。围护结构的热阻越大，说明通过围护结构传递的热量越少，隔热性能越好。由于夏热冬暖地区冬季基本不需要采暖，夏季隔热防热才是其主要设计要求，因此提高材料层的隔热能力，增加其热阻，不仅可以降低夏季由于室外太阳辐射作用对顶层室内热环境带来的负面影响，同时也可以保证室内空调制冷效果不会由于屋顶热阻过小而使大量冷气通过屋面向外进行热传递，出现制冷能耗过大，浪费的现象。夏热冬暖地区既有建筑屋顶的主要构造层次是承重层和防水层，另外还有一些辅助性层次。早期受经济技术条件影响，大部分既有老旧建筑屋顶热阻较小，隔热效果差，室内热环境无法满足人体舒适度需求。根据这些问题，可以利用增加热阻的方法提高屋顶的隔热能力，即在承重层与防水层之间增设1层实体轻质材料，或直接在防水层上面铺设隔热材料，旨在提高结构的热惰性，使屋顶内表面平均温度波动范围降低。目前以增加热阻为目的的屋顶节能改造方式主要体现在实体材料层和带有封闭空气层的隔热屋顶的运用上。这类屋顶又分坡屋顶和平屋顶，而对住宅这种全天候使用的建筑，屋顶除有足够大的热阻和衰减外，还应使室内气温的总延迟时间更长，让内表面最高温度推迟到午夜后出现，而此时室外气温已大大降低，室内温度也将随之下降。这种改造方式的特点是不仅在夏季具有隔热性能，而且在冬季也能起到一定的保温作用，对于夏热冬暖地区非常适用。
3.2 通风降温
在夏热冬暖地区，屋顶通风可以带走多余热量、改善室内热环境状态、有效缓解室外高温环境对室内温度的影响，对建筑节能改造具有重要意义。通风降温的具体运用主要体现在自然通风屋面以及热压自然通风屋面的使用上。建筑通常意义上的自然通风指的是通过有目的的开口，产生空气流动。这种流动直接受建筑表面的压力分布和不同开口的影响。压力分布是动力，而各开口的特点则决定了流动阻力。建筑表面的压力由风压和室内外温差引起的热压所组成。风压依赖于建筑的几何形状、建筑相对于风向的方位、风速和建筑周围的自然地形。热压依赖于进出口高差和内外温差。总之，自然通风受风压和热压的影响，这两种因素可单独起作用，也可共同起作用［4］。通风屋顶的改造原理是在屋顶加设通风间层，一方面利用通风间层的外层遮挡阳光，使屋顶变成二次传热，避免太阳辐射热直接作用在围护结构上;另一方面利用风压和热压的作用，尤其是自然通风，带走进入夹层中的热量，从而减少室外热作用对内表面的影响。通风屋顶最主要的优点是构造简单，改造既可用于平屋顶，也可用于坡屋顶;既可以在屋面防水层上组织通风，也可在防水层下组织通风，保证白天能隔热，晚上又易散热。无论是平屋顶还是坡屋顶，迎风面通风口处的压强超过大气压，则形成正压区;在背风面，空气稀薄，实际压强低于大气压，形成负压区。在平屋顶，迎风面进气，背风面排气。在坡屋顶，当上开口无挡风板时，在风力作用下，迎风面下开口总是进气。此外，改造时还可将间层面层在檐口处向外挑出一段，如图2a)所示，能起到兜风作用，可提高间层的通风效果。而热压通风即通常所说的烟囱效应，其原理为热空气(密度小)上升，从建筑上部风口排出，室外冷空气(密度大)从建筑底部被吸入，见图2b)。热压的大小取决于进排气口的温差和高差，温差高差越大，通风量就越大。在夏热冬暖地区建筑通风屋面改造设计中，可利用坡屋顶或在平屋顶排风处架高排风口等来强化热压，并在屋顶排风帽上涂黑色材料，增强对太阳辐射的吸收，达到加强热压自然通风的目的。与风压自然通风不同的是，热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境［3］。炎热的夏季并不能保证随时都有足够的风压来带走屋顶多余的热量，而这种热压通风改造方法则可弥补风压不足时的情况，因此改造时可将二者进行结合设计。
图1 屋顶被太阳照射时的受热情况
图2 间层空气流通的动力
3.3 降低屋面综合温度
房间围护结构的外表面不但经受室外空气温度的变化，而且还接收来自太阳的辐射，同时也与周围环境之间进行辐射换热。在确定这些因素形成的室内得热量时，为了计算上的简单方便和易于理解，一种习惯的做法就是将辐射热作用折算成相当的室外空气温度增量，将此增量与室外干球温度相加，即将两者的作用综合在一起，从而产生一个假定的室外空气温度，这就是所谓的综合温度［5］。屋顶绿化是夏热冬暖地区降低屋面综合温度的有效方法。绿化植物层通过利用植物叶片、冠层对太阳辐射的遮挡、反射作用与植物的蒸腾作用以及光合作用达到调节、减少建筑物吸收太阳辐射，改变环境湿、热平衡的效果，进而减少室内得热，改善室内热环境。由于太阳辐射和室外气温的综合作用，建筑屋面温度与周围空气温度往往相差很多。因此还可以通过在改造屋面表层喷涂或滚涂高反射性涂料，通过把太阳光谱中的可见光及红外线、紫外线反射出去的途径来降低屋面综合温度(见图3)。这种在普通屋顶上涂高反射率的涂料，提高屋顶的日射反射率，减少太阳热量的吸收，从而达到空调节能目的的屋顶叫做“冷屋顶”(cool roofs)。一般涂有沥青的屋面反射率仅为5%左右，即有95%的太阳光及太阳能要被屋面吸收，一般的钢板屋面的反射率为25%左右，而高反射性涂料反射率则高达85%以上，只有15%左右的太阳光及太阳能被屋面吸收。根据国外数据表明，涂刷高反射性涂料屋顶比传统屋顶节能20%～30%。此外，屋顶表面颜色也是影响反射率的主要因素，表面颜色越浅，反射太阳辐射热的能力就越强。
图3 屋顶接收太阳辐射示意图
3.4 太阳能利用
太阳能是各种绿色可再生能源中最重要最基本的能源，且太阳能在转换过程中几乎不会产生危及环境的污染。我国幅员辽阔，全国2/3的国土面积年日照在2 200 h以上，年辐射量超过600 MJ/m2［6］。夏热冬暖地区如闽东南的太阳能辐射能量较大，因此可以将太阳能利用与屋顶节能改造结合起来进行设计。目前，在建筑屋顶上加装太阳能电热水器和太阳能电池板，是节能改造的主要方式。在利用太阳能加热过程中，集热器将太阳辐射转换为热量，而光电器可将太阳辐射转化成电能。但这些系统的能量生产受产地条件的影响，所以太阳能热水器在夏天应当安装在太阳高度角比较高的地方。
除以上介绍的太阳能光热系统外，太阳能空调系统也是夏热冬暖地区太阳能利用的主要手段之一。太阳能空调系统主要是由太阳能集热器阵列、溴化锂制冷剂、热泵机组、蓄能水池和自动控制系统等几大部分组成。冬季通过板式换热器将集热系统收集的热量交换给蓄能水池，达到蓄热的目的;夏天，吸收式制冷机以太阳能集热系统收集的热水为热源制造冷冻水，作为储能水池的冷源。
4 结语
虽然夏热冬暖地区屋顶节能改造策略，其基本理论是来源于建筑节能设计，但节能改造与新建节能建筑还是存在一定的差异，在改造过程中必须考虑到既有建筑屋顶的使用现状以及构造条件等因素，从而选择适宜的改造策略，为具体改造工程的实施提供选择。
［1］韦延年.夏热冬冷地区节能住宅外围护结构保温指标的确定方法［J］.四川建筑科学研究，2002(1):71-73.
［2］杨子江.建筑屋面节能技术［J］.工业建筑，2005(2):40-43.
［3］刘加平.建筑物理［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.
［4］［英］D.J.克鲁姆.建筑物空气调节与通风［M］.北京:中国建筑工业出版社，1982.
［5］叶天泉，孙 杰，王岳人，等.城市供热辞典［M］.沈阳:辽宁科学技术出版社，2005.
［6］德国能源署(dena)建筑节能部门.中国建筑节能手册［Z］.2007.
