寒冷地區(qū)建筑屋頂坡度對建筑能耗影響的研究

劉建松，杜曉輝

（北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京　100044）

寒冷地區(qū)建筑屋頂坡度對建筑能耗影響的研究

劉建松，杜曉輝

（北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京100044）

通過對寒冷地區(qū)住宅3種不同形式的屋頂在不同坡度范圍內(nèi)的全年模擬計算，對冬季、夏季以及全年的溫度和能耗進行對比分析。結(jié)果表明，在相同的屋頂材料下，悶頂形式在3種屋頂形式中最為節(jié)能；對于坡屋頂形式，坡度在20°～30°時能耗最低，可為住宅屋頂設(shè)計提供依據(jù)。

屋頂坡度；能耗；模擬計算

0　引言

屋頂作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)的最上層構(gòu)件，其對于建筑節(jié)能十分重要。屋頂形式根據(jù)屋頂坡度的不同主要分為平屋頂和坡屋頂。平屋頂?shù)奶攸c是構(gòu)造簡單，造價低。而坡屋頂?shù)膬?yōu)勢在于其保溫隔熱性能好、排水能力強以及外形美觀。2種屋頂形式各具特點，被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計中。

對于寒冷地區(qū)的住宅，在建筑設(shè)計中應(yīng)注意冬季保溫，兼顧夏季防熱。建筑的保溫隔熱性能主要取決于所使用的材料，但屋頂坡度對室內(nèi)溫度的變化也會產(chǎn)生影響。屋面面積隨著坡度的增加而變大，建筑接收的太陽輻射量也會隨著屋面面積增大而增多。對于冬季降低采暖負荷來說，應(yīng)盡量增加太陽輻射量；對于夏季降低制冷負荷來說，應(yīng)減少太陽輻射面積。兩者之間相互矛盾，需要通過能耗分析找到一個平衡點。

1　概況

以河北省邢臺市某住宅為研究對象，商住兩用3層磚混結(jié)構(gòu)，層高3 m，平面如圖1所示，當?shù)囟静膳绞綖榧泄┡嵩礊槊禾?，夏季制冷采用空調(diào)。家庭平均人口5人，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度18℃，夏季室內(nèi)設(shè)計溫度27℃。用Designbuilder建立模型，根據(jù)房間使用功能的不同，劃分熱工區(qū)域，如臥室、起居室、餐廳、廚房、衛(wèi)生間等都獨自為一個熱工區(qū)域，具體模型如圖2。圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)見表1。

2　屋頂坡度

根據(jù)屋頂坡度的分類，一般將坡度小于5%（2.86°）的屋頂稱為平屋頂，大于10%（5.80°）的屋頂稱為坡屋頂。所以，模擬方案主要根據(jù)屋頂坡度的范圍進行確定，分別對平屋頂、坡屋頂以及悶頂（改良的坡屋頂）3種屋頂形式（見圖3）進行模擬分析。在3種屋頂形式中分別研究各自屋頂坡度對于能耗的影響，通過對不同的屋頂構(gòu)造形式在采暖季（11月～次年3月）、制冷季（6～9月）及全年的溫度和能耗情況進行橫向和縱向比較，最終找出適合寒冷地區(qū)住宅屋頂坡度的適宜范圍。

圖1　方案平面布置示意

圖2　模型建立

表1　建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)

圖3　3種屋頂形式

（1）平屋頂。根據(jù)對當?shù)仄轿蓓敇?gòu)造的調(diào)研，選取一個常用的平屋頂構(gòu)造，具體構(gòu)造形式如表2所示。

（2）坡屋頂。坡屋頂坡度由排水坡度、室內(nèi)空間利用、屋頂特殊構(gòu)造以及考慮屋頂太陽能板安裝等因素決定，常用的坡度在15°～45°。根據(jù)當?shù)匚蓓斝问降恼{(diào)研，選取了3種常見坡屋頂（見表2）的構(gòu)造形式進行能耗模擬比較。

（3）悶頂。悶頂可以看作是坡屋頂?shù)囊环N改良構(gòu)造，是指坡屋面頂層天花板和坡屋面之間不能進人的空間，常用作空氣隔熱層或者小型儲藏間。它的坡度可以根據(jù)坡屋頂?shù)钠露确秶M行參考。

表2　各種屋頂構(gòu)造形式

3　結(jié)果分析

3.1平屋頂形式的住宅室內(nèi)溫度能耗分析

采用平屋頂形式，模擬后，采暖季住宅室內(nèi)平均溫度達到19.08℃，制冷季住宅室內(nèi)平均溫度為26.14℃。從能耗角度看，冬季采暖能耗為19 045 kW·h，制冷季能耗為14 601 kW·h，全年能耗為40 732 kW·h。

梅奧診所的羅納德·彼得森（Ronald Petersen）是起草HHS計劃的顧問委員會主席，他為這項2025年的目標辯護稱：“我們想做出一個大膽的聲明，而不是‘我們希望能夠取得怎樣的進步’，這種希望不會激勵任何人?！?/p>

3.2坡屋頂形式的住宅室內(nèi)溫度能耗分析

（1）采暖季住宅室內(nèi)溫度與全年能耗比較

坡屋頂3種構(gòu)造形式采暖季能耗模擬結(jié)果見表3。從室內(nèi)平均溫度來看，每一種構(gòu)造在不同坡度下變化不大，溫度在18～19℃，波動值在1℃以內(nèi)。

表3　坡屋頂采暖季的能耗kW·h

從表3可知，3種構(gòu)造采暖季能耗變化趨勢基本相同，總體是能耗隨屋頂坡度的增大而提高。傳統(tǒng)屋面能耗最高，新型屋面最小，原因是新型屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最小，保溫性能最好。從每個構(gòu)造來看，都是在屋頂坡度20°左右時能耗最低，之后隨坡度增加能耗逐漸提高，傳統(tǒng)屋面能耗隨坡度增加變化最快。

（2）制冷季住宅室內(nèi)溫度與全年能耗比較

坡屋頂3種構(gòu)造形式制冷季能耗模擬結(jié)果見表4。從溫度變化來看，3種屋面室內(nèi)溫度均在25℃左右，上下波動在1℃以內(nèi)。

表4　坡屋頂制冷季的能耗kW·h

從表4可知，3種構(gòu)造形式制冷季能耗的變化趨勢基本相同，能耗從15°開始增加，20°～25°有一個緩慢的下降，25°之后隨坡度增加而提高；3種構(gòu)造形式相比，新型屋面整體耗能最小，傳統(tǒng)屋面耗能最大，原因是新型屋面隔熱性能最好。

（3）全年溫度和能耗比較

坡屋頂3種構(gòu)造形式全年降低能耗隨屋頂坡度的變化見表5。從溫度來看，全年平均溫度在21.5～22.0℃。

由表5可知，3種構(gòu)造形式全年的能耗變化趨勢總體是隨屋頂坡度的增大而提高，在20°左右出現(xiàn)最低點，3種構(gòu)造形式相比，新型屋面的全年能耗最小，歸結(jié)于其良好的保溫隔熱效果。

表5　坡屋頂全年的能耗kW·h

3.3悶頂形式的住宅室內(nèi)溫度能耗分析

針對悶頂這種構(gòu)造形式，對屋頂坡度在20°～40°進行了溫度和能耗的模擬。對于溫度的變化，在采暖季，溫度在17.9～18.2℃，在制冷季，溫度變化范圍為26.69～26.75℃。能耗變化如圖4所示。

圖4　悶頂?shù)哪芎谋容^

由圖4可看出，制冷季的能耗隨坡度變化波動不大，采暖季能耗隨坡度增大而升高，全年能耗也是隨坡度增加而增大。

3.43種屋頂形式能耗比較

針對3種不同的屋頂形式，我們選取保溫隔熱性能基本相同且在最佳坡度范圍內(nèi)的形式進行對比（見表6），試圖探究哪種屋頂形式更為節(jié)能。

表6　3種屋頂形式能耗對比kW·h

從表6可以看出，在采暖季，能耗最低的是悶頂形式，其能耗相對平屋頂和坡屋頂構(gòu)造分別降低了9.2%和5.9%；在制冷季，悶頂形式也是最節(jié)能的形式，其能耗相比平屋頂和坡屋頂也分別降低了1.9%和3.1%。分析原因，在冬季，悶頂構(gòu)成一個封閉的空氣層，可以對建筑起到有效的保溫作用；在夏季，悶頂?shù)目諝鈱佑挚梢云鸬接行У母魺嶙饔谩Ｋ?，悶頂形式無論在冬季還是夏季，都可以對建筑形成一種保護，從而降低建筑的能耗。

4　結(jié)論

通過對3種不同形式的屋頂分別在15°～45°坡度內(nèi)進行全年的能耗模擬計算，就冬季采暖季、夏季制冷季以及全年的溫度和能耗進行橫向和縱向的對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）從節(jié)能的角度分析，屋頂?shù)谋馗魺嵝阅軐δ芎牡挠绊懸笥谖蓓斊露茸兓瘜δ芎牡挠绊?，從?jié)約能耗的角度分析優(yōu)先考慮屋頂材料的保溫隔熱性能。

（2）在選定屋頂材料的前提下，對屋頂坡度進行分析。在冬季，屋頂坡度對室內(nèi)溫度變化影響不大，能耗在坡度20°～30°范圍內(nèi)最低；在夏季，室內(nèi)溫度對坡度變化也不敏感，能耗整體隨坡度增大而提高，但在15°～25°范圍內(nèi)變化較緩慢；從全年的能耗變化來看，能耗整體上隨坡度的增加而提高，在15°～30°范圍內(nèi)增長緩慢。所以，綜合冬季、夏季以及全年的溫度以及能耗變化來看，在確定屋頂材料的前提下，屋頂坡度在20°～30°范圍內(nèi)最優(yōu)。

（3）在保溫隔熱性能基本相同的條件下，平屋頂、坡屋頂以及悶頂?shù)?種形式中，以悶頂形式更為節(jié)能。

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The research on the influences of roof slope on building energy consumption of cold areas

LIU Jiansong，DU Xiaohui
（School of Architecture and Design，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

According to simulation of the different roof forms of buildings in cold areas in the different slope range throughout the year，and through the analysis of temperature and energy consumption of the whole year.The results show that the form of mezzanine in the three roof form is the most energy-saving，to the form of pitched roof，in 20 degrees～30 degrees，the energy consumption is the least，thereby providing a basis for the residential roof design.

roof slope，energy consumption，simulation calculation

TU201.5

A

1001-702X（2015）09-0061-03

北京市社會科學(xué)基金項目（15WYC069）

2015-03-16；

2015-07-27

劉建松，男，1989年生，山東濟南人，碩士研究生。