夏熱冬冷地區(qū)不同屋頂形式節(jié)能效果分析

張京京，張偉林，劉曉鳳,何 軍，楊軍偉

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601）

夏熱冬冷地區(qū)不同屋頂形式節(jié)能效果分析

張京京，張偉林，劉曉鳳,何 軍，楊軍偉

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230601）

隨著世界能源危機(jī)的出現(xiàn)以及環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，人們?cè)絹?lái)越重視建筑節(jié)能，堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展道路，建立生態(tài)文明社會(huì)。屋頂作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)建筑節(jié)能影響很大。屋頂處于氣候變化最激烈的部位，是左右頂層空間的舒適度和空調(diào)耗能的關(guān)鍵，尤其是低層建筑或大空間建筑的屋頂，更應(yīng)該重視屋頂節(jié)能。本文基于合肥市氣候條件，運(yùn)用ECOTECT軟件對(duì)采用普通屋頂、一般坡屋頂和保溫隔熱屋頂這三種不同屋頂形式的建筑進(jìn)行能耗模擬，將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可得：保溫隔熱屋頂?shù)墓?jié)能效果明顯，一般坡屋頂?shù)墓?jié)能效果一般，對(duì)于屋頂節(jié)能，要優(yōu)先選用保溫隔熱屋頂。若采用坡屋頂形式，應(yīng)增設(shè)老虎窗通風(fēng)，節(jié)能效果更佳。

節(jié)能；屋頂；夏熱冬冷；ECOTECT

0　引　言

夏熱冬冷地區(qū)是我國(guó)氣候相對(duì)惡劣，分布范圍較廣的地區(qū)，該地區(qū)濕度普遍較大，冬季氣溫較低；夏季天氣炎熱，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高，是我國(guó)建筑節(jié)能的重點(diǎn)地區(qū)。

目前我國(guó)的屋頂節(jié)能技術(shù)主要包括保溫隔熱型屋頂、屋頂平改坡、通風(fēng)屋頂、種植屋頂(綠化屋頂)、蓄水屋頂、其他新型屋頂?shù)?，這些屋頂節(jié)能技術(shù)在我國(guó)都得到了廣泛的運(yùn)用，但是我國(guó)對(duì)這些技術(shù)的節(jié)能效果卻研究甚少。屋頂作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成部分，處于氣候變化最激烈的部位，是影響頂層空間的舒適度和空調(diào)耗能的關(guān)鍵。尤其是低層建筑或大空間建筑的屋頂，更應(yīng)重視屋頂節(jié)能。

本文從節(jié)能的角度，運(yùn)用ECOTECT能耗分析軟件，基于合肥市的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)一居住建筑模型在采用保溫隔熱型屋頂、一般平改坡屋頂和普通屋頂情況下，逐月的空調(diào)能耗進(jìn)行模擬分析，比較這三種屋頂?shù)暮哪芰?，為夏熱冬冷地區(qū)屋頂?shù)墓?jié)能技術(shù)提供參考。

1　能耗分析的計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置

1.1建立模型與設(shè)置參數(shù)

用ECOTEC軟件的分別建立平屋頂（有、無(wú)保溫）和坡屋頂建筑模型，層高為2.8 m，坡屋頂?shù)钠露葹?6.7度，兩個(gè)模型如圖1 、圖2所示。

圖 1平屋頂（有、無(wú)保溫）模型

圖 2坡屋頂模型

1.2墻體材料參數(shù)設(shè)置

模型的門(mén)均采用實(shí)心木塑門(mén)，傳熱系數(shù)為2.26 W/(m2.K)，窗戶(hù)采用鋁合金框雙層玻璃窗，傳熱系數(shù)為2.7 W/(m2.K)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)其余部分的材料參數(shù)如表1所示（其中傳熱系數(shù)是系統(tǒng)根據(jù)材料參數(shù)自動(dòng)計(jì)算所得）

表1　外墻各層材料參數(shù)

1.3區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置

區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置包括一般設(shè)置和熱環(huán)境屬性設(shè)置。ECOTECT在進(jìn)行能耗計(jì)算時(shí)，考慮了設(shè)備和人員產(chǎn)生的熱量，所以在進(jìn)行區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置時(shí)，一般設(shè)置主要是設(shè)置區(qū)域內(nèi)人員的工作狀態(tài)，著裝情況、燈光照度、室內(nèi)風(fēng)速和濕度，人員工作所遵循的時(shí)間表等。熱環(huán)境屬性設(shè)置主要是設(shè)置供能系統(tǒng)類(lèi)型，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間以及環(huán)境溫度變化值等。室內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)置為18 ℃～26 ℃，臥室、客廳和餐廳采用空調(diào)系統(tǒng)，其他區(qū)域采用自然通風(fēng)系統(tǒng)。其中臥室中空調(diào)工作日和休息日運(yùn)行時(shí)間為21:00～7:00；客廳空調(diào)工作日運(yùn)行時(shí)間為17:00～21:00，休息日運(yùn)行時(shí)間為11:00～21:00；餐廳空調(diào)工作日運(yùn)行時(shí)間17:00～19:00，休息日運(yùn)行時(shí)間為16:00～19:00。

使用中國(guó)氣象臺(tái)所監(jiān)測(cè)的合肥市氣象數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)。選取全部區(qū)域進(jìn)行能耗計(jì)算。

2　計(jì)算結(jié)果分析

建好模型和設(shè)置完參數(shù)之后，便可對(duì)該建筑進(jìn)行能耗模擬分析，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3～5。如圖可以看出：

圖 3普通屋頂空調(diào)能耗圖

圖 4坡屋頂建筑空調(diào)能耗圖

圖 5保溫屋頂建筑空調(diào)能耗圖

（1）不管采用哪種形式的屋頂，建筑的采暖能耗都遠(yuǎn)大于制冷能耗。因此，在夏熱冬冷地區(qū)，應(yīng)該加強(qiáng)冬季的保溫措施，防止熱量散失。

（2）根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算出該建筑模型采用普通屋頂、坡屋頂和保溫隔熱屋頂時(shí)，全年的空調(diào)能耗分別為：3842 kWh，2415 kWh，1223 kWh，坡屋頂和保溫隔熱屋頂?shù)墓?jié)能率分別為37.1%，68%，保溫隔熱屋頂?shù)墓?jié)能效果令人滿(mǎn)意，坡屋頂?shù)墓?jié)能效果不是特別明顯。

（3）將模擬結(jié)果運(yùn)用Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，畫(huà)出這三種屋頂形式能耗折線(xiàn)對(duì)比圖，如圖6所示。

圖 6三種屋頂建筑空調(diào)能耗對(duì)比圖

由圖6可看出，無(wú)論是在夏季還是在冬季，保溫屋頂?shù)墓?jié)能效果都令人滿(mǎn)意。在采用保溫屋頂時(shí)，全年能耗量波動(dòng)不大。而在采用坡屋頂后，冬季的耗能量降低很多，而夏季的耗能量卻增加少許，使得建筑全年節(jié)能效果一般。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能如下：

（1）屋頂是氣候變化最為激烈的部分，當(dāng)屋頂由原來(lái)的平屋頂變成坡屋頂后，增大了屋頂?shù)拿娣e和坡度，加大了屋頂對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，而夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，屋頂區(qū)域密閉，熱量散失慢，從而使得夏季空調(diào)能耗增加。

（2）當(dāng)平屋頂變成坡屋頂后，屋頂隔開(kāi)了室內(nèi)頂部與室外的直接接觸，而屋頂對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收增大，屋頂相當(dāng)于熱量存儲(chǔ)器，在冬季時(shí)有利于室內(nèi)保溫。

若采用坡屋頂，在屋頂上增設(shè)0.6 m×0.6 m老虎窗，然后用ECOTECT軟件對(duì)改造后的模型進(jìn)行能耗分析，結(jié)果如圖7。再用origin軟件對(duì)分別采用普通屋頂、一般坡屋頂、加了老虎窗的坡屋頂和保溫隔熱屋頂建筑全年空調(diào)能耗進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8。結(jié)果顯示：加了老虎窗的坡屋頂建筑全年的總能耗為1763 kWh，與普通屋頂和一般坡屋頂相比，能耗分別降低54.1%、26.9%。考慮全年耗能量，加老虎窗的坡屋頂略次于保溫屋頂?shù)墓?jié)能效果。

圖 7有老虎窗的坡屋頂建筑空調(diào)能耗圖

圖 8四種屋頂建筑空調(diào)能耗對(duì)比圖

3　 結(jié)論

對(duì)采用普通屋頂、一般坡屋頂、保溫屋頂以及加老虎窗的坡屋頂?shù)慕ㄖM(jìn)行能耗模擬分析，得出結(jié)果如下：

（1）對(duì)屋頂進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓?jié)能設(shè)計(jì)后，建筑空調(diào)能耗大大降低，說(shuō)明對(duì)屋頂進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)是很有必要的。

（2）通過(guò)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算對(duì)比分析，與普通屋頂相比，一般坡屋頂?shù)墓?jié)能率為37.1%，保溫屋頂?shù)墓?jié)能率為68%，加了老虎窗的坡屋頂?shù)墓?jié)能率為54.1%，說(shuō)明保溫屋頂?shù)墓?jié)能效果很好，在對(duì)屋頂進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用這種屋頂形式。

（3）與普通屋頂相比，一般坡屋頂?shù)哪芎慕档吐什桓撸募灸芎姆炊鴷?huì)增加，對(duì)屋頂加設(shè)老虎窗，能耗有所降低，若采用坡屋頂形式，應(yīng)增設(shè)老虎窗通風(fēng)，節(jié)能效果更佳。

[1]云朋. ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]段姣姣.基于PKPM軟件的長(zhǎng)沙市節(jié)能建筑屋頂設(shè)計(jì)與分析[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.

[3]王陽(yáng).長(zhǎng)沙地區(qū)農(nóng)村住宅平屋頂節(jié)能改造綜合評(píng)價(jià)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

[4]季敏.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑屋頂節(jié)能構(gòu)造與環(huán)境設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

[5]付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[6]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

The Energy-Saving Effect Analysis of Different Roof Form in Hot Summer and Cold Winter Areas

ZHANG Jingjing，ZHANG Weilin，LIU Xiaofeng ，HE Jun，YANG Junwei
(School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University， Anhui Hefei 230601 China)

With the emergence of the world energy crisis and environmental pollution getting increasingly serious, people pay more and more attention to energy conservation in building, stick to the road of sustainable development and establish ecological civilization. As an important part of building palisade structure, roof has great influence on building energy efficiency. On the roof , the climate change in fiercest and it serves as the key factor determining the space comfort and air-conditioning energy consumption of the top floor. People should pay more attention to energy saving of the roof, especially the roof of low-rise buildings and large space buildings. Basing on the climate conditions in Hefei, this paper uses the ECOTECT software to simulate the energy consumption of the buildings respectively with ordinary roof, general sloping roof and heat insulation roof. Through comparison between the simulation results, it can be found that energy saving effect of heat insulation is obvious and there is little energy saving effect of sloping roof. For roof energy saving，people should give priority to the heat insulation roof. If the slope roof form is adopted, people should add the tiger window on the roof.

Energy saving; The roof; Hot summer and cold winter; ECOTECT

TU375

A

2095-8382(2016)05-067-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160512

2016-03-08

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAJ03B04);安徽省教育廳科學(xué)研究重大項(xiàng)目（KJ2015ZD16）。

張京京（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻ㄖ械墓?jié)能技術(shù)。