原竹隔熱屋面隔熱效果分析

劉小雪 柏文峰

(昆明理工大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院昆明 650051)

原竹隔熱屋面隔熱效果分析

劉小雪 柏文峰

(昆明理工大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院昆明 650051)

針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)現(xiàn)有農(nóng)村住宅屋面隔熱性能差的現(xiàn)狀，提出3種用于平屋面的原竹隔熱屋面構(gòu)造做法。屋面隔熱測(cè)試結(jié)果表明，與無(wú)任何屋面隔熱措施的鋼筋混凝土平屋面相比，不同構(gòu)造做法的原竹隔熱屋面均顯著改善了屋面隔熱性能，對(duì)夏熱冬暖地區(qū)現(xiàn)有農(nóng)村住宅屋面隔熱改造具有很高的實(shí)用價(jià)值，是一種就地取材、生態(tài)環(huán)保的屋面隔熱做法。

農(nóng)村住宅；原竹；屋面隔熱；建筑節(jié)能

屋面隔熱是夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能和確保建筑室內(nèi)熱舒適性的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)居住建筑的更新?lián)Q代，在農(nóng)村出現(xiàn)了大量采用砌體和鋼筋混凝土建造、但保溫隔熱性能極差的民房。就農(nóng)村住宅而言，目前平屋頂隔熱主要有2種屋面材料可供選擇:一種是采用傳統(tǒng)鄉(xiāng)土材料隔熱，如元江傣族民居的土掌房靠厚鋪泥土來(lái)實(shí)現(xiàn)屋頂隔熱 (圖1)，這種做法屋面容易滲漏，而且屋面過(guò)重，對(duì)抗震不利，現(xiàn)在已很少采用；另一種是采用工業(yè)化生產(chǎn)的隔熱材料，按照一定的構(gòu)造做法鋪設(shè)在屋面上起到隔熱效果 (圖2)。受農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件限制，采用現(xiàn)代隔熱材料的造價(jià)較高，施工工藝差，很難得到村民的廣泛認(rèn)可。因此，很多村鎮(zhèn)住宅開(kāi)始安裝空調(diào)以改善室內(nèi)熱舒適性。這種做法既增加了村民的用電費(fèi)用，也不符合國(guó)家節(jié)能政策。部分無(wú)錢(qián)購(gòu)買(mǎi)空調(diào)及支付電費(fèi)的村民在夏季干脆不在頂層居住，造成建筑空間的閑置浪費(fèi)。

圖1 厚鋪泥土隔熱屋面

圖2 擠塑板隔熱屋面的構(gòu)造

住建部2017年3月發(fā)布 《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展 “十三五”規(guī)劃》[1]。該規(guī)劃明確提出，農(nóng)村建筑節(jié)能要實(shí)現(xiàn)新突破的目標(biāo)，要緊密結(jié)合農(nóng)村實(shí)際，總結(jié)出符合地域及氣候特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、保持傳統(tǒng)文化特色的鄉(xiāng)土綠色節(jié)能技術(shù)。針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)現(xiàn)有農(nóng)村住宅屋面隔熱性能差的現(xiàn)狀，有必要在就地取材的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)適用于夏熱冬暖地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的屋面隔熱技術(shù)。

夏熱冬暖地區(qū)有豐富的竹資源。竹材的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.20～0.30 W/(m·K)，比木材的導(dǎo)熱系數(shù)略低，是良好的隔熱材料。更為重要的是，竹稈為空心，竹節(jié)把空腔又進(jìn)一步分隔為若干封閉的氣室，進(jìn)一步提高了原竹的隔熱性能。以原竹為主要材料開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的屋面隔熱構(gòu)造技術(shù)，對(duì)村鎮(zhèn)住宅節(jié)能具有重要意義。

1 原竹隔熱屋面構(gòu)造設(shè)計(jì)及其隔熱機(jī)理

1.1 原竹隔熱屋面構(gòu)造設(shè)計(jì)

原竹隔熱屋面構(gòu)造如圖3所示，從下到上分別為:混凝土結(jié)構(gòu)層、原竹、熱反射膜、水泥砂漿找平層。

圖3 原竹隔熱屋面構(gòu)造圖

施工步驟如下:

第1步，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層上鋪置原竹，其下部三棱柱狀空間用混凝土填實(shí)，起固定原竹位置、黏合原竹與鋼筋混凝土板的作用。操作時(shí)最好將原竹與水泥砂漿交替裝配，也可先平鋪素混凝土再在其上密鋪原竹壓實(shí)，前者可確保混凝土和原竹很好的契合，后者施工效率高但需把握好素混凝土的用量。完成原竹鋪裝后最好晾曬1～7 d，以便水泥中的水分揮發(fā)避免原竹受潮腐爛。

第2步，原竹上部鋪熱反射膜，鋪時(shí)宜用細(xì)竹條將熱反射膜在原竹之間的部分壓出折痕。

第3步，原竹上部三棱柱狀空間同樣用素混凝土填實(shí)，再鋪至原竹最高點(diǎn)以上1～3 cm，起到找平與保護(hù)原竹的作用。第2、第3步操作可同時(shí)交替進(jìn)行，以保證原竹和熱輻射膜的緊密結(jié)合。

原竹隔熱屋面構(gòu)造法利用竹材天然的封閉空腔結(jié)構(gòu)和木質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)進(jìn)行隔熱，材料環(huán)保易得、工藝簡(jiǎn)單易于實(shí)施、靈活度高、適用范圍廣，即可以作為屋面隔熱層和建筑一起完成建造，也可以加建在已建成建筑的屋頂之上，來(lái)改善已有建筑的隔熱性能，提升室內(nèi)居住環(huán)境的舒適度。

1.2 原竹隔熱屋面隔熱機(jī)理

原竹隔熱屋面的隔熱機(jī)理如圖4所示。各層所發(fā)揮的作用如下:

1)熱輻射膜。利用熱輻射膜反射來(lái)自太陽(yáng)的短波輻射穿過(guò)上層混凝土找平層轉(zhuǎn)化而成的長(zhǎng)波輻射；同時(shí)熱反射膜兼做防水材料，避免原竹受潮腐爛。

2)原竹。利用原竹腹部的封閉空腔的自然形態(tài)，降低空氣對(duì)流導(dǎo)熱從而達(dá)到隔熱；而且原竹壁也是一種導(dǎo)熱系數(shù)很低的隔熱材料，具有很好的隔熱效果。

圖4 原竹隔熱屋面隔熱機(jī)理示意圖

3)水泥砂漿。原竹和下層屋面板之間的三棱柱狀空間用水泥砂漿填實(shí)，起限位作用；熱反射膜上用混凝土找平，保障屋面晾曬谷物等使用功能，同時(shí)為原竹提供紫外線防護(hù)，延緩原竹老化。

2 基于屋面熱工計(jì)算的原竹直徑選擇

我國(guó)是世界上最主要的產(chǎn)竹國(guó)，有竹子王國(guó)之譽(yù)。毛竹是夏熱冬暖地區(qū)最常見(jiàn)且資源豐富的竹種，選用毛竹作為屋面隔熱材料，并結(jié)合屋頂熱工指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn) (傳熱系數(shù)K和熱惰性指標(biāo)D)和施工效率以及竹資源情況綜合確定毛竹最小直徑。

2.1 屋面熱工指標(biāo)要求

屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K值按 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176－93中的方法進(jìn)行計(jì)算，并且滿足 《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 75－2012[2]的要求:屋頂傳熱系數(shù)K≤0.4 W/(m2·K)；或0.4 W/(m2·K) ＜K≤0.9 W/(m2·K)， D≥2.5。

2.2 計(jì)算條件與計(jì)算參數(shù)選取

將該隔熱屋面轉(zhuǎn)換為方管組合壁模型計(jì)算。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，設(shè)原竹空腔直徑 ∶壁厚＝7∶1，完整原竹的直徑為x，則原竹壁厚為，空腔直徑為。

竹材的熱工系數(shù)因竹材品種、竹材狀態(tài)、環(huán)境不同略有差異，據(jù)已有研究成果[3]，當(dāng)溫度為28℃時(shí)、干燥狀態(tài)毛竹導(dǎo)熱系數(shù)λ3＝0.20 W/(m·K)，蓄熱系數(shù)S3＝4.50 W/(m2·K)。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)毛竹外徑為40 mm時(shí)，圖3所示原竹隔熱屋面熱惰性指標(biāo)D為2.6，傳熱系數(shù)K為0.85 W/(m2·K))，滿足夏熱冬暖地區(qū)居住建筑屋面節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)熱工指標(biāo)要求。

結(jié)構(gòu)用原竹 (3～5年生)直徑一般在8 cm以上[4]，從方便取材、提高施工效率的角度，取直徑10 cm的原竹作為實(shí)際測(cè)試的材料。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)證及相關(guān)數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

以沒(méi)有任何隔熱措施的鋼筋混凝土屋面板為對(duì)照，根據(jù)構(gòu)造技術(shù)的不同，建造了3種不同的原竹隔熱屋面實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)樣本共4個(gè) (圖5):樣本1，為對(duì)照，100 mm厚混凝土板模擬現(xiàn)有鋼筋混凝土屋面；樣本2，直徑100 mm原竹＋水泥砂漿找平，模擬原竹承重屋面；樣本3，100 mm厚混凝土板＋原竹＋水泥砂漿找平；樣本4，100 mm厚混凝土板＋原竹＋熱反射膜＋水泥砂漿找平。

3.2 數(shù)據(jù)采集

溫度測(cè)試采用RAYTEKS紅外測(cè)溫儀(RAYTEKS ST20)，在4個(gè)樣本上下表面各布置2個(gè)測(cè)定點(diǎn)，選取4個(gè)有太陽(yáng)直射的晴天，在午后14∶30采集屋面上下表面的溫度值，每次在相同區(qū)域讀取2個(gè)數(shù)值然后再求平均值，并且計(jì)算各構(gòu)造方案屋頂上下表面溫差。

3.3 結(jié)果分析

不同實(shí)驗(yàn)樣本的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出:在太陽(yáng)直接照射的同等環(huán)境下，現(xiàn)澆鋼筋混凝土板的上下表面平均溫差為0.51℃，隔熱能力很差；原竹＋水泥砂漿找平屋面的上下表面的平均溫差為6.23℃，該種構(gòu)造屬于輕質(zhì)屋面，具有一定的隔熱能力；混凝土板＋原竹＋水泥砂漿找平屋面上下表面的平均溫差為12.45℃，重質(zhì)屋面和原竹隔熱材料的組合產(chǎn)生了明顯的隔熱效果；混凝土板＋原竹＋熱反射膜＋水泥砂漿找平屋面的上下表面溫差為13.49℃，說(shuō)明熱反射膜對(duì)于進(jìn)一步反射上表面水泥砂漿找平層傳來(lái)的長(zhǎng)波熱輻射有一定作用。

4 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算和實(shí)際樣本測(cè)試，證明了原竹隔熱屋面技術(shù)的有效性和可行性。原竹隔熱屋面構(gòu)造法利用竹材天然的封閉空腔和導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)進(jìn)行隔熱，對(duì)材料和施工工藝要求低，村民和工匠經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可實(shí)施，降低了對(duì)工業(yè)材料的依賴，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保又具有良好的隔熱性能。此項(xiàng)技術(shù)如能與農(nóng)村住宅其他節(jié)能措施相結(jié)合，可整體提升農(nóng)村住宅的節(jié)能水平，對(duì)夏熱冬暖地區(qū)村鎮(zhèn)建筑節(jié)能具有實(shí)用價(jià)值，是一種符合地域及氣候特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、保持傳統(tǒng)文化特色的鄉(xiāng)土綠色節(jié)能技術(shù)。

圖5 實(shí)驗(yàn)樣本構(gòu)造圖

表1 不同實(shí)驗(yàn)樣本屋頂上下表面溫度差異

對(duì)比我國(guó)建筑氣候分區(qū)圖和竹資源分布圖發(fā)現(xiàn)，我國(guó)溫和地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)都有豐富的大中型竹種資源，原竹隔熱 (保溫)屋面技術(shù)具有廣泛的地域適用性，市場(chǎng)前景廣闊。

致謝:譚良斌老師指導(dǎo)了屋面熱工計(jì)算，庾慧景、鮑瑞、白朝旭、楊佳明、彭玉坤等5位同學(xué)參與了論文數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試工作，特此致謝!

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃(建科[2017]53號(hào))[A].2017.

[2] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] 吳舒辭，喻壽益，韓健，等.毛竹竹材幾個(gè)熱力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)試與分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(5):70－75.

[4] 楊寶璋.竹與竹建筑[M].昆明:云南人民出版社.2014:18.

Effect Analysis for Heat Insulation of Bamboo Heat-insulated Roof

Liu Xiaoxue Bai Wenfeng
(School of Architecture and Urban Planning，Kunming University of Science and Technology， Kunming 650051， China)

In light of the poor roof heat insulation performance of current rural house in hot summer and warm winter zone，three types of heat insulation structure of bamboo roof are proposed and tested.The results showed that comparing to the reinforced concrete flat roof without any heat measurement，the 3 different types of bamboo heat insulated roofs demonstrated better heat insulation ability.Bamboo heat insulated roof is therefore of high practical value in rural residence building in hot summer and warm winter zone，which is a low-cost but ecological environment-friendly solution.

Keywordsrural house， bamboo， roof heat insulation， building energy efficiency

10.13640/j.cnki.wbr.2017.06.007

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題 (編號(hào):2014BAL06B04)；大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目 (編號(hào):2015BB025)。

劉小雪，昆明理工大學(xué)，建筑設(shè)計(jì)專業(yè)本科生。

柏文峰，昆明理工大學(xué)綠色鄉(xiāng)土建筑研究所，博士，教授，研究方向?yàn)榫G色鄉(xiāng)土建筑技術(shù)。E－mail:1142149697＠qq.com。