“零耗能”建筑屋頂設計探究

桂益君 朱 吟

（浙江省工業(yè)設計研究院，浙江 杭州 310052）

當前社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，建筑工程項目迅猛發(fā)展，建筑數(shù)量和建設規(guī)模有明顯增大，建筑工程施工設計中，人們越來越重視節(jié)能材料和節(jié)能技術應用。建筑屋頂設計在建筑工程設計中十分關鍵，當前人們在建筑屋頂設計中越來越重視“零能耗”理念的應用，“零能耗”建筑屋頂重視從設計方面出發(fā)，對建筑形體、建筑構(gòu)造以及外部環(huán)境等有充分考慮，提高建筑綜合節(jié)能效果，取得理想能源使用效益。當前我國“零能耗”建筑屋頂設計逐漸成熟，本文就此展開了研究分析。

1 “零能耗”建筑屋頂設計需要考慮的要素

1.1 在環(huán)境方面

建筑屋頂設計需要利用場地規(guī)劃、建筑朝向、建設材料、建筑構(gòu)造、建筑形體等方面內(nèi)容減少不必要的常規(guī)能源消耗，這些方面設計在技術要求方面相對較低，建筑設計人員在設計方案時需要對此有足夠重視，注意自然采光、建筑空間組織通風等方面內(nèi)容。

1.2 被動式節(jié)能設計

在設計過程中注意利用風能、太陽能、生物質(zhì)能等替代常規(guī)能源，提高節(jié)能設計效果。

1.3 主動式節(jié)能設計

利用機械設備等為建筑提供能源供應，如應用智能采光通風系統(tǒng)等。

“零能耗”建筑屋頂設計首先要對節(jié)能和減排方面問題有足夠重視度，從環(huán)境方面出發(fā)綜合分析考慮，利用被動式節(jié)能設計和主動式節(jié)能設計，實現(xiàn)對建筑生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化和調(diào)節(jié)，更好地實現(xiàn)建筑“零能耗”。

2 “零能耗”建筑屋頂設計的概念和原則

2.1 “零能耗”建筑屋頂設計概念

“零能耗”建筑主要是利用節(jié)能設計方式使建筑物以及設備的節(jié)能效果和能源利用效率得到提升，同時充分利用可再生資源，降低建筑在能源方面消耗，最終實現(xiàn)“零能耗”目標。

“零能耗”建筑本質(zhì)上而言是減少建筑在能源方面需求，根據(jù)不同環(huán)境相應設計以及智能系統(tǒng)，營造出一個舒適和良好的建筑環(huán)境，使建筑物能源利用效率有明顯提升，減少不必要的能耗。另外，充分發(fā)揮出風能、太陽能等可再生資源的價值，替代建筑物所消耗的電能和燃料能耗，促使建筑物不利用外界能源供滿足自身舒適獨立運行需要。

當前世界范圍內(nèi)對“零能耗”建筑的研究和推廣有非常高重視度，美國已經(jīng)完成建設一定數(shù)量的“零能耗”建筑，在“零能耗”建筑推廣方面獲得了政策方面支撐。同時日本、德國等國家在“零能耗”研究方面同樣有非常高重視度。我國“零能耗”建筑研究相對較晚，近年在“零能耗”建筑研究方面投入了大量人力和精力，已經(jīng)取得了一定的成效。

2.2 “零能耗”建筑設計原則

“零能耗”屋頂指的是屋頂熱傳遞能量與屋頂可再生能源利用達到基本平衡狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，建筑維護結(jié)構(gòu)能耗在整個建筑總能耗中占1%～3.2%，當前國內(nèi)建筑在可再生能源利用方面利用率不足1%。也就是說，現(xiàn)階段我國多數(shù)建筑為純能耗建筑，在這種情況下，若要實現(xiàn)“零能耗”目標，必須要堅持以下兩個原則：

第一，降低熱傳遞過程中能量消耗，在建筑工程投資花費中，選擇新型維護結(jié)構(gòu)，其成本占總成本3%～6%，能夠提升約20%～40%的節(jié)能效果。通過對建筑物維護結(jié)構(gòu)熱工性能的改善和優(yōu)化，降低夏季室外熱量向室內(nèi)傳導，減少冬季室內(nèi)溫度的損失，能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑維護結(jié)構(gòu)熱傳遞消耗有效控制。

第二，提高可再生資源利用率，建筑設計過程中可應用自然通風、自然采光、太陽能等各類節(jié)能技術措施，從設計角度出發(fā)，與建設單位發(fā)展要求相結(jié)合，在建筑建設中提高可再生資源利用有效性。通過對可再生資源的綜合性利用，能夠在提高建筑維護結(jié)構(gòu)熱工性能的同時減少建筑不必要能耗。研究發(fā)現(xiàn)，建筑充分利用可再生資源，能夠降低建筑能耗35%～40%。

3 屋面遮陽系統(tǒng)設計

建筑遮陽系統(tǒng)指的是遮擋陽光，避免陽光對外圍護結(jié)構(gòu)的直接照射，最大限度減少太陽熱輻射，取得理想節(jié)能效果。遮陽在控制室內(nèi)溫度方面有非常好的效果，研究表明，在閉窗情況下，有遮陽室內(nèi)溫度與無遮陽室內(nèi)溫度差2 ℃，平均溫度差可控制在1.4 ℃左右，在有遮陽情況下，房間溫度波動范圍不是很大，整個室內(nèi)溫度場相對較為均勻，能夠很大程度上延遲室內(nèi)溫度最高值出現(xiàn)時間。

建筑遮陽系統(tǒng)不僅可以設置在建筑立面，同時還可以應用在建筑屋頂設計中，計算地區(qū)日照角，在屋面結(jié)構(gòu)板設計時設計深挑檐。采取這種建筑構(gòu)造方式不僅能夠優(yōu)化建筑風格，同時還能夠有效降低夏季外墻方面的太陽熱輻射。另外，屋面遮陽系統(tǒng)設計過程中結(jié)合屋頂功能方面需要，在屋頂無綠化區(qū)域設計遮陽屋面平板和鋼花架等，在減少屋面太陽熱輻射的同時為住戶營造一個良好的遮陰效果。

4 “零能耗”建筑屋頂設計關鍵技術

建筑屋頂綠化設計能夠使建筑室內(nèi)和周圍環(huán)境溫度明顯下降，最高下降溫度可達4 ℃。有數(shù)據(jù)研究顯示，建筑環(huán)境溫度每下降1 ℃，建筑內(nèi)部空調(diào)在容量方面要求可減少6%。建筑屋頂種植綠化后可以取得非常好保溫效果，能夠保證室內(nèi)溫度不隨外界環(huán)境溫度變化出現(xiàn)較大幅度波動，可避免外界環(huán)境溫度突變在建筑內(nèi)部舒適性等方面影響。尤其在夏季，相比較普通隔熱屋面，綠化屋頂表面平均溫度可降低6.3 ℃，室內(nèi)溫度可下降2.6 ℃。屋頂綠化后建筑隔熱功能明顯提高，能夠節(jié)約20%空調(diào)所消耗的電能。通過屋頂綠化還能夠使建筑維護構(gòu)造保溫效果有明顯提升和改善。

“零能耗”建筑屋頂綠化設計中需要確保有輕質(zhì)排水、保稅耐風、生態(tài)性等特點，在選擇倒置式綜合節(jié)能屋頂結(jié)構(gòu)的同時可在建筑有臥室屋頂設計綠化種植區(qū)，在面積方面占屋頂50%左右。在建筑構(gòu)造設計方面總結(jié)以往設計經(jīng)驗，一方面選擇新的屋面材料，比如輕質(zhì)薄層架空排水板；另一方面，選擇1：2泥炭土種植，加強建筑防水、屋面排水等方面設計。有數(shù)據(jù)顯示，屋面找坡層厚度控制在100 mm，種植覆土厚度控制在80 mm，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可控制在1.5 W/（m2·K），如果種植覆土厚度超過200 mm，傳熱系數(shù)為1.0 W（/m2·K）。與建筑立面設計和屋頂構(gòu)造設計相結(jié)合，控制種植覆土厚度在300～500 mm，傳熱系數(shù)0.404 W（/m2·K）。不僅可以取得較好保溫隔熱效果，同時還能夠在建筑中利用可再生資源。

5 結(jié)語

社會經(jīng)濟發(fā)展過程中，建筑行業(yè)迅猛發(fā)展，在建筑建設方面要求也更為嚴格。尤其在能源危機不斷加重情況下，對建筑節(jié)能設計有迫切需要。當前我國“零耗能”建筑屋頂設計在實際應用中取得了一定的成果，但是未來發(fā)展過程中還需要注意借鑒和總結(jié)各類先進經(jīng)驗，重視建筑節(jié)能減排方面研究，加大新材料和技術開發(fā)力度，推廣使用高效節(jié)能環(huán)保材料，更好地滿足“零耗能”建筑屋頂設計需要，提高建筑節(jié)能設計有效性，更好地滿足當前社會發(fā)展過程中人們在建筑節(jié)能方面需要。