農(nóng)村自建房雙層通風(fēng)屋頂?shù)墓?jié)能效果探究

王虎星，周智勇，茍雪琴

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650000；2.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，云南 昆明 650000)

0 引 言

我國(guó)建筑能耗占全國(guó)總能耗[1]的11%以上，并且這一比例仍在持續(xù)增大，因此建筑節(jié)能是我國(guó)重點(diǎn)關(guān)注方向。安康市全年四季分明，該地區(qū)有豐富的太陽(yáng)輻射（每年平均輻射量4100～4400 MJ/m2），其冬夏兩季采暖及制冷負(fù)荷需求較大。在其農(nóng)村地區(qū)，由于自建房施工工藝參差不齊，施工工藝多數(shù)無(wú)法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行建造，因此其屋頂保溫及隔熱效果不佳、也容易出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。這種現(xiàn)象不僅影響居民的居住，而且降低了整個(gè)建筑的使用功能，使整個(gè)建筑的使用能耗增加，縮短了使用壽命[2]，因此農(nóng)村自建房屋頂構(gòu)造也是重要關(guān)注點(diǎn)之一。為解決這一問(wèn)題，目前農(nóng)村自建房屋采用的方法是改善屋頂結(jié)構(gòu)，主要是將平屋頂改為坡屋頂[3]。不足之處是在于檢修困難、造價(jià)較高、如未做成悶頂結(jié)構(gòu)就不能作其他用途。對(duì)于農(nóng)村自建房，在屋頂晾曬糧食、太陽(yáng)能熱水器安裝、雜物堆放等也是其重要的用途，相比較傳統(tǒng)坡屋頂而言雙層通風(fēng)屋頂，在增強(qiáng)隔熱、防水性能同時(shí)，又可兼顧屋頂空間利用率。

1 雙層通風(fēng)屋頂結(jié)構(gòu)

1.1 下層保溫雙層通風(fēng)屋頂

為了更好探究農(nóng)村自建房雙層通風(fēng)屋頂應(yīng)用的節(jié)能效果[4]，以夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村自建房為研究對(duì)象，從全年采暖及制冷能耗的角度出發(fā)，首先通過(guò)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式確定最佳通風(fēng)層高度，再運(yùn)用ecotect 能耗分析軟件，基于安康市的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)采用雙層通風(fēng)屋面以及傳統(tǒng)平、坡屋頂情況下自建房逐月的空調(diào)能耗及三種屋頂結(jié)構(gòu)節(jié)能率進(jìn)行分析，為農(nóng)村自建房屋頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。意大利的M. Ciampi 和F. Leccese 建立了雙層屋頂模型[5]，并在夏季的真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試，也證明了雙層通風(fēng)屋頂中的氣流可以有效帶走熱量，比相同結(jié)構(gòu)的不通風(fēng)屋頂節(jié)能30%。雙層通風(fēng)屋頂結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 雙層通風(fēng)屋頂最佳空腔間距

在夏季，雙層通風(fēng)屋頂通風(fēng)窗開(kāi)啟時(shí)，室外太陽(yáng)輻射熱量Qout一部分熱量Qls由反射和對(duì)流傳遞至外界[6]，流動(dòng)的空氣與上下壁之間發(fā)生對(duì)流傳熱，氣體從通風(fēng)窗出口處流出，帶走部分熱量Qv，減少屋頂?shù)臒嶝?fù)荷，提高屋頂隔熱性能。進(jìn)入冬季，可關(guān)閉雙層通風(fēng)屋頂?shù)耐L(fēng)窗，使夾層區(qū)形成溫室。白天太陽(yáng)照射使空氣夾層內(nèi)空氣溫度Tgap升高，使下層屋頂上表面溫度Tpe升高，從而降低下層屋頂兩面的溫差，有效阻止室內(nèi)熱量向外擴(kuò)散，增加屋頂?shù)谋匦阅?。其傳熱示意圖見(jiàn)圖2。

通風(fēng)屋頂傳熱方程如式(1)所示，通風(fēng)夾層中空氣流動(dòng)帶走的熱量Qv，其值越大代表雙層屋面的隔熱效果越好。在穩(wěn)態(tài)條件下，Qv可表示為式(2)。

式(1)中Qout為太陽(yáng)輻射熱量；Qls為反射及對(duì)流至外界的熱量；Qin為傳遞至室內(nèi)的熱量。式(2)中b、d分別為通風(fēng)口的寬度和高度；c為比熱容；v1、v2分別為入口空氣平均流入和出口空氣平均流速；ρ1、ρ2分別為出入口空氣密度；T1、T2分別為通風(fēng)層空氣的入口及出口的平均溫度。由式(1)和式(2)可以看出：夾層高度，出入口氣體平均溫度、平均流速對(duì)夾層內(nèi)空氣流動(dòng)帶走的熱量大小有重要影響。實(shí)驗(yàn)證明[7,8]通風(fēng)屋頂結(jié)構(gòu)存在最佳間距。當(dāng)通風(fēng)間距超過(guò)最佳間距時(shí)，屋頂?shù)纳嵝Чo(wú)明顯提高。浙江大學(xué)的趙黎[4]從強(qiáng)迫對(duì)流角度對(duì)雙層通風(fēng)屋面的隔熱性能進(jìn)行了分析計(jì)算，推導(dǎo)出雙層通風(fēng)屋面空氣層最大熱阻與空氣層高度的關(guān)系計(jì)算公式[4]，由式(3)所示，對(duì)工程計(jì)算具有參考價(jià)值。

由(3)式可知，通風(fēng)屋頂空氣夾層與夾層間空氣流動(dòng)的雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)有關(guān)。多數(shù)氣體Pr＜1,空氣的γ＝1.4 (γ為比熱比)[9]，Pr取值0.75，L為屋面長(zhǎng)度取值10m。代入式中可得出雷諾數(shù)Re與D的關(guān)系曲線如圖3。從關(guān)系曲線圖可看出夾層高度在0.3m 處，隨雷諾數(shù)增大最佳間距變化趨于平緩，綜合考慮房屋建造成本及空間使用率夾層厚度取0.3m。

圖3 雷諾數(shù)Re 與空氣夾層間距D 的關(guān)系曲線

2 能耗分析模型與參數(shù)設(shè)置

2.1 ECOTEC 能耗分析模型建立

該自建房總建筑面積160m2，設(shè)置有4 個(gè)房間、1 個(gè)客廳、2 個(gè)衛(wèi)生間，外墻厚度270mm，內(nèi)墻厚度155mm。利用ECOTEC 分別建立雙層通風(fēng)屋頂(夾層厚度30cm)、平屋頂、傳統(tǒng)坡屋頂(坡度25°)三個(gè)模型[10]，各模型層高均為2.9 m，如圖4-6 所示。

圖5 瓦面坡屋頂模型

圖6 傳統(tǒng)平屋頂模型

2.2 能耗模擬參數(shù)設(shè)置

ECOTEC 在進(jìn)行能耗分析時(shí)，需要考慮室內(nèi)設(shè)備、人員數(shù)量、服裝熱阻、活動(dòng)強(qiáng)度、室內(nèi)換氣次數(shù)、風(fēng)速、作息時(shí)間等。為了更準(zhǔn)確地對(duì)三類(lèi)不同屋頂結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行對(duì)比分析，三個(gè)模型除屋頂外的區(qū)域參數(shù)均采用相同設(shè)置。自建房?jī)?nèi)總?cè)藬?shù)6 人、照度300Lux、換氣次數(shù)：1.5 次/h、濕度60%、室內(nèi)溫度保持16～26℃，屋面區(qū)域均設(shè)置為自然通風(fēng)，臥室空調(diào)系統(tǒng)使用時(shí)間設(shè)置為21:00—8:00，客廳空調(diào)使用時(shí)間設(shè)置為8:00—21:00，其中氣象數(shù)據(jù)使用中國(guó)氣象臺(tái)所監(jiān)測(cè)的陜西安康市氣象數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)。三個(gè)模型門(mén)窗均采用相同材料，為實(shí)心木門(mén)、鋁合金雙層low-e玻璃窗，模型外墻、內(nèi)墻、屋頂熱工參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型熱工參數(shù)表

3 ECOTECT 模擬結(jié)果分析

3.1 不同屋頂結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)定好的區(qū)域參數(shù)，對(duì)三種不同構(gòu)造的屋頂形式模擬結(jié)果如圖7-9 所示。三種屋頂構(gòu)造形式下，建筑全年熱負(fù)荷都大于全年冷負(fù)荷，可以看出雙層通風(fēng)屋頂逐月負(fù)荷均少于傳統(tǒng)平屋頂及坡屋頂。冷負(fù)荷主要集中在5—9 月，雙層通風(fēng)屋頂相比較其他兩種屋頂構(gòu)造在8 月冷負(fù)荷差值最大分別為101.35 kW·h、120.91 kW·h，冷負(fù)荷集中在1—4 月、10—12 月，其中1 月熱負(fù)荷差值最大分別為147.95 kW·h、302.81 kW·h，7 月及1 月份正處于夏季、冬季極端氣候時(shí)間段，由此可以看出雙層通風(fēng)屋頂在極端氣候月份其節(jié)能效果更明顯。通過(guò)圖9 三種屋頂結(jié)構(gòu)總負(fù)荷模擬結(jié)果可知，雙層通風(fēng)屋頂保溫及隔熱性能優(yōu)勢(shì)顯著，較傳統(tǒng)平屋、瓦面坡屋頂全年總負(fù)荷分別減少837.80 kW·h、1454.81 kW·h。

圖7 三種屋頂逐月熱負(fù)荷對(duì)比

圖8 三種屋頂逐月冷負(fù)荷對(duì)比

圖9 三種屋頂結(jié)構(gòu)總空調(diào)負(fù)荷對(duì)比

3.2 不同屋頂結(jié)構(gòu)節(jié)能率分析

3.2.1 節(jié)能率指標(biāo)確定

建筑的節(jié)能率是指：設(shè)計(jì)建筑全年能耗與基準(zhǔn)住宅全年空調(diào)采暖能耗比值。根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134.2010)，夏熱冬暖地區(qū)其基準(zhǔn)建筑負(fù)荷計(jì)算參數(shù)：冬天16℃、夏天26 ℃；外墻：傳熱系數(shù)K=2.47 W/(m2·K)；屋面：傳熱系數(shù)K=1.8 W/(m·K)；外窗：傳熱系數(shù)K=6.4 W/(m2·K)，遮陽(yáng)系數(shù)SC=0.9；換氣次數(shù)：1.5 次/h。以上條件下，通過(guò)ecotect 軟件模擬計(jì)算，獲得E、Ejz[11]。節(jié)能率是參照建筑和設(shè)計(jì)建筑的采暖及供冷耗電量來(lái)計(jì)算的，相應(yīng)的計(jì)算公式[12]為：

式中：R為建筑節(jié)能率，%;

E、Ejz分別為設(shè)計(jì)建筑和基準(zhǔn)住宅單位面積全年采暖及供冷耗電量[13]，kW·h /m2。

3.2.2 相對(duì)節(jié)能率分析

通過(guò)計(jì)算得到，平屋頂、坡屋頂、雙層通風(fēng)屋頂三種屋頂結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能率分別為：63.17%、64.97%、67.42%。圖10 為三種屋頂結(jié)構(gòu)形式的相對(duì)節(jié)能率。從圖中可以看出，雙層通風(fēng)屋頂對(duì)比傳統(tǒng)平屋頂其相對(duì)節(jié)能率最高為4.24%，而雙層通風(fēng)屋頂及坡屋頂均比普通屋頂節(jié)能效果更強(qiáng)，雙層通風(fēng)屋頂對(duì)比坡屋頂其節(jié)能率也提高2.45%。由此可以看出雙層通風(fēng)屋頂在夏熱冬冷地區(qū)有較好的節(jié)能效果[14,15]。

圖10 三種屋頂結(jié)構(gòu)相對(duì)節(jié)能率圖

4 結(jié)論

1)基于本模型的安康市農(nóng)村地區(qū)自建房，在不考慮其他因素影響的情況下，屋頂結(jié)構(gòu)的變化對(duì)建筑空調(diào)的能耗有很大的影響，因此有必要考慮對(duì)屋頂進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

2)通過(guò)模擬數(shù)據(jù)計(jì)算和對(duì)比分析，雙層平屋頂分別較普通平屋頂及傳統(tǒng)坡屋頂全年總冷負(fù)荷分別減少245.96 kW·h、293.40 kW·h；全年總熱負(fù)荷分別減少591.83 kW·h、1162.11 kW·h。雙層通風(fēng)屋頂，在我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)相比較傳統(tǒng)平、坡屋頂形式有更良好的保溫及隔熱性能。

3)應(yīng)用雙層通風(fēng)屋頂自建房的建筑節(jié)能率相比較使用傳統(tǒng)平、坡屋頂分別提高4.25%、2.45%。其建筑節(jié)能率可達(dá)到67.42%，符合我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能要求，因此在屋頂節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮雙層通風(fēng)屋頂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。