论屋顶的建筑节能的原理和方法
2013-04-10 21:28阅读：
能源问题是当今世界上各国普遍重视的问题，被公认为人类面临的四大生存问题之一。而在能源消耗中，作为人类活动基本场所的建筑，其使用过程中所消耗的能量，称为建筑能耗，包括采暖、空调、通风、热水、炊事、照明、家用电器、电梯、和建筑相关设备等方面能耗，目前这部分能耗在社会总能耗中占有很大比例：对于西方发达国家，建筑能耗占社会总能耗的30%左右；我国的建筑能耗目前已占社会总能耗的46.7%，随着人们的生活质量的改善，居住舒适度的提高，建筑能耗得比例还将不断的上升，并逐步提高到55%左右的趋势。它与工业、农业、交通运输能耗并列，是主要的民生能耗。因此，节约能耗便成为当今社会可持续发展的重要措施。
显而易见，就节约能源而言，建筑能耗无疑是节约能源最有效的途径之一。而我国国土幅员辽阔，南北跨越寒温热几个气候带，我国由于受东亚大陆性季风和冬季西伯利亚及蒙古高原寒流的影响，夏季太阳对亚洲腹地的强烈辐射，形成主要的气候特点是夏季闷热，冬季湿热。呈现出强烈的大陆性气候。屋面位于建筑物的最上部，在夏季和炎热地区要能够阻挡太阳的热量侵入，在冬季和寒冷地区，能够阻止室内热量向外散失，因为屋面传热是造成室内冬冷夏热的主要原因，因此，屋面和外墙一样，要有足够的隔热能力，而且屋面的隔热能力比外墙要求高。屋面隔热主要采用绝热材料进行保温处理，也称屋面保温，和外墙外保温和内保温一样，绝热材料可以放置于屋面板的外侧或内侧，并且也可获得不同的效果。
屋顶是建筑物最上层的覆盖维
护构件，用以抵抗风、雨、雪的侵袭和太阳能辐射的影响，又承受着屋顶的自重、风雪荷载以及施工和检修屋面的各种荷载，同时屋顶的不同形状在很大程度上影响着建筑的造型，因此屋顶的主要功能是承重、维护与美观。
屋顶主要由四部分组成，即屋面层、承重结构、保温或隔热、顶棚。屋面是屋顶的面层，暴露在大气之中，直接受大气腐蚀、人为的冲击与摩擦，因此要求其所用材料应有较好的防水性，具有一定的强度、耐久性。承重结构用以承受屋顶自重以及雨、雪、风等外部荷载，为保证建筑物的坚固耐久性。应选择合理的结构形式。保温或隔热层是为了保证建筑物室内具有良好的环境而设置的构造层，其材料应选用导热系数小、质轻的材料，并且根据不同的情况选择不用的构造做法。顶棚为屋顶的底面部分，可根据屋顶开式以及使用功能采用直接式或吊顶式顶棚。
屋顶的设计要求
（1）
防水要求。
屋顶防水是屋顶构造设计的核心，常采用的做法是用不不透水的材料以及合理得构造做法来达到防水的目的。设计时应综合考虑结构形式、防水材料、屋面坡度、建筑物防水等级等方面的影响因素。
（2）
保温隔热要求。
作为外围护结构，屋顶用具有良好的保温隔热性能，避免出现结露、内部受潮等一系列问题，减少能源消耗，符合国家节能标准规范要求。
（3）
结构要求。
屋顶既是围护结构又是承重结构，应具有足够的强度和刚度，保证屋面的结构安全，并防止因维护结构变形过大而引起防水层开裂漏水。
（4）
建筑美观要求。
屋顶是主体建筑的重要组成部分，屋顶的形式对建筑的特征、风格等有极大的影响，变化多样的屋顶形式、精美细致的屋顶细部，都是中国传统建筑的重要特征。现代建筑如何处理好屋顶与主体的关系，是当前建筑设计不可忽视的问题。
屋面的节能措施
在建筑维护结构中，墙体传热占围护结构传热的25%~30%，门窗占25%，屋面占6%~10%，地面占3%~5%。搞好建筑屋面保温与隔热不仅是建筑节能的需要，也是改善顶层建筑室内热环境的需要。屋顶保温体系按照屋顶中结构层、保温层、防水层所处的地位不同，可归纳为三种体系。
1.防水层直接设置在保温层上面的屋顶
该体系从上到下的构造层次分别是防水层、保温层、结构层。在采暖房屋中，它直接受到室内升温的影响，因此有的国家把这种做法教“热屋顶保温体系”、多数用于平屋顶的保温，保温材料必须是孔隙多、密度小、热导率低的材料，一般有散料、现场浇筑的混合料、板块料三大类。
（1）
散料保温层。
渣、矿渣之类工业废料，如果上面做卷材防水层，就必须在散状的材料上先抹水泥砂浆找平层，再铺卷材，为了有一个过渡层，可用石灰或水泥胶结成轻料混凝土层，其上再抹找平层，铺油毡防水层。
（2）
现浇轻质混凝土保温层。
一般为轻骨料，如炉渣、矿渣、陶粒、珍珠岩和石灰或水泥胶结的轻质混凝土或现浇泡沫混凝土，上面抹水泥砂浆找平层，再铺卷材防水层。以上两种保温层可与找坡层结合处理。
（3）
板块保温层。
常见的有水泥、沥青、水玻璃等胶结的预制膨胀珍珠岩、膨胀蛭石板、加气混凝土块、泡沫塑料等块材或板材。上面做找平层，再铺卷材防水层，屋面排水可用结构搁置坡度，也可用轻质混凝土在保温层的下面先做找平层。
2.防水层与保温层之间设置空气间层的保温屋面
由于室内采暖的热量不能直接影响屋面防水层，故把它称为“冷屋顶保温体系”。这种体系的保温屋顶，无论平屋顶或坡屋顶均可采用。坡屋顶的保温层一般做在顶棚层的上面，有些用散料，较为经济但不方便。近年来多采用松质纤维板或纤维毯成品铺在顶棚的上面。为了使用上部空间，也有把保温层设置在斜屋面的底层，如果内部不通风极易产生内部凝结水，因此需要在屋面板和保温层之间设通风层，并在檐口及屋脊通风口。·
平屋顶的冷屋面保温体系常用垫块架立预制板，再在上面做找平层和防水层。不论平屋顶还是坡屋顶的冷屋顶保温体系，它的空气层应通风流畅，它将具有以下三个方面的作用；一是带走穿过顶棚和保温层的蒸汽以及保温层散发出来的水蒸气；二是防止屋顶深部水的凝结：三是带走太阳辐射热通过屋面防水层传下来的的部分热量。
3.保温层在防水层上面的保温屋面
此种保温屋面其构造层次为保温层、防水层、结构层。由于它与传统的铺设层次相反，故名“到铺保温屋面体系”。其优点是防水层不受太阳辐射和剧烈气候变化的直接影响，全年温差小，不易受外来的损伤。缺点是需选用吸湿性低、耐候性强的保温材料，一般须进行耐日晒、风雪、风力、温度变化和冻融循环的实验。经实践，聚氨酯和聚苯乙烯发泡材料可作为倒铺屋面的保温层，但需做较重覆盖层。下面介绍几种具有节能性能的屋面。
（1）
传统的保温隔垫式屋面。
传统的保温隔热式屋面就是在屋顶的结构层上，先铺设保温隔热层，如加气混凝土、膨胀珍珠岩、矿棉等保温隔热材料，再铺设防水层及保护层构造的屋面，目前被广泛应用于南北地区中。为了保证屋面的防水性能，其结构层可做成现浇的，但由于其中的保温材料大多数为憎水性的材料，这类保温材料如果吸湿后，其导热系数将增，所以在保温层下还要做隔气层，又由于防水暴露于最上层，加速其老化，缩短了防水层的使用寿命，故一般在防水层上还要加作保护层，这样增加了房屋的造价，且屋面的构造也比较复杂。为了提高屋面的保温隔热性能，这种屋面在设计应遵循以下原则。
①
为了提高材料层的热绝缘性，最好选用导热性小、蓄热性大的材料，同时要考虑不宜选用容量过重的材料，防止屋面荷载过大。
②
应根据建筑物的使用要求、屋面的结构形式、环境气候条件、防水处理方法和施工条件等因素，经技术比较后确定。
③
屋面的保温隔热材料的确定，应根据节能建筑的热工要求确定保温隔热层厚度，同时还要注意材料层的排列，排列次序不同也影响屋面热工性能，应根据建筑的功能、地球气候条件进行热工设计。
④
屋面保温隔热材料不宜选用吸水率过大的材料，以防止屋面湿作业时，保温隔热层大量吸水，降低热工性能。如果选用了吸水率较高的绝缘材料，屋面上应设置排气孔以排除暴热隔热材料层内不易排出的水分。
（2）
倒置式屋面。
倒置式屋面又称外保温屋面，就是将传统屋面构造中的保温层与防水层颠倒，把保温层放到防水层上面。倒置式屋面的定义中，特别强调了“憎水性”保温材料。新的研究表明，泡沫塑料保温板具有质轻、高强、隔热、吸声、隔音、防震、电绝缘、耐热、耐寒、耐溶剂等物理性能，且成本低，施工方便，有很好的应用前景。泡沫塑料保温板屋面是以树脂为基料，加入一定剂量发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料，经加热发泡而成的泡沫塑料。在一定负荷作用下，不发生明显变形。其成品主要由聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛、环氧树脂泡沫塑料等，其构造做法是防水层上铺设泡沫塑料保温板。这样屋面的防水和保温工作环境得到改善，造价低，且防水效果明显。这也是该构造在国外广泛采用的主要原因。倒置式屋面主要特点如下
①
可以有效延长防水层的使用年限。“倒置式屋面”将保温层设在防水层之上，大大减弱了防水层受大气、温差及太阳光紫外线照射的影响，使防水层不易老化，因而能长期保持其柔软性、延伸性等性能，有效延长使用年限。据国外有关资料介绍，可延长防水层使用寿命2~4倍。
②
保护防水层免受外界损伤。由于保温材料组成不同厚度的缓冲层，使卷材防水层不易在施工中受外界机械损伤，同时又能衰减各种外界对屋面冲击产生的噪音。
③
如果将保温材料做成放坡，雨水可以自然排走，因此进入屋面体系的水和水蒸气不会在防水层上结冰，也不会长久凝聚在屋面内部，而能通过多孔材料蒸发掉，同时也避免了传统屋面防水层下面水汽凝结、蒸发、造成防水层鼓泡而被破坏的质量通病。
④
施工简化，利于维修。倒置式屋面省去了传统屋面的隔汽层及保温层上的找平层，施工简化，更加经济。即使出现个别地方渗透，只要揭开几块保温板，就可以进行处理，所以易于维修。
（3）传统的架空隔热式屋面。
架空隔热屋面一般在炎热地区采用。架空通风屋面是在屋顶中设置通风的空气间层，利用空气间层的空气流动带走一部分热量，使屋顶变成二次传热，从而降低了传至屋内表面的温度。一般情况下是在屋顶放置一些导热性能较低的支撑物，并在上面盖一层隔热板，这样在屋顶和隔热板之间就形成了一个空气间层。这个空气间层就起到了隔热作用，不但可以通过隔热板使屋顶太阳能辐射降低，还可以通过空气间层的隔热作用使得隔热板到屋顶的传热减少，从而减少室内得热。
通过实验测试表明，架空屋面和实砌屋面相比，虽然两者的热阻相等，但它们的热工性能有很大的不同。在自然通风条件下，在夏季连续空调情况下，架空屋顶内表面温度比实砌屋面平均低2.2℃，而且，架空屋面内表面温度波的最高值比实砌屋面要延后3～4h，显然架空屋顶具有隔热好、散热快的特点。但由于架空隔热的高度有限，因此隔热效果一般。在架空屋面的设计施工中应考虑以下几个问题：
①
架空屋面的架空层设计应根据基层的承载能力，架空板便于施工，构造形式要简单：
②
架空屋面和风道长度不宜超过15m，空气间层以200mm左右为宜：
③
架空屋面基层上面应有保证节能标准的保温隔热基层，一般按冬季达到节能要求为宜：
④
架空隔热板与山墙间应留出250mm的距离：
⑤
支座的布置应整齐，多条形支座应沿着纵向平直排列，点式支座应沿纵横向排列整齐，保证通风顺畅无阻：
⑥
架空隔热层施工过程中，要做好已完成防水层的保护工作。
(4)浅色坡屋面。
目前，大多数住宅仍采用平屋顶，在太阳辐射最强的中午时间，太阳光线对于坡屋顶是倾斜的，而对于平屋顶是正射的，深暗色的平屋面仅反射不到30%的日照，而非金属浅暗色的坡屋面至少反射65%的日照，反射率高的屋面可以节约20%~30%的能源消耗。因此，平屋面隔热效果不如坡屋面，而且平屋面防水比较困难，且耗能较多。若将平屋面改为坡屋面，并内置保温隔热材料，不仅可提高屋面的热工性能，还有可能提供新的使用空间，也利于防水，并有检修维护费用低、耐久之优点。特别是随着建筑材料技术的发展，用于坡屋面的瓦材料形式多，色彩选择广，对改变建筑千篇一律的平屋面建筑风格、丰富建筑艺术造型、点缀建筑空间有很好的装饰作用。在中小型建筑如居住。别墅及城市大量平屋面改坡屋面中被广泛应用。
(5)绿化式屋面。
随着我国城市化进程的高速发展和建筑面积的急剧增加，建筑能耗将更加巨大，“城市热岛”现象将更为严重。城市建筑实行屋面绿化，可以大幅度降低建筑能耗、减少温室气体的排放，同时可增加城市绿地面积、美化城市、改善城市气候环境。利用屋顶植草栽花，甚至种植灌木或蔬菜，使屋顶形成植被，成为屋顶花园，起到了良好的保温隔热作用。
种植屋面不仅是一种极佳的隔热保温措施，它不仅绿化了环境，还能吸收遮挡太阳辐射进入室内，同时还吸收太阳热量用于植物的光合作用、蒸腾作用和呼吸作用，改善了建筑热环境和空气质量，辐射热量能转化成植物的生物能和空气的有益成分，体现了太阳辐射资源性的转化。通常种植屋面钢筋混凝土屋面板温度控制在月平均温度左右，具有良好的夏季隔热、冬季保温特性和良好的热稳定性。
植被屋顶分覆土种植和无土种植；覆土种植是在钢筋混凝土屋顶覆盖100~150mm厚的种植土壤，种植植被隔热性能比架空其通风间层的屋顶还好，内表面温度大大降低；无土种植，具有自重轻、屋面温差小，有利于防水防渗的特点，它是采用水渣，蛭石或者是木屑代替土壤，重量减轻而隔热性能反而有所提高，且对屋面构造没有特殊要求，只是在檐口和走道板处须防止蛭石或木屑在雨水外溢时被冲走。
在进行种植屋面设计时应注意以下几个主要问题。
①
种植屋面一般由结构层、找平层、防水层、蓄水层、滤水层、种植层等构造层组成。
②
种植屋面应采用整体浇筑或预制装配的钢筋混凝土屋面板作结构层，其质量应符合国家现行各相关规范的要求、构造层的外加荷载设计值，应根据其上部具体构造层及荷载计算确定。
③
防水层应采用设置涂膜防水层和配筋细石混凝土刚性防水层两道防线的复合防水设防的做法，以确保其防水质量。
④
在构造层上做找平层，找平层宜采用1︰3（质量比）水泥砂浆，其厚度根据屋面基层种类规定为15~30mm，找平层应坚实平整，宜留设分格缝，缝宽为20mm并嵌填密封材料，分割缝最大间距为6m。
⑤
栽培植物宜选择长日照的浅根植物，如各种花卉、草等，一般不种植根深对的植物。
⑥
种植屋面坡度不宜大于3%，以免种植介质流失。
⑦
四周挡墙下对的泄水孔不得堵塞，应保证排水。
(6)
冷屋面。根据与“冷”屋面有关的法规，可将冷屋面定义为反射率大于0.65和辐射系数大于0.75的屋面。冷屋面产品看起来和传统的产品没什么两样，但可反射更多的太阳光。金属屋面冷屋面涂料已经市场化。此外，美国屋面瓦涂料公司已开发出用于旧瓦翻新的冷涂料，冷涂料可以替代以褪色的旧瓦。更多的冷屋面油毡瓦和瓦产品正在研发中。太阳反射率是材料表面反射入射太阳光的能力，材料的反射率越高，屋面就越“冷”。ELK屋面公司利用3M公司开发的深色粒料推出第一个商品冷屋面油毡瓦，蓝灰色，反射率高达25%，而传统的油毡瓦屋面仅为4%
~18%，浅色的平冷屋面具有70%的反射率。用“冷”颜料制造的屋面材料费用大体与传统的材料相当或稍高，然而节能的效果可以抵消较高的材料费用，也是一种非常有前景的屋面节能技术。
以上提及的几种屋面节能方法，是当前实现建筑节能目标的有效方法及未来建筑节能发展方向。与发达国家相比，我国建筑节能还有很大差距，随着建筑节能技术的发展，我国的建筑节能目标将会进一步提高。随着国家有关节约能源、环境保护的法规和政策贯彻力度的加强，以及国家居住建筑设计标准的强制执行，屋面建筑节能技术必将呈现多样性、经济型、高效性的良好局面。
