绿色建筑屋顶结构的节能优化分析

２０１９年第１０期(总第４７卷　第３４４期)　　　　　　　　　　　建筑节能　　　　　　　　　　　　ｄｏｉ:１０.３９６９∕ｊ.ｉｓｓｎ.１６７３￣７２３７.２０１９.１０.０１５

■绿色建筑设计与评价

绿色建筑屋顶结构的节能优化分析

(武汉华中科大建筑规划设计研究院有限公司ꎬ武汉　４３００００)

摘要:　针对不同建筑屋顶结构特征ꎬ采用ＰＫＰＭ软件建立了架空通风屋顶、种植屋顶、蓄水屋顶、铺设保温

材料下的屋顶结构模型ꎬ分析了不同屋顶结构和保温层材料下的建筑节能率ꎮ研究结果表明:高层建筑中ꎬ架空通风屋顶、种植屋顶、蓄水屋顶、铺设保温材料屋顶的建筑节能率均高于５０％ꎬ满足相关规定要求ꎬ其中架空通风屋节能率最高ꎬ蓄水屋顶的节能率次之ꎻ在相同节能材料厚度下ꎬ挤塑聚苯板的节能率最高ꎬ聚氨酯泡沫塑料节能率次之ꎬＴＨ复合保温板的节能率最大ꎻ当保温材料相同时ꎬ２０ｍｍ后ꎬ蓄水屋顶和种植屋顶大幅提高ꎮ

随着保温层厚度的增加ꎬ在厚度小于１０ｍｍ时ꎬ架空通风屋顶节能效果最佳ꎬ当保温层厚度增加到

周范文

关键词:　屋顶结构ꎻ　节能率ꎻ　保温材料

中图分类号:　ＴＵ１１１ꎻＴＵ４　　　文献标志码:　Ａ　　　文章编号:　１６７３￣７２３７(２０１９)１０￣００６７￣０４

ＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＧｒｅｅｎＢｕｉｌｄｉｎｇＲｏｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒｅ

(ＷｕｈａｎＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＢｕｉｌｄｉｎｇＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＤｅｓｉｇｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＷｕｈａｎ４３００００ꎬＣｈｉｎａ)　　Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｒｏｏｆｓꎬＰＫＰＭｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｔｉｌｉｚｅｄａｎｄｒｏｏｆｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ.Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｌａｙｅｒｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｈｉｇｈ￣ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅｏｆｖｅｎｔｉｌａｔｅｄｒｏｏｆꎬｐｌａｎｔｉｎｇｒｏｏｆꎬｗａｔｅｒｓｔｏｒａｇｅｒｏｏｆａｎｄｒｏｏｆｗｉｔｈｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌａｒｅａｌｌｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ５０％ꎬｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓꎬａｍｏｎｇｗｈｉｃｈｔｈｅｈｏｕｓｅｗｉｔｈｖｅｎｔｉｌａｔｅｄｒｏｏｆｈａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅｏｆｗａｔｅｒｓｔｏｒａｇｅｒｏｏｆｉｓｔｈｅｓｅｃｏｎｄꎻＵｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｅｎｅｒｇｙ￣ｓａｖｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅｏｆｅｘｔｒｕｄｅｄｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｂｏａｒｄｗａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔꎬｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｆｏａｍｗａｓｔｈｅｓｅｃｏｎｄꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅｏｆＴＨｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｂｏａｒｄｗａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ.Ｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌꎬｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｅｆｆｅｃｔｄｅｐｅｎｄｓｏｎｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌ－ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｖｅｎｔｉｌａｔｅｄｒｏｏｆｉｓｔｈｅｂｅｓｔｗｈｉｌｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１０ｍｍꎬｔｈａｔｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｓｔｏｒａｇｅｒｏｏｆａｎｄｐｌａｎｔｉｎｇｒｏｏｆｉｎｃｒｅａｓｅｇｒｅａｔｌｙｗｈｉｌｅｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｏ２０ｍｍ.　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅꎻｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ

ｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｄｅｌｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｖｅｎｔｉｌａｔｅｄｒｏｏｆꎬｐｌａｎｔｉｎｇｒｏｏｆꎬｗａｔｅｒｓｔｏｒａｇｅｒｏｏｆ

ＺＨＯＵＦａｎ￣ｗｅｎ

０　引言

了建筑的节能水平[１－３]ꎮ建筑屋顶节能作为节能技术的重要部分ꎬ是在综合考虑地域、安全、便捷、美观和经济条件下灵活运用各种不同的结构类型ꎬ来实现当前ꎬ国内外相关学者和企业已经开展了对绿色建筑屋顶的研究和工程应用[９－１１]ꎮ美国ＧｉｅｂｅｌｅｒＧ在相

收稿日期:２０１８￣１１￣１９ꎻ　修回日期:２０１８￣１２￣１９

关专著中对建筑屋顶构造结构进行了研究ꎬ并给出了种植屋顶类型[１２]ꎻ荷兰Ｓｅｄｉｅｎｓ等人针对从建筑结构通风、采光、能耗和保温隔热等对架空屋顶结构进行了分析ꎬ对不同屋顶结构进行了优化扩展[１３]ꎻ肖坚等人在根据我国南方气候条件变化的基础上ꎬ从建筑技术角度出发ꎬ研究了铺设保温材料屋顶的能耗指标ꎬ并建立了相应的指标评价体系[１４]ꎮ

本文在相关研究的基础上ꎬ采用ＰＫＰＭ软件建立

绿色建筑的发展、建筑节能技术的应用大大提高

绿色建筑环保、美观、安全于一体的技术体系[４－８]ꎮ

了架空通风屋顶、种植屋顶、蓄水屋顶、铺设保温材料

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周范文:绿色建筑屋顶结构的节能优化分析

下的屋顶结构模型ꎬ并以根据«夏热冬冷居住建筑节能设计标准»规定的节能率作为标准分析了不同屋顶结构和保温层材料下的建筑节能率ꎬ为实际工程建筑提供科学的屋顶结构ꎮ

１　建筑屋顶结构分析

节能屋顶作为建筑的主要组成部分ꎬ一方面需满足承重构件的强度、刚度等稳定性需求ꎬ另一方面要具备防水、保温和隔热的要求[１５]顶ꎬ根据不同的屋顶构造将节能屋顶分为铺设保温层ꎮ对于建筑节能屋屋顶、架空通风屋顶、种植屋顶、蓄水屋顶ꎮ１􀆰１　架空通风屋顶结构

架空通风屋顶通过借助屋顶通风来实现室内的自然通风满足降低室温的目的ꎮ一方面ꎬ架空通风屋顶通过热压风压原理将夹层中的热量带走ꎬ降低了屋顶热量对室温的影响ꎻ另一方面ꎬ屋顶夹层能够遮挡阳光ꎬ使屋顶内表面仅接收到太阳的二次传热ꎬ提高了隔热传热效果ꎮ根据架空屋顶的外观形貌和应用材质不同ꎬ可将其划分为架空预制板、架空钢丝网水泥折板、钢筋混凝土半圆拱等结构形式ꎬ如图１所示为架空通风屋顶的典型结构示意图ꎮ其中ꎬ最外层外卧瓦层起到保护作用ꎬ次外层为架空层能够降低热量的传递ꎬ架空层内部包括保温层、防水层、饰面层等ꎮ

图１　典型架空屋顶层结构形式Ｆｉｇ􀆰１Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｍｏｆｖｅｎｔｉｌａｔｅｄｒｏｏｆｌａｙｅｒ

　架空　采用(４０通风ＰＫＰＭ屋顶由软件建立架空通风屋顶的模拟结构上而下的构造做法为:内配筋ꎮ油毡ｍｍ、油毡纸)＋水泥砂浆＋水泥砂浆(２０＋ｍｍ水泥膨胀珍珠岩)＋挤塑聚苯板＋钢筋混＋沥青凝土＋石灰水泥砂浆(均为２０ｍｍ厚)ꎮ对于中高层建筑ꎬ为保证架空通风屋顶传热系数满足«夏热冬冷２０居住ｍｍ建ꎬ筑对于高层建筑要求保温层厚度达到节能设计标准»ꎬ要求保温层厚度达到

１􀆰２　种植屋顶结构

５０ｍｍꎮ种植屋顶即是通过在屋顶种植部分绿色植物来改善热岛效应ꎬ降低顶层温度ꎬ改善空气质量的目的ꎮ根据结构复杂形式将种植屋顶分为花园式种植屋顶和简单式种植屋顶ꎮ简单种植屋顶主要种植草坪、低６８

矮灌木ꎬ成本较低ꎬ花园式种植屋顶主要通过乔灌花草、亭廊榭等的合理搭配来实现种植屋顶的绿化层次ꎬ突出生态效益ꎮ对于在建建筑ꎬ根据建筑允许荷载和防水情况ꎬ可考虑采用花园式屋顶ꎬ提高屋内空气质素ꎮ图２为典型种植屋顶结构示意图ꎬ其中的隔滤层可采用建筑废料ꎬ满足绿色环保要求ꎮ

图２　种植屋顶层结构形式Ｆｉｇ􀆰２Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｍｏｆｐｌａｎｔｉｎｇｒｏｏｆ

植屋顶由上而下的构造做法与架空通风屋顶相似　　采用ＰＫＰＭ软件建立种植屋顶的模拟结构ꎮꎬ主种

要是在内配筋上层加铺了厚２００ｍｍ的轻质黏土ꎬ同时规定内配筋厚度为４０ｍｍꎬ油毡纸厚度４ｍｍꎬ钢筋混凝土厚度为１２０ｍｍꎮ对于中高层建筑ꎬ为保证架空通风屋顶传热系数满足«夏热冬冷居住建筑节能设计标准»ꎬ要求保温层厚度达到１０ｍｍꎬ对于高层建筑要求保温层厚度达到４０ｍｍꎮ１􀆰３　蓄水屋顶结构

蓄水屋顶即在屋顶加铺蓄水层ꎬ在气温高的季节ꎬ通过水体的蓄热和蒸发作用来延迟高峰热负荷ꎬ使室内达到隔热、散热降温的目的ꎬ在温度较低的季

节ꎬ通过水体的蓄热来实现屋内的保温作用ꎮ对于蓄水屋顶ꎬ要求具有良好的防水有效性和耐久性ꎬ同时ꎬ要保证一定的强度和刚度ꎮ通常ꎬ根据蓄水层的厚度分为深蓄水屋顶和浅蓄水屋顶ꎬ深蓄水屋顶深度通常在６００~７００ｍｍꎬ水体可种植水生植物ꎬ具备一定净水能力ꎬ浅蓄水屋顶深度在１５０~２００ｍｍꎬ需要短周期进行换水清理ꎬ图３为蓄水屋顶结构示意图ꎮ

采用ＰＫＰＭ软件建立蓄水屋顶的模拟结构ꎮ蓄水屋顶由上而下的构造做法与架空通风屋顶相似ꎬ主要是在内配筋上层为蓄水池ꎬ其中ꎬ规定内配筋厚度为４０ｍｍ、水泥砂浆２０ｍｍ、油毡纸厚度８ｍｍ、钢筋混凝土厚度为１２０ｍｍꎮ对于中高层建筑ꎬ为保证架空通风屋顶传热系数满足«夏热冬冷居住建筑节能设计标准»ꎬ要求保温层厚度达到１０ｍｍꎬ对于高层建筑要求保温层厚度达到３０ｍｍꎮ

周范文:绿色建筑屋顶结构的节能优化分析

图３　蓄水屋顶层结构形式Ｆｉｇ􀆰３Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｍｏｆｗａｔｅｒｓｔｏｒａｇｅｒｏｏｆ

１􀆰４　铺设保温材料屋顶结构

铺设保温材料屋顶通过在屋顶增加保温材料来提高围护结构屋顶热工性能ꎮ保温材料的选取需要同时考虑材料的防火安全性、隔热特性、经济性ꎮ目前应用较多的保温材料主要有ＴＨ屋面复合防水保温材料、聚苯乙烯挤塑泡沫、聚氨酯泡沫ꎮ根据保温材料屋顶防水层和保温层铺设次序的不同ꎬ可将屋顶分为正置式和倒置式两种ꎬ具体的结构形式与蓄水层类似ꎮ

采用ＰＫＰＭ软件建立铺设保温层屋顶的模拟结构ꎮ铺设保温层材料屋顶结构架空同屋顶一致ꎬ主要是分为挤塑聚苯保温材料、ＴＨ复合板保温材料及喷涂聚氨酯硬泡保温材料ꎮ对于中高层建筑ꎬ要求保温层厚度达到３０ｍｍꎬ对于高层建筑要求保温层厚度达到４０ｍｍꎮ

２　建筑屋顶的能耗分析

２􀆰１　能耗率指标确定

节能率是在一定室内环境下ꎬ设计建造的全年能耗与建筑全年能耗比值ꎮ本文通过ＰＫＰＭ建筑节能设计进行软件模拟计算ꎬ获得单位面积空调耗电量Ｅｃ根据、单位面积采暖耗电量«夏热冬冷居住建筑节能设计标准Ｅｈ及采暖空调耗电量Ｅｈｃ»采用５０％节ꎮ

能率作为标准ꎮ利用参照建筑与设计建筑的耗电量进行节能率计算ꎬ相应的计算公式为:

Ｒ＝１－

式中:Ｒ为建筑节能率ꎬ％ꎻ

２ＥＥ′ｈｃｈｃ

(１)

Ｅｈｃ采暖空调耗电量、Ｅ′ｈｃ分别为设计建筑和参考建筑的单位面积

ꎬｋＷ􀅰ｈ/ｍ２２􀆰２　不同结构形式的节能率分析ꎮ

２􀆰２􀆰１　屋顶结构形式的影响

为保证建筑围护结构、设备参数等满足«夏热冬冷地区巨著建筑节能设计标准»５０％的节能目标ꎬ可通过利用屋顶构造来提高建筑综合节能指标达到５０％标准以上ꎮ如图４所示ꎬ其中ꎬ架空通风屋顶的建筑节

能率最大ꎬ达到了５１􀆰６％ꎬ蓄水屋顶的节能率次之ꎬ达到了５０􀆰１％ꎬ种植屋顶的节能率为５０􀆰８％ꎬ而采用无４８􀆰保温系统的平屋顶节能率未超过５０％ꎬ节能率仅

较大幅度地提高建筑的能源利用率７％ꎮ可以看出ꎬ采用了绿色节能设计的屋顶能够ꎬ实现对节能能源的综合利用ꎮ

图４　不同屋顶结构形式的节能率Ｆｉｇ􀆰４Ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ

２􀆰２􀆰２　不同保温层材料的影响

图５为铺设不同保温材料下的屋顶的节能率曲线ꎮ通常屋顶节能率在一定幅度内将随着保温材料厚度的增加而增加ꎬ当增加到一定幅度后ꎬ节能率增幅并不明显ꎮ对比相同厚度的保温材料节能率可以看出ꎬ在相同厚度下ꎬ挤塑聚苯板的节能率最高ꎬ聚氨酯泡沫塑料节能率次之ꎬ而ＴＨ复合保温板的节能率较前两者存在明显的差距ꎮ

图５　不同保温材料的屋顶节能率

Ｆｉｇ􀆰５Ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅｏｆｒｏｏｆｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ

２􀆰２􀆰３　不同保温层厚度的影响

图６为挤塑板保温材料下不同类型节能屋顶的节能率曲线ꎮ从图中可以看出ꎬ当无保温材料时(即挤塑板材料厚度为０ｍｍ)的屋顶结构节能效果明显ꎮ架空通风屋顶的节能效率最优ꎬ在５０％以上ꎬ随着保温层厚度的增加ꎬ架空通风屋顶的节能效果下降ꎬ而终止屋顶和蓄水屋顶的节能效果增幅明显ꎬ均超过架空通风屋顶的节能效果ꎬ但３种屋顶均比普通屋顶的节能效果强ꎮ当厚度增加到２０ｍｍ后ꎬ架空通风屋顶的节能效果进一步下降ꎬ保持在５２􀆰３％ꎬ而蓄水屋顶和种植屋顶均提高到５３％以上ꎮ

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周范文:绿色建筑屋顶结构的节能优化分析

对比不做保温层的普通屋顶ꎬ可以看出ꎬ当不设保温层时ꎬ普通屋顶的节能效果仅在４８％ꎬ当采用挤塑板保温层后ꎬ普通屋顶节能效果大幅提高ꎬ当保温层由１０ｍｍ提高到２０ｍｍꎬ普通屋顶的节能效果均提高到了５３％以上ꎬ与种植屋顶和蓄水屋顶较为接近ꎮ

参考文献:

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图６　不同保温层厚度下的屋顶节能率

Ｆｉｇ􀆰６Ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｒａｔｅｏｆｒｏｏｆｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓ

(１):２７－２９.

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３　结语

屋顶、铺设保温材料屋顶的建筑节能率均高于５０％ꎬ满足相关规定要求ꎬ其中ꎬ架空通风屋顶节能率ꎬ蓄水屋顶的节能率次之ꎮ无保温系统的平屋顶节能率未超过５０％ꎮ

(２)随着挤塑板保温厚度的增加ꎬ在厚度小于

(１)高层建筑中ꎬ架空通风屋顶、种植屋顶、蓄水

１０ｍｍ时ꎬ架空通风屋顶节能效果最佳ꎬ当保温层厚蓄水屋顶和种植屋顶大幅提高ꎮ

(３)在相同厚度下ꎬ挤塑聚苯板的节能率最高ꎬ聚

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度增加到２０ｍｍ后ꎬ架空通风屋顶的节能效果下降ꎬ

氨酯泡沫塑料节能率次之ꎬ而ＴＨ复合保温板的节能

率最大ꎮ随着保温材料厚度的增加ꎬ不同节能保温材料下的屋顶节能率在一定幅度内将增加ꎬ当增长到一定幅度后ꎬ节能率增幅将不明显ꎮ(上接第６２页)

作者简介:１２６.ｃｏｍ)ꎮ

ｅｎｅｒｇｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｏｔｅｌｂｕｉｌｄｉｎｇｓｉｎｓｉｎｇａｐｏｒｅ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙａｎｄＢｕｉｌｄ￣ｉｎｇｓꎬ２００９ꎬ４１(１２):１３１９－１３２４.

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戎贤(１９６５)ꎬ男ꎬ河北定州人ꎬ毕业于天津大学ꎬ土木工程专

ｖｉｅｔｎａｍｈｏｔｅｌｉｎｄｕｓｔｒｙ￣ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｌｅａｎｅｒＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎬ

周范文(１９７６)ꎬ男ꎬ湖北浠水人ꎬ毕业于华中科技大学ꎬ硕士ꎬ

工程师ꎬ建筑与土木工程专业ꎬ主要从事建筑设计研究(ｌｉｕｑｉｎｇｙｕｎ１９＠

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业ꎬ博士ꎬ博士生导师ꎬ教授ꎬ研究方向为结构工程(１８０１９９６１１３＠ｑｑ.ｃｏｍ)ꎮ通讯作者:

矫立超(１９７８)ꎬ男ꎬ河北蠡县人ꎬ博士研究生ꎬ土木工程专

ＧＹｂａｓｅ大楼简析———奥地利首个绿色生态示范办公建筑[Ｊ].三峡大

业ꎬ研究方向为技术经济及管理(Ｊｉａｏｌｉｃｈａｏ２００６＠１２６.ｃｏｍ)ꎮ

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