蓄水屋面的节能研究

蓄水屋面的节能性能研究摘要：随着我国经济持续增长，建筑能耗占整个社会能耗的比重持续增加，建筑节能设计已成为设计师必须重视的环节。

屋面是建筑重要的维护结构，对改善室内热舒适度、降低空调能耗起到重要作用。

蓄水屋面既能与水景观相结合，丰富空间环境，减少空气污染，又能在炎热夏季冷却建筑，降低室内空调能耗，是种简便有效的屋面节能措施。

关键词：蓄水屋面；建筑节能；隔热构造0 引言面对我国建筑业高消耗、高污染现状，开展建筑节能的研究与实践迫在眉睫。

建设部在2005年11月发布并于2006年1月施行的《民用建筑节能管理规定》中明确提出，鼓励民用建筑节能的科学研究和技术开发，推广应用节能型的建筑：鼓励发展新型节能墙体和屋面的保温隔热技术与材料。

建设部于2006年联合国家环保总局等单位共同编制并颁布实施的《绿色建筑评价标准》，为今后开展绿色建筑评估工作指明了方向，并提供了科学依据。

屋面能耗在围护结构总能耗中所占比重较大，通常情况下，屋面的传热系数大于外墙的传热系数，因此，屋面保温隔热性能的优劣对建筑节能效果的影响很大，屋面节能是建筑节能的重要环节[4]。

1 我国建筑能耗现状与建筑节能研究意义1.1我国建筑能耗现状随着我国经济持续快速稳定增长，建设事业发展迅速。

到2010年，城镇人均建筑面积将达到26平方米，农村人均建筑面积将达到30平方米。

同时随着人民生活水平的逐步提高，对住宅的舒适度要求也越来越高，将增加采暖和空调设施，建筑能耗必将人幅度增加，建筑能耗占总能耗的比重也会越来越大[1]。

目前建筑耗能占整个社会能耗的比重每年增加一个百分点，已从1995年的11%提高到2008年的30%左右。

2030年以后，我国建筑占整个社会能耗的比重大约达到50%，占全部的耕地覆盖的48%，占全部温室气体排放的50%，占总污染排放的48%以上，占整个水资源消耗的42%[2]。

如此巨大的能源浪费与污染已经成为国家沉重的负担和包袱。

1.2 建筑节能研究意义实施建筑节能，既能产生强大的能源环境效益，也能产生巨大的经济效益和社会效益。

据清华大学建筑节能研究中心研究，预测到2020年，我国建筑总面积将增加100亿平方米，按常规将增加能耗7.8亿吨标煤，如果严格执行节能标准将每年节能3.8亿吨标煤，同时可减少一氧化碳排放9.95亿吨[3]。

因此，建筑节能设计已成为设计师必须重视的环节。

2 蓄水屋面的研究意义3 蓄水屋面的节能性能分析我国的夏热冬暖地区，太阳辐射强烈，夏季炎热漫长。

对于屋面，由于日照时间长，从屋顶传入室内的热量要比墙体传入室内的热量多得多。

若屋面不具备良好的隔热性，有效阻止热量传入室内，炽热的屋顶将给人以强烈的烘烤感，为维持室内环境的热舒适性，常需要开启空调制冷，这就引起建筑能耗的增加。

加之，现代建筑的屋而常采用热惯性小的轻质保温材料，建筑中普遍存在过热现象。

因此应当采取适当的技术措施解决屋面的隔热问题[4]。

采用蓄水屋顶进行防热节能。

即利用水的比热大（4.186kJ·（kg·℃）-1），蒸发1kg水可带走2428kJ热量的特点，在屋顶蓄积一定厚度的水层作为隔热材料，实验结果表明:这种隔热屋顶的节能效果好，可有效降低室内温度，延迟并衰减高峰热负荷，是一种有效的节能隔热措施。

其所需水源应以天然雨水为主，这样既可以利用屋顶蓄积雨水，又能起到防热节能之功效，一举两得，是一种值得推广的节能节水的好方法[6]。

3.1良好的隔热性能由于水的比热较大，有实验表明，1L的水温度每升高1℃时，需4200J的热量，因此，炎热夏季，屋顶蓄水可大量减少太阳对屋顶的辐射热，同时水蒸发时消耗大量的汽化热，对于开敞式蓄水屋面，水的蒸发量较大，由于水的蒸发要带走大量的热，因此，屋顶表面的水层起到了隔热作用。

在干热地区采用蓄水屋面，其隔热效果十分显著。

有关测试表明，深蓄水屋面顶层房屋夏日温度比普通屋面温度下降2～5℃[4]。

3.2防止刚性防水层干缩普通屋面的混凝土表面干缩变形受到混凝土内部的约束，产生拉应力后容易形成不闭合裂缝。

大量实验表明，在空气中硬化5年的混凝土的收缩值为0.2～0.4mm/m，并且收缩值随时间延长而增长。

而当周围环境湿度较大时，混凝土的收缩值减小，长期在水下的混凝土不仅不收缩，反而微膨。

图书馆裙房屋面采用蓄水屋面，考虑了建筑朝向和周围环境的特殊情况，利用了混凝土在水中的收缩减小或微膨的性能，有效防止了屋面渗漏[4]。

3.3刚性防水层变形小有实验表明，炎热夏季水深1m左右的水下防水层表面温度，比普通屋面的防水层表面温度降低15℃左右。

由于屋面外表面温度较低，内外表面温差小，昼夜内外表面温度波幅小，这样，混凝土防水层及钢筋混凝土基层产生的温度应力也较小，由于温度应力而产生的变形也相应减小，从而避免了由于温度应力而产生的防水层和屋面基层开裂，能延缓屋面防水层老化，对屋面防水和屋盖结构层起到保护作用，延长维修周期，减少维修费用[4]。

3.4密封材料使用寿命长因大面积刚性防水蓄水屋面的分仓缝中填嵌的密封材料，在大气中会受到空气对它的氧化作用，使密封材料易于老化，降低耐久性。

而水下的密封材料，由于与空气隔绝，推迟老化过程，因而可延长使用寿命[4]。

4 蓄水屋面的节水、防热性能分析4.1 蓄水屋面的节水性能分析根据所蓄积水层的厚度，蓄水屋顶一般可分为深蓄水屋顶和浅蓄水屋顶两种，其中深蓄水屋顶蓄水层厚度一般在600～700mm左右，浅蓄水屋顶蓄水层厚度一般在150～ 200mm左右。

从室内给水的角度考虑，蓄水屋顶相当于一个大的蓄水水箱，如果能利用其蓄积的雨水进行冲洗厕所，则可节约大量的自来水，这对于我们缓解日益紧张的水资源短缺状况无疑有着十分重要的作用。

同时利用屋顶收集雨水还具有造价相对低廉、节省建筑面积、实施操作方便和利用成本较低等优点。

以深蓄水屋顶为例进行计算，每平方米屋顶面积可蓄积约0.65m3的雨水，设一栋六层三单元居住建筑，其屋顶可利用作为蓄积雨水的面积为400m2，则该屋顶可蓄积约260m3的雨水;如果每户居民利用所蓄积的雨水进行冲厕使用，以节水型便器冲洗一次所用水量为6L计算，每个住户平均每天冲厕次数以15次计，则一个住户一天的冲厕用水量为90L。

若按该住宅每层每单元两户计算，整栋楼所有住户每天的冲厕用水量约为90×12 ×3=3240L。

因此从理论上讲，屋顶蓄积的雨水可满足本楼所有用户冲厕使用的时问为t=260/3.24=80.3天。

同时在华南地区夏季雨量充沛，降雨频次高，雨水具有不断蓄积的天然优势，即屋顶蓄积的雨水可完全满足至少夏秋两炎热季节的住户冲厕要求。

也就是说，该楼住户利用屋顶蓄积雨水进行冲厕，每年至少可节约城市自来水约为：3240( L/天)×180(天)=583.2m3。

如果一个城市有50%的屋顶采用这种方式进行蓄积雨水并供用户冲厕，则其节水量将十分可观。

同时利用屋顶雨水进行冲厕的实施也较容易，只需将原有的冲厕系统稍加改装，并与屋顶蓄水池连接即可实现，因此应大力加以推广[6]。

4.2 放热节能效益分析利用屋顶蓄积雨水进行隔热节能，主要是利用水的比热大（约为4.186kJ·（kg·℃）-1），同时水在蒸发时1kg水可带走约2428kJ的热量的特点进行防热降温的[6]。

试验研究表明[7]:同样气候条件下，在屋顶蓄积厚度约100mm 的水层与不蓄积水层的屋顶比较，其蓄水屋顶的外表面比不蓄水屋顶的外表面温度要低约15℃，内表面要低约8℃;这就是说蓄水屋顶要比不蓄水屋顶在保持同样的室内温度的条件下，可减少进入室内的最大传热量的比例约为2/3左右，即可节约室内空调等降温设备的最大负荷约为2/3，蓄水屋顶平均传入室内的热量是不蓄水屋顶的1/35，这种节能效果是十分可观的;同时，蓄水层还可将高峰负荷有效地进行衰减和延迟，对用电量的调峰有着积极的作用。

为防止水质恶化，可在水中栽植少量浅水植物或养殖少量浅水鱼。

同时屋顶蓄积雨水还可防止放水层因高温而发生的涨缩破坏作用及由于温度应力而引起的屋顶裂缝。

5 蓄水屋面设计要点5.1蓄水层深度及屋面坡度要求屋面全年蓄水，水源应以天然雨水为主，补充少量自来水。

从理论上讲，50mm深的水层即可满足降温与保护防水层的要求，但实际比较适宜的水层深度为150～200mm。

水层太浅易蒸发，需经常补充白来水，造成管理麻烦。

为避免水层成为蚊蝇孽生地，需在水中饲养浅水鱼及种植浅水水生植物，这就要求水层应有一定深度。

但水层过深，将会过多地增加结构荷载。

因此，综合上述因素，一般选用200mm左右的深度为宜[5]。

为了保证屋面蓄水深度的均匀，蓄水屋面的坡度不宜大于0.5%[5]。

5.2防水层的做法蓄水屋面除了增加结构的荷载外，如果防水处理不当还可能漏水、渗水。

采用刚性防水层时应按规定做好分格缝，防水层做好后应及时养护，蓄水后不得断水。

采用卷材防水层时，应注意避免在潮湿条件下施工。

例如，可设置一个细石混凝土防水层，但同时也可在细石混凝土中掺入占水泥质量0.05%的三乙醇胺或1%的氧化铁，使其成为防水混凝土，以提高混凝土的抗渗能力，防止屋面渗漏[5]。

蓄水屋面一般不设排水坡度，若为了清扫屋面方便，也可在浇注防水层时，使其略有微坡[5]。

5.3蓄水屋面细部构造为避免大风时引起波浪和便于分区段检修及清扫屋面，可根据蓄水屋面面积划分若干个蓄水区段，每个区段长不宜超过10m，且用混凝土分仓壁隔开。

为使每个蓄水区段的水体连通，可在分仓壁的根部设过水孔。

遇到屋面有变形缝时，可根据变形区段设计成互不连通的蓄水池。

每区段蓄水池外壁的根部，应设～2个泄水孔，便于检修或清扫屋面时将水排干。

在蓄水池外壁上，还应根据水层的设计深度，设置直径不大于150mm的溢水孔，以便排除过多的雨水。

当屋面面积较大或降雨较多地区，溢水孔间距宜为3～4m，而且在檐部应设檐沟，使过多雨水先流入檐沟，再排至雨水管。

也可将多余的雨水通过溢水孔直接排入雨水管，此时溢水孔位置应同雨水口相对应。

蓄水屋面泛水高度应比水面高出250～300mm，即从防水层面算起，为水层深度与100mm之和[5]。

另外，蓄水屋面不仅有排水管，一般还应设给水管，以保证水源的稳定。

所有的给排水管、溢水管、泄水管均应在做防水层之前安装好，并用油膏等防水材料妥善嵌填接缝[5]。

综上所述，蓄水屋面与普通平屋顶防水屋面不同的就是增加了一壁三孔:所谓一壁是指蓄水池的仓壁，三孔是指溢水孔、泄水孔、过水孔。

一壁三孔概括了蓄水屋面的构造特征[5]。

5.4结构与经济性问题建筑工程是一项内容非常广泛的综合技术，受到很多因素和条件的制约和影响，围护结构热工性能要求仅是诸多因素之一。

以深蓄水屋面来说，水的荷载相当大，势必影响到下部的结构体系，若有防震要求则更为不利(应单独对屋面结构进行设计)。