寒冷地区建筑屋顶坡度对建筑能耗影响的研究

刘建松，杜晓辉

（北京交通大学建筑与艺术学院，北京　100044）

寒冷地区建筑屋顶坡度对建筑能耗影响的研究

刘建松，杜晓辉

（北京交通大学建筑与艺术学院，北京100044）

通过对寒冷地区住宅3种不同形式的屋顶在不同坡度范围内的全年模拟计算，对冬季、夏季以及全年的温度和能耗进行对比分析。结果表明，在相同的屋顶材料下，闷顶形式在3种屋顶形式中最为节能；对于坡屋顶形式，坡度在20°～30°时能耗最低，可为住宅屋顶设计提供依据。

屋顶坡度；能耗；模拟计算

0　引言

屋顶作为建筑外围护结构的最上层构件，其对于建筑节能十分重要。屋顶形式根据屋顶坡度的不同主要分为平屋顶和坡屋顶。平屋顶的特点是构造简单，造价低。而坡屋顶的优势在于其保温隔热性能好、排水能力强以及外形美观。2种屋顶形式各具特点，被广泛应用于建筑设计中。

对于寒冷地区的住宅，在建筑设计中应注意冬季保温，兼顾夏季防热。建筑的保温隔热性能主要取决于所使用的材料，但屋顶坡度对室内温度的变化也会产生影响。屋面面积随着坡度的增加而变大，建筑接收的太阳辐射量也会随着屋面面积增大而增多。对于冬季降低采暖负荷来说，应尽量增加太阳辐射量；对于夏季降低制冷负荷来说，应减少太阳辐射面积。两者之间相互矛盾，需要通过能耗分析找到一个平衡点。

1　概况

以河北省邢台市某住宅为研究对象，商住两用3层砖混结构，层高3 m，平面如图1所示，当地冬季采暖方式为集中供暖，供热源为煤炭，夏季制冷采用空调。家庭平均人口5人，冬季室内设计温度18℃，夏季室内设计温度27℃。用Designbuilder建立模型，根据房间使用功能的不同，划分热工区域，如卧室、起居室、餐厅、厨房、卫生间等都独自为一个热工区域，具体模型如图2。围护结构构造参数见表1。

2　屋顶坡度

根据屋顶坡度的分类，一般将坡度小于5%（2.86°）的屋顶称为平屋顶，大于10%（5.80°）的屋顶称为坡屋顶。所以，模拟方案主要根据屋顶坡度的范围进行确定，分别对平屋顶、坡屋顶以及闷顶（改良的坡屋顶）3种屋顶形式（见图3）进行模拟分析。在3种屋顶形式中分别研究各自屋顶坡度对于能耗的影响，通过对不同的屋顶构造形式在采暖季（11月～次年3月）、制冷季（6～9月）及全年的温度和能耗情况进行横向和纵向比较，最终找出适合寒冷地区住宅屋顶坡度的适宜范围。

图1　方案平面布置示意

图2　模型建立

表1　建筑围护结构构造参数

图3　3种屋顶形式

（1）平屋顶。根据对当地平屋顶构造的调研，选取一个常用的平屋顶构造，具体构造形式如表2所示。

（2）坡屋顶。坡屋顶坡度由排水坡度、室内空间利用、屋顶特殊构造以及考虑屋顶太阳能板安装等因素决定，常用的坡度在15°～45°。根据当地屋顶形式的调研，选取了3种常见坡屋顶（见表2）的构造形式进行能耗模拟比较。

（3）闷顶。闷顶可以看作是坡屋顶的一种改良构造，是指坡屋面顶层天花板和坡屋面之间不能进人的空间，常用作空气隔热层或者小型储藏间。它的坡度可以根据坡屋顶的坡度范围进行参考。

表2　各种屋顶构造形式

3　结果分析

3.1平屋顶形式的住宅室内温度能耗分析

采用平屋顶形式，模拟后，采暖季住宅室内平均温度达到19.08℃，制冷季住宅室内平均温度为26.14℃。从能耗角度看，冬季采暖能耗为19 045 kW·h，制冷季能耗为14 601 kW·h，全年能耗为40 732 kW·h。

梅奥诊所的罗纳德·彼得森（Ronald Petersen）是起草HHS计划的顾问委员会主席，他为这项2025年的目标辩护称：“我们想做出一个大胆的声明，而不是‘我们希望能够取得怎样的进步’，这种希望不会激励任何人。”

3.2坡屋顶形式的住宅室内温度能耗分析

（1）采暖季住宅室内温度与全年能耗比较

坡屋顶3种构造形式采暖季能耗模拟结果见表3。从室内平均温度来看，每一种构造在不同坡度下变化不大，温度在18～19℃，波动值在1℃以内。

表3　坡屋顶采暖季的能耗kW·h

从表3可知，3种构造采暖季能耗变化趋势基本相同，总体是能耗随屋顶坡度的增大而提高。传统屋面能耗最高，新型屋面最小，原因是新型屋面传热系数最小，保温性能最好。从每个构造来看，都是在屋顶坡度20°左右时能耗最低，之后随坡度增加能耗逐渐提高，传统屋面能耗随坡度增加变化最快。

（2）制冷季住宅室内温度与全年能耗比较

坡屋顶3种构造形式制冷季能耗模拟结果见表4。从温度变化来看，3种屋面室内温度均在25℃左右，上下波动在1℃以内。

表4　坡屋顶制冷季的能耗kW·h

从表4可知，3种构造形式制冷季能耗的变化趋势基本相同，能耗从15°开始增加，20°～25°有一个缓慢的下降，25°之后随坡度增加而提高；3种构造形式相比，新型屋面整体耗能最小，传统屋面耗能最大，原因是新型屋面隔热性能最好。

（3）全年温度和能耗比较

坡屋顶3种构造形式全年降低能耗随屋顶坡度的变化见表5。从温度来看，全年平均温度在21.5～22.0℃。

由表5可知，3种构造形式全年的能耗变化趋势总体是随屋顶坡度的增大而提高，在20°左右出现最低点，3种构造形式相比，新型屋面的全年能耗最小，归结于其良好的保温隔热效果。

表5　坡屋顶全年的能耗kW·h

3.3闷顶形式的住宅室内温度能耗分析

针对闷顶这种构造形式，对屋顶坡度在20°～40°进行了温度和能耗的模拟。对于温度的变化，在采暖季，温度在17.9～18.2℃，在制冷季，温度变化范围为26.69～26.75℃。能耗变化如图4所示。

图4　闷顶的能耗比较

由图4可看出，制冷季的能耗随坡度变化波动不大，采暖季能耗随坡度增大而升高，全年能耗也是随坡度增加而增大。

3.43种屋顶形式能耗比较

针对3种不同的屋顶形式，我们选取保温隔热性能基本相同且在最佳坡度范围内的形式进行对比（见表6），试图探究哪种屋顶形式更为节能。

表6　3种屋顶形式能耗对比kW·h

从表6可以看出，在采暖季，能耗最低的是闷顶形式，其能耗相对平屋顶和坡屋顶构造分别降低了9.2%和5.9%；在制冷季，闷顶形式也是最节能的形式，其能耗相比平屋顶和坡屋顶也分别降低了1.9%和3.1%。分析原因，在冬季，闷顶构成一个封闭的空气层，可以对建筑起到有效的保温作用；在夏季，闷顶的空气层又可以起到有效的隔热作用。所以，闷顶形式无论在冬季还是夏季，都可以对建筑形成一种保护，从而降低建筑的能耗。

4　结论

通过对3种不同形式的屋顶分别在15°～45°坡度内进行全年的能耗模拟计算，就冬季采暖季、夏季制冷季以及全年的温度和能耗进行横向和纵向的对比分析，得出以下结论：

（1）从节能的角度分析，屋顶的保温隔热性能对能耗的影响要大于屋顶坡度变化对能耗的影响，从节约能耗的角度分析优先考虑屋顶材料的保温隔热性能。

（2）在选定屋顶材料的前提下，对屋顶坡度进行分析。在冬季，屋顶坡度对室内温度变化影响不大，能耗在坡度20°～30°范围内最低；在夏季，室内温度对坡度变化也不敏感，能耗整体随坡度增大而提高，但在15°～25°范围内变化较缓慢；从全年的能耗变化来看，能耗整体上随坡度的增加而提高，在15°～30°范围内增长缓慢。所以，综合冬季、夏季以及全年的温度以及能耗变化来看，在确定屋顶材料的前提下，屋顶坡度在20°～30°范围内最优。

（3）在保温隔热性能基本相同的条件下，平屋顶、坡屋顶以及闷顶的3种形式中，以闷顶形式更为节能。

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The research on the influences of roof slope on building energy consumption of cold areas

LIU Jiansong，DU Xiaohui
（School of Architecture and Design，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

According to simulation of the different roof forms of buildings in cold areas in the different slope range throughout the year，and through the analysis of temperature and energy consumption of the whole year.The results show that the form of mezzanine in the three roof form is the most energy-saving，to the form of pitched roof，in 20 degrees～30 degrees，the energy consumption is the least，thereby providing a basis for the residential roof design.

roof slope，energy consumption，simulation calculation

TU201.5

A

1001-702X（2015）09-0061-03

北京市社会科学基金项目（15WYC069）

2015-03-16；

2015-07-27

刘建松，男，1989年生，山东济南人，硕士研究生。