严寒地区高效能屋顶技术策略

■张 博，王海鹏，闫沛祺，刘秋兵，张广平 ■吉林建筑大学建筑与规划学院，吉林 长春 130117

1 高效能屋顶的概念

研究课题旨在提高资源利用效率，实现节能减排，积极应对全球气候变化，建设资源节约型、环境友好型社会，改善人们生活质量，为建筑节能提供新的研究方向。因此我们提出的高效能屋顶的技术，希望能够结合多方面的绿色节能技术，来突破传统的“绿色屋顶”的模糊概念，从而根据北方严寒地区特有的建筑形式、建筑构造、气候特性来提出具体的解决方案。

针对北方严寒地区的气候特点，“高效能屋顶”力求从屋顶植被、利用太阳能以及屋顶节能保温构造三方面对目前严寒地区屋顶技术进行改进，结合生态需要对屋顶构造进行创新，使其达到经济、美观、合理三大要求。通过对屋顶植被层的研究讨论其与建筑屋顶结合的可能性，为城市绿化发展寻找新方式;通过对太阳能利用的研究为将来形成一套完整的建筑节能系统打下基础;利用屋顶保温节能技术对现有节能技术和材料进行改进。

2 屋顶防水保温构造与植被结合的技术策略

屋顶绿化是解决地区环境问题很好的方法。当今地球上许多人口稠密、工业集中的地区，存在着非常严重的环境问题。屋顶绿化是解决这些地区环境问题的有效途径。在欧美、日本等发达国家屋顶绿化已经很普遍，我国的屋顶绿化经过多年的研究实践，已在部分南方城市成功开展，取得了一定的景观和生态效果。而在东北等严寒地区，由于受到气候等因素的制约，屋顶绿化的实践不是很广泛。

充分考虑到严寒地区大风天气，采取含有防风措施系统的种植土层，可以很好地稳固植被;土层下方设有排水板，引导多余的水流入中水处理系统，增加雨水利用率;高分子防水层的设置，能够确保屋面严密的防水;保温层采用聚氨酯保温材料，喷涂的施工方式使得保温材料无缝连接，加大防水力度;蒸汽阻拦层，是隔绝水蒸气侵入结构的最后防线，避免结构层受潮。多种处理方式充分考虑到北方严寒地区的气候和构造需求。

种植屋面系统可以分为双层种植土层和单层种植土层两大类，一般做法有以下几种:

图片来源:VEDAG GmbH

(1)含有防风措施系统的双层种植土层，有两层沥青根阻防水材料，适应于灌木植物;

(2)上面一层为较厚的土层，下面一层为轻质土层，下面铺有耐压的保温层，一般种植树木等较重的植物;

(3)单层种植土层，单层防水，主要针对斜屋面和流水长度不超过10m的屋面;

(4)单层种植土层，多层防水，比较适应于种植景天属类植物。

屋顶不再只是单纯地作为防水保温的单一建筑构造部分，而是在充分考虑到地域气候因素之后参与建筑节能以及城市绿化的重要建造手段和城市美化方式。以防水保温构造为基础，在其基础上围绕植物绿化方式和太阳能构件进行改造，将三者有机结合，将屋顶打造成为城市居住建筑的另一道风景线和建筑节能的一大标志，同时也为人们提供了另一种活动休闲场所，其实施的积极意义巨大。

3 季节性互补的自然能源利用与高效能屋顶构造结合的技术策略

自然能源主要包括三大类:太阳能、风能、地热能。其利用方式分为主动式和被动式两种。根据北方严寒地区的气候特点，主要影响高效能屋顶保温节能效率的因素是气温、太阳辐射和风。

北方严寒地区由于其独特的地理位置，冬季长春夏秋季短，冬季从11 月到次年4 月左右，冬季平均气温在零度以下，太阳辐射较弱，不利于植被生长。冬季来自西伯利亚和蒙古等中高纬度内陆的西北风风速大风力强。据统计，我国北方大部分地区(黑龙江、吉林东部、辽东半岛)的有效风能密度在200W/m2以上，全年中风速大于和等于3m/s 的时数为5000h，全年中风速大于和等于6m/s 的时数为3000h。夏季时盛行东风和东南风，风速较小，太阳辐射较强，且雨水较丰富，适合植被生长。根据北方地区的气候特点，结合高效能屋顶和光伏玻璃得到一种复合的节能装置。主要由可开合的光伏玻璃顶板和四周玻璃围合而成。其通过主动式和被动式两种方式达到节能目的(参见图1)。

图1

冬季时风大气温低不利于植被生长，此时可以关闭光伏玻璃顶盖，形成温室，同时防风。既为植物生长提供了光环境和适宜的温度，也为冬季时期人们使用屋顶绿化提供了舒适的环境。提供遮挡的同时，顶面的光伏玻璃可以吸收太阳辐射并将其转化成为电能。夏季时可将光伏玻璃板打开，使植被吸收降水，同时可以打开侧面的玻璃板，形成拔风效应，降低屋面板温度。

北方严寒地区的特殊气候——冬季时间长、日照充足，以及微气候——早晚温差大决定了屋顶的改造应当是多方面的，季节性的节能互补，早晚的节能利用，让不同的节能技术得到高效能地发挥。冬季以太阳能的利用为主，其生成的电能和热能，可融化光伏电池板和屋面上的积雪;融化的积雪可作为中水加以处理利用;解决屋面和排水管道的冻胀问题;同时能够为建筑居住者提供热水和电能。夏季以绿化屋顶的利用为主，屋顶重新结合防水保温构造添加一定的步道系统和景观植物，打造屋顶娱乐休闲空间;可吸收降雨雨水，降低屋面径流，减缓城市排水系统压力，防止城市出现洪涝的现象;调节建筑屋面的微气候，降低屋面温度;吸收二氧化碳，为居住环境输入新鲜氧气。冬季与夏季的节能方式互补，利用自然界的光能、雨水以及植物结合气候特性充分发挥高效能屋顶的价值。

4 结语

高效能屋顶可以缓解温室效应和城市热岛效应，屋顶绿化植物还能吸收有害气体，吸收PM2.5 粉尘颗粒，起到净化空气、减少城市雾霾天气和风沙天气频繁出现的作用，且能够隔音降噪［1］。希望通过有效利用光能和管理水资源，充分提高建筑屋顶的效能，打造更为绿色、更为健康的城市环境。“设计结合自然”，运用高效能屋顶从多方面对自然资源进行利用和管理，解决城市问题，在增加城市绿化面积的同时，为建筑内部的使用者提供更多的资源和能源。北方严寒地区高效能屋顶技术策略旨在有助于进一步实现建筑节能，提高自然资源利用率，优化城市上空风景线。推动屋顶保温节能模式工业化，方便推进实现城市建筑大规模的节能减排。通过对自然阳光，雨水的利用研究，使其转化为可利用的资源，从而进行屋顶效能最大化的利用。

［1］李海霞，曹敏，论夏热冬冷地区屋顶花园的隔热保温节能措施［J］，现代商贸工业，2011(21).