蓄水与盖板开孔对屋面蓄水砖隔热效果的影响

卿玉涛 王 令 韩如冰



蓄水与盖板开孔对屋面蓄水砖隔热效果的影响

卿玉涛 王 令 韩如冰

（西南科技大学土建学院 绵阳 621010）

屋面隔热效果直接影响室内冷负荷大小，也是导致顶层房间制冷量增大的直接原因。选取无水的蓄水砖屋面与蓄水的蓄水砖屋面、不同盖板盖（开孔与不开孔）蓄水砖屋面两种工况的屋面进行测试，根据测试结果分析蓄水砖屋面的隔热效果，并探讨蓄水砖屋面一天24h的温度分布。研究结果表明：屋面蓄水利于隔热，蓄水的蓄水砖屋面隔热效果优于无水的蓄水砖屋面；不开孔盖板的蓄水砖比开孔盖板的蓄水砖隔热效果更优。既有建筑屋面节能改造可以铺设屋面蓄水砖改善屋面的隔热性能。

蓄水屋面；隔热；蒸发冷却；节能改造

0 前言

众所周知，由于屋面受到的太阳直接辐射最强且作用时间最长，屋面得热量在顶层房间总得热量中占有较大的比例[1]（一般在40%左右），因此强化和改善屋顶的保温隔热能力有利于改善顶层房间的室内热环境，节约空调能耗。屋面保温隔热改造是建筑节能改造中非常重要的一部分。据测算[2]，夏季室内温度每降低1℃，空调运行能耗减少10%，而人体的舒适性会大大提高。因此，做好屋面的隔热，对于提高顶层房间室内热舒适性，减少空调制冷能耗有着不可或缺的作用。减少通过屋面的传热量能够减少室内空调运行费用。

本文介绍一种雨水蓄水屋面砖，解决屋面夏季隔热、冬季保温性能。同时，由于城市水体蒸发可以缓解城市的热岛效应和干岛效应，因此，蓄水屋面也是近年来国内外研究的热点。既有建筑不同于新建建筑，可以通过改变建筑结构和屋面结构实施屋面蓄水，既有建筑屋面无法改变结构形式，承重不能随意增加，因此，蓄水砖材料采用轻质陶粒混凝土。陶粒混凝土与普通混凝土（石子+河沙+水泥）相比，质量轻，导热系数小，自身具有保温隔热效果。本文主要针对夏季陶粒蓄水屋面砖的隔热效果进行实测研究，研究结论为既有建筑屋面蓄水节能改造提供依据。

1 蓄水砖测点布置与测试仪器

1.1 蓄水屋面砖的结构

蓄水屋面砖[3]的尺寸为300mm×300mm×240mm（L×W×H），砖底部与屋面形成的空气间层厚度为20mm；蓄水深度最大为120mm；盖板分两种（厚度均为20mm），一种开孔，开孔率为30%（图1（a））；另一种不开孔，开孔率为0（图1（b））。其结构细节剖面图见图1（c）、（d）。

（a）         （b）

（c）1-1         （d）2-2

图1 屋面蓄水砖结构示意图

Fig.1 Water-retaining brick structure

1.2 蓄水屋面砖的测点布置

图2 蓄水砖布置图

为研究不同形式蓄水屋面的隔热保温效果，本文设立了3组对比实验。对比实验分别为：（1）开孔蓄水的蓄水砖屋面与开孔无水的蓄水砖屋面，（2）不开孔蓄水的蓄水砖屋面与开孔无水的蓄水砖屋面，（3）开孔蓄水的蓄水砖屋面与不开孔蓄水的蓄水砖屋面。测试砖块测试区域为黑色方框内见图2，砖块测点布置见图3。

图3 测点布置图

1.3 测试数据段选取

本实验于2015年4月5日开始，于2015年5月31日结束。测试数据选取2015年5月15日-5月20日连续晴天的数据进行分析。

1.4 数据采集设备

测试仪器及操作方法如下：太阳总辐射强度、室外风速、室外空气温度、室外空气相对湿度的测试采用绵州阳光气象科技有限公司的PC-4型环境监测系统进行监测，灵敏度为±0.2℃，每1h记录1次。各测点温度的测试采用上海朝杰无纸记录仪C6108A，精度等级±0.2%FS ，每4min记录一次，挑选整点时间的数据绘制温度变化趋势图。

2 测试结果及分析

2.1 蓄水与否对砖蓄水屋面隔热性能的影响

图4 屋面温度逐时变化图

夏季蓄水屋面砖的隔热效果非常明显，本文选取开孔无水的蓄水砖屋面、开孔蓄水的蓄水砖屋面与裸露屋面进行对比实验。测试时间为连续晴天2015年5月18日早上7:00-5月20日早上7点，各屋面温度逐时变化规律见4。

从图4测试结果分析可以得出如下结论：

（1）开孔无水的蓄水砖屋面与开孔蓄水的蓄水砖屋面白天都有较好的隔热效果，有效削弱了室外向室内传递的热量。当裸露屋面温度升至51.6℃时，开孔无水的蓄水砖屋面温度为30.8℃，而开孔蓄水的蓄水砖屋面温度仅为27.7℃，裸露屋面与砖下屋面最大温差达到23.9℃。

（2）蓄水的蓄水砖与无水蓄水砖隔热效果对比，蓄水的蓄水砖隔热效果更优。通过二者屋面温度对比，可以得出蓄水砖下屋面温度变化平稳、波动小，同时与裸露屋面比较，有一定的延迟，二者的峰值出现在不同时刻。

屋面铺装无水的蓄水砖使其表面温度降低，这是由于蓄水砖蓄水部分用空气替代，二空气自身导热系数小、隔热效果优，因此能有效地起到隔热的作用，降低屋面表面温度。砖内蓄水后其隔热效果更优，主要是因为水表面的水蒸气分压力高于空气中的水蒸气分压力，水发生蒸发，使水和空气温度都降低，利用蓄水蒸发冷却原理，将外界热量带走，从而使屋面温度降低。因此，蓄水与否对蓄水砖隔热效果影响较大，蓄水后隔热效果更优，在无水砖屋面的基础上，温度再降低0.4～3.1℃。

2.2 盖板开孔对蓄水砖隔热效果的影响

图5 不同孔盖水温逐时变化图

为了研究蓄水砖盖板开孔对隔热效果的影响，本课题小组将开孔盖板与不开孔盖板进行测试对比，试验期间监测的数据有：砖下的屋面温度、裸屋面温度以及水温。监测结果见图5、图6。

图6 不同孔盖屋面温度逐时变化图

从上图测试结果分析可以得出：

（1）蓄水砖盖板的开孔对其隔热效果具有影响。盖板开孔，使其白天阳光直接与砖内蓄水接触，加快了水温的变化，从图5可以明显看出，开孔盖板的水温变化明显大于不开孔盖板水温变化。连续晴天测试中，二者水温有存在近2h的延迟，开孔盖板水温最高达31.6℃，出现在15:00，而不开孔盖板最高水温为29.1℃，出现在17:00。

（2）开孔与不开孔均有隔热的效果，但二者效果存在差异。不开孔相对开孔隔热效果更优。从图6测试结果分析，不开孔与开孔蓄水砖下屋面的温度变化趋势基本保持一致，二者的最大差值为1.1℃。

开孔与不开孔隔热效果出现差异，其直接原因是太阳辐射。太阳辐射会加快水温的上升，从而影响砖下屋面温度的变化。因此，开孔与否对屋面隔热有影响，不开孔盖效果更优。

2.3 蓄水砖竖直传热分布

图7 不开孔盖板蓄水砖温度分布图

本课题组选取一个实心盖蓄水砖为研究单元，时间是2015.5.18早上7:00至2015.5.19早上7:00，对其水温、砖底温度以及砖下屋面温度进行测试分析，测试结果见图7。

根据测试结果得出白天与夜间蓄水砖的温度分布有所不同。上午11:00至夜间23:00时段蓄水砖隔热降温，水温、砖底温度以及砖下屋面温度依次降低，最大温差在1.1℃左右；而夜间23:00至白天11:00，屋面温度高于砖底温度，砖底温度高于水温，最大温差在0.9℃左右。

出现这种现象的原因是热量的传递过程存在一定延迟，午后辐射被削弱，有良好的隔热效果，可显著降低房间的温度。

3 结论

本文通过蓄水与盖板开孔对屋面蓄水砖隔热效果影响的研究，目的在于初步掌握蓄水砖的隔热性能，以及蓄水砖隔热效果的影响因素，从而进一步研究蓄水砖屋面提供依据。通过对实测数据的分析获得如下结论：

（1）蓄水砖屋面蓄水后的隔热效果明显，蓄水的蓄水砖屋面隔热效果优于无水蓄水砖屋面，蓄水能有效地隔热，降低由屋面带来的冷负荷。

（2）开孔会对蓄水砖屋面的隔热造成影响，不开孔盖板蓄水砖比开孔盖板蓄水砖隔热效果更优。

（3）热量的传递过程存在一定延迟，不开孔盖板蓄水砖白天与夜间温度分布规律有所不同。

[1] 刘才丰,冯雅,陈启高.屋面蒸发隔热及应用措施[J].重庆大学学报(自然科学版),2001,(3):41-44.

[2] 蒋宗和.“零能耗”建筑屋顶设计[J].建筑节能,2008, 10(36):17-20

[3] 韩如冰,龙恩深,王子云.一种蓄水双层保温隔热屋面砖[P].中国，ZL2010105871072, 2013.6.14.

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[5] 杨晚生,古宇力.浅层遮挡式蓄水屋面的隔热性能对比研究[J].新型建筑材料,2014,(3):55-60.

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Research on the Insulation Effect of Water-retaining Roof Bricks from Water Storage and Cover with Hole

Qing Yutao Wang Ling Han Rubing

( Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

Roof insulation has an impact on the indoor heat load and causes an increase in the heat on the top floor. This paper selects two conditions for testing: (1) comparing roof temperature using brick storage water, brick not storage water and an ordinary roof, (2) comparing different cover of water-retaining roof. Meanwhile, analyzing the distribution of bricks temperature in a whole day(24hous) from the test results. According to the test results, it shows that roof with water-retaining brick storage water is more insulated than the brick not storage water and cover with no hole insulation effect is better. For energy saving in existing buildings using a water-retaining roof will improve the performance of the roof insulation.

water-retaining roof; insulation; evaporation cooling; energy saving

1671-6612（2016）05-599-04

TU834

A

国家自然科学基金（51208442）

卿玉涛（1991-），男，在读硕士研究生，E-mail：qyt1991@yeah.net

王 令（1969-），女，副教授，E-mail：Wlling1015@126.com

2015-07-10