原竹隔热屋面隔热效果分析

刘小雪 柏文峰

(昆明理工大学建筑与城市规划学院昆明 650051)

原竹隔热屋面隔热效果分析

刘小雪 柏文峰

(昆明理工大学建筑与城市规划学院昆明 650051)

针对夏热冬暖地区现有农村住宅屋面隔热性能差的现状，提出3种用于平屋面的原竹隔热屋面构造做法。屋面隔热测试结果表明，与无任何屋面隔热措施的钢筋混凝土平屋面相比，不同构造做法的原竹隔热屋面均显著改善了屋面隔热性能，对夏热冬暖地区现有农村住宅屋面隔热改造具有很高的实用价值，是一种就地取材、生态环保的屋面隔热做法。

农村住宅；原竹；屋面隔热；建筑节能

屋面隔热是夏热冬暖地区建筑节能和确保建筑室内热舒适性的重要环节。近年来，随着传统居住建筑的更新换代，在农村出现了大量采用砌体和钢筋混凝土建造、但保温隔热性能极差的民房。就农村住宅而言，目前平屋顶隔热主要有2种屋面材料可供选择:一种是采用传统乡土材料隔热，如元江傣族民居的土掌房靠厚铺泥土来实现屋顶隔热 (图1)，这种做法屋面容易渗漏，而且屋面过重，对抗震不利，现在已很少采用；另一种是采用工业化生产的隔热材料，按照一定的构造做法铺设在屋面上起到隔热效果 (图2)。受农村经济技术条件限制，采用现代隔热材料的造价较高，施工工艺差，很难得到村民的广泛认可。因此，很多村镇住宅开始安装空调以改善室内热舒适性。这种做法既增加了村民的用电费用，也不符合国家节能政策。部分无钱购买空调及支付电费的村民在夏季干脆不在顶层居住，造成建筑空间的闲置浪费。

图1 厚铺泥土隔热屋面

图2 挤塑板隔热屋面的构造

住建部2017年3月发布 《建筑节能与绿色建筑发展 “十三五”规划》[1]。该规划明确提出，农村建筑节能要实现新突破的目标，要紧密结合农村实际，总结出符合地域及气候特点、经济发展水平、保持传统文化特色的乡土绿色节能技术。针对夏热冬暖地区现有农村住宅屋面隔热性能差的现状，有必要在就地取材的基础上，研究开发适用于夏热冬暖地区农村经济技术条件的屋面隔热技术。

夏热冬暖地区有丰富的竹资源。竹材的导热系数约为0.20～0.30 W/(m·K)，比木材的导热系数略低，是良好的隔热材料。更为重要的是，竹秆为空心，竹节把空腔又进一步分隔为若干封闭的气室，进一步提高了原竹的隔热性能。以原竹为主要材料开发经济适用的屋面隔热构造技术，对村镇住宅节能具有重要意义。

1 原竹隔热屋面构造设计及其隔热机理

1.1 原竹隔热屋面构造设计

原竹隔热屋面构造如图3所示，从下到上分别为:混凝土结构层、原竹、热反射膜、水泥砂浆找平层。

图3 原竹隔热屋面构造图

施工步骤如下:

第1步，在钢筋混凝土结构层上铺置原竹，其下部三棱柱状空间用混凝土填实，起固定原竹位置、黏合原竹与钢筋混凝土板的作用。操作时最好将原竹与水泥砂浆交替装配，也可先平铺素混凝土再在其上密铺原竹压实，前者可确保混凝土和原竹很好的契合，后者施工效率高但需把握好素混凝土的用量。完成原竹铺装后最好晾晒1～7 d，以便水泥中的水分挥发避免原竹受潮腐烂。

第2步，原竹上部铺热反射膜，铺时宜用细竹条将热反射膜在原竹之间的部分压出折痕。

第3步，原竹上部三棱柱状空间同样用素混凝土填实，再铺至原竹最高点以上1～3 cm，起到找平与保护原竹的作用。第2、第3步操作可同时交替进行，以保证原竹和热辐射膜的紧密结合。

原竹隔热屋面构造法利用竹材天然的封闭空腔结构和木质导热系数低的特点进行隔热，材料环保易得、工艺简单易于实施、灵活度高、适用范围广，即可以作为屋面隔热层和建筑一起完成建造，也可以加建在已建成建筑的屋顶之上，来改善已有建筑的隔热性能，提升室内居住环境的舒适度。

1.2 原竹隔热屋面隔热机理

原竹隔热屋面的隔热机理如图4所示。各层所发挥的作用如下:

1)热辐射膜。利用热辐射膜反射来自太阳的短波辐射穿过上层混凝土找平层转化而成的长波辐射；同时热反射膜兼做防水材料，避免原竹受潮腐烂。

2)原竹。利用原竹腹部的封闭空腔的自然形态，降低空气对流导热从而达到隔热；而且原竹壁也是一种导热系数很低的隔热材料，具有很好的隔热效果。

图4 原竹隔热屋面隔热机理示意图

3)水泥砂浆。原竹和下层屋面板之间的三棱柱状空间用水泥砂浆填实，起限位作用；热反射膜上用混凝土找平，保障屋面晾晒谷物等使用功能，同时为原竹提供紫外线防护，延缓原竹老化。

2 基于屋面热工计算的原竹直径选择

我国是世界上最主要的产竹国，有竹子王国之誉。毛竹是夏热冬暖地区最常见且资源丰富的竹种，选用毛竹作为屋面隔热材料，并结合屋顶热工指标标准 (传热系数K和热惰性指标D)和施工效率以及竹资源情况综合确定毛竹最小直径。

2.1 屋面热工指标要求

屋面传热系数K值按 《民用建筑热工设计规范》GB50176－93中的方法进行计算，并且满足 《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ 75－2012[2]的要求:屋顶传热系数K≤0.4 W/(m2·K)；或0.4 W/(m2·K) ＜K≤0.9 W/(m2·K)， D≥2.5。

2.2 计算条件与计算参数选取

将该隔热屋面转换为方管组合壁模型计算。根据实际测量，设原竹空腔直径 ∶壁厚＝7∶1，完整原竹的直径为x，则原竹壁厚为，空腔直径为。

竹材的热工系数因竹材品种、竹材状态、环境不同略有差异，据已有研究成果[3]，当温度为28℃时、干燥状态毛竹导热系数λ3＝0.20 W/(m·K)，蓄热系数S3＝4.50 W/(m2·K)。

经计算，当毛竹外径为40 mm时，图3所示原竹隔热屋面热惰性指标D为2.6，传热系数K为0.85 W/(m2·K))，满足夏热冬暖地区居住建筑屋面节能设计标准热工指标要求。

结构用原竹 (3～5年生)直径一般在8 cm以上[4]，从方便取材、提高施工效率的角度，取直径10 cm的原竹作为实际测试的材料。

3 实验实证及相关数据分析

3.1 实验方案

以没有任何隔热措施的钢筋混凝土屋面板为对照，根据构造技术的不同，建造了3种不同的原竹隔热屋面实验方案，实验样本共4个 (图5):样本1，为对照，100 mm厚混凝土板模拟现有钢筋混凝土屋面；样本2，直径100 mm原竹＋水泥砂浆找平，模拟原竹承重屋面；样本3，100 mm厚混凝土板＋原竹＋水泥砂浆找平；样本4，100 mm厚混凝土板＋原竹＋热反射膜＋水泥砂浆找平。

3.2 数据采集

温度测试采用RAYTEKS红外测温仪(RAYTEKS ST20)，在4个样本上下表面各布置2个测定点，选取4个有太阳直射的晴天，在午后14∶30采集屋面上下表面的温度值，每次在相同区域读取2个数值然后再求平均值，并且计算各构造方案屋顶上下表面温差。

3.3 结果分析

不同实验样本的测定结果见表1。由表1可以看出:在太阳直接照射的同等环境下，现浇钢筋混凝土板的上下表面平均温差为0.51℃，隔热能力很差；原竹＋水泥砂浆找平屋面的上下表面的平均温差为6.23℃，该种构造属于轻质屋面，具有一定的隔热能力；混凝土板＋原竹＋水泥砂浆找平屋面上下表面的平均温差为12.45℃，重质屋面和原竹隔热材料的组合产生了明显的隔热效果；混凝土板＋原竹＋热反射膜＋水泥砂浆找平屋面的上下表面温差为13.49℃，说明热反射膜对于进一步反射上表面水泥砂浆找平层传来的长波热辐射有一定作用。

4 结论

通过计算和实际样本测试，证明了原竹隔热屋面技术的有效性和可行性。原竹隔热屋面构造法利用竹材天然的封闭空腔和导热系数低的特点进行隔热，对材料和施工工艺要求低，村民和工匠经过简单培训即可实施，降低了对工业材料的依赖，经济、环保又具有良好的隔热性能。此项技术如能与农村住宅其他节能措施相结合，可整体提升农村住宅的节能水平，对夏热冬暖地区村镇建筑节能具有实用价值，是一种符合地域及气候特点、经济发展水平、保持传统文化特色的乡土绿色节能技术。

图5 实验样本构造图

表1 不同实验样本屋顶上下表面温度差异

对比我国建筑气候分区图和竹资源分布图发现，我国温和地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区都有丰富的大中型竹种资源，原竹隔热 (保温)屋面技术具有广泛的地域适用性，市场前景广阔。

致谢:谭良斌老师指导了屋面热工计算，庾慧景、鲍瑞、白朝旭、杨佳明、彭玉坤等5位同学参与了论文数据实验和测试工作，特此致谢!

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划(建科[2017]53号)[A].2017.

[2] 中国建筑科学研究院.夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[3] 吴舒辞，喻寿益，韩健，等.毛竹竹材几个热力学特性参数的测试与分析[J].中南林业科技大学学报，2004，24(5):70－75.

[4] 杨宝璋.竹与竹建筑[M].昆明:云南人民出版社.2014:18.

Effect Analysis for Heat Insulation of Bamboo Heat-insulated Roof

Liu Xiaoxue Bai Wenfeng
(School of Architecture and Urban Planning，Kunming University of Science and Technology， Kunming 650051， China)

In light of the poor roof heat insulation performance of current rural house in hot summer and warm winter zone，three types of heat insulation structure of bamboo roof are proposed and tested.The results showed that comparing to the reinforced concrete flat roof without any heat measurement，the 3 different types of bamboo heat insulated roofs demonstrated better heat insulation ability.Bamboo heat insulated roof is therefore of high practical value in rural residence building in hot summer and warm winter zone，which is a low-cost but ecological environment-friendly solution.

Keywordsrural house， bamboo， roof heat insulation， building energy efficiency

10.13640/j.cnki.wbr.2017.06.007

国家科技支撑计划项目子课题 (编号:2014BAL06B04)；大学生科技创新项目 (编号:2015BB025)。

刘小雪，昆明理工大学，建筑设计专业本科生。

柏文峰，昆明理工大学绿色乡土建筑研究所，博士，教授，研究方向为绿色乡土建筑技术。E－mail:1142149697＠qq.com。