冷表面屋顶在中国不同气候区域下的建筑节能特性研究

摘要

随着能源紧张和环境破坏等问题的日益突出，节能与环保越来越受到各行各业的关注。在中国，建筑能耗占社会总能耗的30%左右，而建筑空调系统能耗占建筑总能耗的40%左右，因此建筑节能的关键是空调系统节能。建筑围护结构是影响建筑能耗的重要因素，而屋顶是建筑围护结构中直接吸收太阳辐射，对外进行热交换的重要媒介，其热工性能对建筑能耗影响重大。本文选择冷表面屋顶作为研究对象，探究其热工性能对建筑能耗的影响，分析冷表面屋顶在中国不同气候区域的适用性，探索其在节约能源、改善环境和保护生态等方面的积极作用。 首先，本文选择冷表面屋顶中的热反射冷屋顶和绿色屋顶，分析了其屋顶传热模型。通过正交设计分析了屋顶太阳反射率、长波辐射率、传热能力和蓄热能力在四个气候区域中对建筑负荷影响的权重大小。通过Energyplus软件模拟了绿色屋顶中叶面积指数（LAI）、植被高度、土壤层厚度和土壤层湿度对建筑负荷的影响。 其次，使用Energyplus软件进行建模，分析冷屋顶、绿色屋顶和常规屋顶在中国不同气候区域的适用性情况，比较了在冬季和夏季不同工况下的能耗情况。结果显示冷屋顶在冬季和夏季对于建筑室内负荷有着截然相反的作用，夏季使用冷屋顶可以减小室内冷负荷降低能耗，而冬季使用冷屋顶则会增加室内热负荷提高能耗，绿色屋顶则全年都能减少建筑空调能耗。 再次，为了验证模拟结果的正确性，在南京搭建了屋顶性能测试实验台，分别在夏季和冬季对热反射冷屋顶、绿色屋顶和常规屋顶的节能效果进行实测分析，实验结果和模拟结果在节能规律上表现一致。 然后，针对冷屋顶关键技术中最重要的热反射涂料，分析了其作用机理以及配置方式，在此基础上以水性环氧树脂为基液，以钛白粉和高温无机盐材料为颜料，配置出了不同颜色的高反射涂料。通过分光光度计对其反射率进行了测量，通过模拟对其节能特性进行了研究。 另外，针对日益加重的热岛效应问题，通过建模分析模拟了在不同气候区域不同屋顶技术对缓解城市热岛效应的作用。对冷屋顶和绿色屋顶改善围护结构热工性能直接减少建筑能耗，以及通过缓解城市热岛效应降低环境空气温度间接减少建筑能耗的双效影响进行了定量分析。 最后，基于生命周期评价理论，提出了环境回收期的全新概念。以冷屋顶和光伏屋顶为比较对象，通过能耗模拟和生命周期评价软件，从经济、能源和环境三个方面对冷屋顶和光伏屋顶进行了比较。建立了基于全生命周期评价的3-E静态回收期理论体系，给出了经济静态回收期，能源静态回收期和环境静态回收期的计算公式，并对南京地区的情况进行了实例计算。

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