CN101668909B - 建筑物用防热防风防护板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于建筑物的防热防风防护板，该防护板是新颖且经济的构思，其能够提高遭受强烈日光照射的建筑物内部的舒适度。该构思旨在通过钻孔的板材以及借助具有独创的设计和布置的间隔装置实现屋顶和/或墙壁的包层。由于所提供的安装模式以及所使用材料的低成本，使得投资很小。进而通过降低用于建筑物的空调所使用能源的消耗来实现节约。建筑物的防热防风防护板的结构导致风在建筑物周围的路径上的大量负载损耗，该防护板允许其所覆盖的整个建筑物更好地抵抗大风。在“说明书”部分中，连续地涉及装置的说明、所使用的物理性质、在模型以及实验住宅上所观察到的性能，然后提供安装方法，并且最后对风的行为做了模型化的方案以便在安装完屋脊瓦时确保所注意的地方是合理的。

Description

建筑物用防热防风防护板

技术领域

能源的节约与控制；以及保护建筑物屋顶免于暴风雨的危害。本发明的应用领域为建筑物和土木工程。 

背景技术

屋顶长期暴露在强烈的日照中，既受到以热的形式储存的能量的危害，又遭受着大量的朝向建筑物内部的辐射。暴露在暴风中的屋顶遭受着沉重的外力压迫，这可能导致屋顶的损坏。 

发明内容

建议方案：

使用穿孔薄钢板遮蔽屋顶和墙壁。不同类型的穿孔薄钢板的小孔有着不同的直径，可以根据期望获得的结果自行选择(参见第2-1章节“物理性质的使用”)。 

本发明提供了一种用于建筑物的防热防风防护板，所述防护板上具有多个穿孔且适于覆盖在所述建筑物的屋顶和/或墙壁上方，其特征在于，所述防护板与所述屋顶和/或墙壁通过多个间隔装置隔开，所述间隔装置固定至所述屋顶和/或墙壁且具有平行于所述屋顶和/或墙壁的纵向轴线，所述间隔装置包括：底板，沿所述纵向轴线延伸，所述底板通过螺栓固定至所述屋顶和/或墙壁；顶板，平行于所述底板设置，并通过垂直于所述底板的背板与所述底板相连，所 述防护板通过接收在所述间隔装置中的壁架紧固至所述顶板；一对第一侧板，沿所述纵向轴线设置在所述底板的相对两端，所述顶板与所述一对第一侧板的顶端之间隔开预定间隔，所述预定间隔用于容置所述防护板固定于其上的壁架；其中所述一对第一侧板通过将所述背板、沿所述向纵轴线的两端朝向所述间隔装置内部翻折而形成，所述一对第一侧板的顶部向外翻折形成与所述顶板平行的折边，所述预定间隔形成在所述折边与所述顶板之间；以及一对第二侧板，所述一对第二侧板通过将所述底板的、沿所述纵向轴线的两端朝向所述间隔装置内部翻折而形成，且所述一对第二侧板与所述一对第一侧板通过铆钉彼此紧固。 

优点：

防护板能够改善阳光高度直射地区住房的舒适度， 

能够减少空调的使用从而达到了节约能源的效果，也因为使用的材料成本较低而减少了成本投资， 

如果暴露于暴风之中，也使得住房更加安全。 

附图说明

图1示出了根据本发明的建筑物用防热和防风防护板的两种配置方式； 

图2示出了穿孔薄板的剖面图； 

图3中的3a)和3b)分别示出了两种类型的穿孔薄板； 

图4示出了实验住宅的示意图； 

图5中的a)和b)分别示出了防护板在屋顶上的布置的前视图和 侧视图； 

图6中的a)、b)和c)分别示出了不同配置方式中记录点的位置与测量温度； 

图7中的a)和b)分别示出了有防护板的模型的图片与没有防护板的模型的图片； 

图8示出了实验住宅使用的间隔装置； 

图9中的a)、b)和c)分别示出了间隔装置的装配示例； 

图10示出了对间隔装置加载的示意图； 

图11示出了间隔装置的另一实施方式； 

图12示出了间隔装置制造和安装的9个步骤； 

图13中的a)和b)分别示出了间隔装置的壁架的安装方式以及穿孔薄板在壁架上的安装； 

图14示出了由暴风引起的气流群的示意图； 

图15示出了气流从风吹向屋顶的方向靠近穿孔薄钢板的示意图； 

图16示出了通风脊的自由移动，以及作为连接防护板主体的薄钢板顶端边缘的铆钉的布置。 

具体实施方式

说明概要：

1.介绍

2.性能

2-1使用的物理性质 

2-2一些关于模型和实验住宅的测量记录的资料 

3.间隔装置和防护板装配的示例

3-1间隔装置 

3-2防护板的装配 

4.防护板上的空气作用

4-1迎风面 

4-2背风面 

5.结论

1-介绍

防护板是通过在现有屋顶上刷上油漆和安装上穿孔的镀锌薄钢板来形成的(图1，参见摘要)。铺设这些薄钢板前不久，这些薄钢板经受过类似于用做遮蔽面板和包覆面板的完整(无穿孔)薄钢板的冷轧成型处理。 

成型的目的在于使得金属板具备足够的硬度，使之经得起不同的外力压力，例如它本身的重量、屋顶装配工的体重，风力以及最后，雪的重量等。 

尤其是，这个装配非常适合于已经覆盖了金属薄板的屋顶，因为在这种情况下，随着间隔装置的帮助，它们必须安装在与原有屋顶的水平位置上。这样，就不需要多余的准备工作了。 

市场上已经有这种穿孔薄钢板销售，目前此种薄钢板被用作于包覆面板。 

下面，将作为一个例证展示两种类型的穿孔薄钢板的性能之间的比较，但是任何类型的薄钢板都适用于防热防风的防护板的制造。 

下面，这些原理同样也被用来详细地描述屋顶用防护板，然而这些相关的原理同样也适用于墙壁用防护板，而且墙壁用防护板的装配更加容易(详情参见第3-2章节末尾)。 

2-性能

2-1使用的物理性质：

在无风无浪的天气里或者在屋顶的背风面，一块穿孔薄钢板只要一被阳光照射到(图2)，接触到日照面上的薄钢板的空气层与邻近的空气层之间的温度差就显现出来了。加热后的空气比冷空气轻，像阿基米德原理所说的那样热空气开始上升，并且分散到远离薄钢板的大气中去了。 

这种机制产生了一个对薄钢板下面空间空气的不断吸取，这些空气通过穿孔从而得到加热。如此，空气充当了一种冷却流体，通过循环接触与薄钢板交换热能。 

它使得薄钢板的温度维持在接近周围空气的温度值。然而，根据记载，穿孔薄钢板的温度可能比实验住宅背风面周围空气的温度高到8℃。 

原有屋顶位于穿孔薄钢板的下方，因此接收到的透过穿孔薄钢板的红外线辐射能量非常小。尤其，它接收到的能量都是来自穿过小孔的太阳辐射的。这些热量通过在整个原有屋顶的辐射扩散来传播，导致温度的上升幅度非常小。当原有屋顶是深色的时候，它的温度仍然接近于穿孔薄钢板的温度。当原有屋顶是鲜艳的色彩的时候，它的温度最低可能比穿孔薄钢板低2℃。 

在风速较缓和时(风速低于15米/秒)，在气流中可以观察到一个风速梯度。这个风速梯度是根据它与屋顶的距离成比例地从一个较低值发展到一个较高值的。因此，穿孔薄钢板上表面的风速要比下表面的风速快得多。鉴于这个风速梯度的存在，通过穿孔导致了屋顶和穿孔薄钢板之间呈现出了空气的自然吸入。这个现象在伯努利效应中得到了更好的阐释：在以次音速流动的流体中，流动速度的增加总是伴随着压力的减小。 

这个现象使得穿孔薄钢板的冷却更为有效。在图3中的两种类型的薄钢板已经测试过了，并且按照1∶1的比例表示在图表3中。 

薄钢板类型的选择必须以首要需求保护为依据： 

如果防风保护显得不那么紧迫，比如在圭亚那，就可以选择穿孔较小的薄钢板，因为它的遮蔽面更大，并且防热性能更好，例如A类型的薄钢板(图3a)， 

占总面积85％的表面处于遮蔽之中，也就是说，只有14.5％的原有屋顶表面仍然受到太阳辐射。 

如果使用B类型的薄钢板(图3b)，那么只有77.3％的屋顶处于遮蔽之中，也就是说，屋顶总面积的22.7％仍然处于阳光的照耀之中。在另一方面，由于小孔较大，原有屋顶在风较大时接收到的热量更多；而风能的损失较大，从而降低了整个屋顶损坏的风险。 

2-2一个模型和一所实验住宅的测量记录

两种结构类型被用于测试“建筑物用防风防热防护板”：的性能，即图表4中的图片中显示的一所实验住宅，和一个在图5、图6和图7中详细显示的一个模型。该模型的作用在于验证安装一个诸如“建筑物用防风防热防护板”之类的设备的有益性。实际上，它已经显示出关于防热保护方面的有益性能。但是由于其体积较小，它也表现出自身的局限性。至于实验住宅，它能够验证模型获得的结果。此外，它也能够用一个更明确的方式披露这些现象，至少是在模型上可见的现象，例如温度梯度长和薄钢板的长度。 

图5：比例为3.5厘米∶1米的模型的描述视图。 

图6：记录点的位置与测量温度的说明。 

图7：有防护板的模型的图片与没有防护板的模型的图片。 

该模型由厚度为12毫米的木芯胶合板组成。为了使得木材更耐潮湿且防虫蛀，之后要在木材上涂上焦油。屋顶由一块油漆成海蓝色的薄钢板制造而成。 

这使得这个模型暴露在辐射尽可能恶劣的环境中。 

因为图7a中可见的设备，上层薄钢板和下层薄钢板之间的间隔可以在80毫米到300毫米之间变动。图6能够在示意图中标示出温度增加的位置，并且这个在三个配置中都可以观察到。 

无防护(图6a) 

拥有一块天蓝色整体(无穿孔)薄钢板的防护(图6b)， 

拥有一块A类型的穿孔薄钢板的防护(图6c)。 

表1说明了“2006年3月短期干燥的夏天”活动期间的一个活动记录概要。它真的升高了温度，并且升高的不是平均温度。 

表格中的行与对应着在同一天的早晨11时到12:30期间引起的温度的上升。在每一行中，日晒和风吹的条件大致相同。平均风速在5-6米/秒之间，伴随着持续5-10秒的达到10米/秒的阵风，每隔2-10分钟发生一次。 

温度上升面已经转向当前空气流动的方向：确切地说，该模型的东方，以及实验住宅的东北方向。 

在“已上升的”一栏中，M指的是该模型，而EH指的是试验住宅。 

“状态”一栏可以被理解为防护状态。 

NR＝无遮蔽的(无防护的)屋顶 

PSNP＝完整(无穿孔)薄钢板制成的防护板 

PSP＝模型用A类型的以及实验住宅用B类型的穿孔薄钢板制成的防护板 

在″d mm″一栏中，防护板和原有屋顶之间的间隔以毫米为单位记录。 

注：为了连接图6和表1，应当用第四个希腊字母(δ)来替代表格中的字母d。相似地，q必须理解为第八个希腊字母(θ)。 

表1：2006年3月升高的气温。 

摄氏度温度用字母q表示。 

在“qa”一栏中，周围介质温度资料是使用水银温度计来记录(精确到0.1℃)。“qa”的测量是在一个没有日晒只有风的密封区域内记录的。 

索引(i)表示温度是依据模型(离墙壁大约200毫米)或是实验住宅中的(在房间中央)水银温度计记录的。 

索引(s)表示使用红外线温度计记录的表面温度，并且精确到0.5℃，这个方法考虑到了一个点近旁的分散的温度。 

索引(b)表示模型的基地或者是实验住宅一楼的一间房间(没有空调)，以及 

索引(c)表示模型或实验住宅的屋顶(即直接位于薄钢板下方的体积)。 

表1考虑了拥有不同配置的防护板的屋顶和没有任何房屋板的屋顶的比较。模型的资料显示了一个较小规模的表面的通风的有效性(即使没有防护板)。 

对于实验住宅来说，裸露的(无穿孔)薄钢板暴露在风中的一侧的最高温度记录为62℃，在无风的一面(西面)的最高温度记录为75℃. 

原有屋顶之间的间隔和防护板的薄钢板之间的间隔发挥着同样重要的作用，但是有益的性能由最小的间隔(80毫米)决定。一方面，无限地扩大这一间隔是没有用的，因为超过200毫米后，热性能得不到任何改善。另一方面，可以设想更重要的间隔来对应暴风危害的防护。 

对于实验住宅，通过考虑由模型得到的结果选择了一个175毫米的间隔d(δ)。周围介质温度和穿孔薄钢板的温度(表格的最后一行)之间的低差证明了这种配置的防护板的效力。 

3间隔装置装配示例与防护板的装配示例

3-1间隔装置

图8的陈述规定了实验住宅使用的间隔装置的类型。为了便于装配，建议放置间隔装置时将它的开口转向底部。 

间隔装置的采用必须以屋顶覆盖薄钢板的类型为依据。因此，需要注意用作覆盖另一个薄钢板(主要在图8中的a面，b面和c面)的薄钢板类型的共同特征(在图8中的安装方面)、共同属性(如下文描述的)和变化方面。 

所有间隔装置的共同属性： 

为了抵抗的目的，挡板2-当班3都应当被安置在尽可能接近薄钢板起伏范围的顶部位置。 

如果是薄钢板的平顶峰有起伏的情况(图8和图9a)，这种情况很容易满足。它足以确保(a)面等同于两个连续的起伏的外部褶皱之间的距离，或者最大超过这个距离达8毫米。[85]对于在圆顶峰有起伏的薄钢板(图9b和9c)，(a)面必须超过两个连续的 波峰的轴之间的距离达15毫米到20毫米(最大值，并且将分散到间隔装置的两端)。 

如果没有实现这种情况，在间隔装置底部的重量作用之下，会存在一个下陷的风险。原因在于，紧固螺栓必须穿过起伏的这些波峰，并且间隔装置之间必须保持一个空间用作固定这些螺栓的关键。 

然而，应当注意到对于那些被称为“波状薄钢板”的薄钢板，在间隔装置的边缘叠加上起伏的波峰是可能的(伴随着超过的范围为5毫米的可能，图9c)。 

从而，可以用这种方式选择(a)面，即当间隔装置的长度等于或者大于300毫米时，可以覆盖一部分起伏。对于间隔装置的每一个末端，则在最接近末端的位置安置一个与起伏的波峰水平的紧固螺栓。 

(b)面是第二个可变面。这取决于设想的防护的类型。表1的资料表明，防护板在薄钢板之间间隔80毫米时有效。相应的间隔装置将会有一个更大的力学强度。 

对于实验住宅来说，在处于一个起伏高度为25毫米高度时，b面＝150毫米，就能获得一个175毫米的间隔。 

一个完整详细的计算已获准来证明如果力F没有超过图表10中的配置，那么b＝150毫米的间隔装置可以用来对抗弯曲和下垂。 

计算结果表明，当与屋顶平行并且面向底部时(图10)，这个力的限值为1800牛顿。压力最大的区域为挡板2和挡板3。 

当一个安装工人爬上屋顶装配时，由于他本身的重量，负荷也会增加。此外，应当指示安装工人在装配操作期间不要停留在间隔装置的顶峰。 

显而易见，(b)面增加地更多，并且在负重的情况下间隔装置下陷的风险更大。(b)面的值大于150毫米时，建议从间隔装置底部增加(c)面并且在第一个(c)上面添加第二根铆钉(图表11)。 

图表12中的一系列图片显示了一个熟练的安装工人现场制造间隔装置的不同步骤。在这里给出的这个例子展示了模型住宅的间隔装置的制造： 

(a)切割一个长为430毫米的U型轮廓(60毫米，150毫米，35毫米)， 

(b)切割挡板1，挡板2和挡板3， 

(c)从U型轮廓外部交叠上挡板1， 

(d)从U型轮廓内部交叠上挡板2， 

(e)交叠挡板3使之覆盖挡板2， 

(f)挡板2和挡板3装配所需铆钉的安置，(考虑到紧固螺栓的装配，所以铆钉头必须在间隔装置里面)， 

(g)将间隔装置安置在屋顶上。间隔装置必须正好放置在安装了屋顶用薄钢板的横梁的上方。如有可能，应当使用已有的小孔，并且为了确保密封性，不要忘记在薄钢板和间隔装置之间放置一个橡胶垫圈。 

(h)固螺栓的安置。考虑到间隔装置位置的固定，在间隔装置和薄钢板之间使用一个经过焦油涂层处理的纸板，但这并不是必须的。 

(i)间隔装置已经准备好接受矩形截面为30x50毫米的壁架，用作实际的防护板的穿孔薄钢板将会安装在壁架上面。 

3-2防护板的装配

分离两个连续间隔装置的距离可以等于图表8中的(a)面的1.5倍左右。如果在暴风较少的地理区域内的不需要装配抵抗装置，可以增加一个300毫米的长度，甚至可以增加双倍的这个长度。因此，必须注意两个间隔装置之间的距离应当小于或等于(a)面。一旦间隔装置安置在原有屋顶上，它就接受了将会嵌入其上部的壁架(图表13a)。首先，壁架需要经过一个杀菌处理，并且被经过焦油涂层处理的铝膜(修补屋顶用防渗类型的薄膜)完全覆盖。这种薄膜的作用在于保护支架免于蛀虫灾害，并且使其更耐潮湿。 

只要简单地多用一些间隔装置就可以在装配期间支撑住壁架，但是也需要通过一种图表13b中可见的辅助联合薄膜来巩固支撑。 

避免用安排在顶峰的螺栓将壁架安装在间隔装置上的壁架上，因为在使用期间，螺栓头可能会造成刮伤穿孔薄钢板下面的有机涂层的风险。 

在布置好之后，使用屋顶用普通短头螺栓来固定穿孔薄钢板(镀锌保护型螺栓，直径6毫米，除头以下长40毫米)。这些螺栓确保了壁架和间隔物之间的连接，以及穿孔薄钢板和壁架之间的连接。 

正确安置的螺栓在穿透壁架之前，必须要穿过穿孔薄钢板和间隔装置的顶端。 

为了限制螺栓表面接触到雨水，最好将这些螺栓安置在穿孔钢板起伏轮廓的底部(图表13b)。 

为了便于装配，最好使用经过润滑的螺栓(例如-使用汽车润滑油)。 

对于墙壁用防护板，间隔装置的制造和装配与图表12和图表13中所示内容相类似。间隔装置和它们的壁架各自分隔开1.2米的距离简单地安置在水平线上。一个300毫米的(a)面(图表8)可以安装在这些间隔装置上，并且两个连续间隔装置之间将保持一个600毫米的水平距离。 

穿孔薄钢板将以此种方式安装-薄钢板底部与地面之间要有一个小于300毫米的间隔。为了安装一个尺寸有限的用于墙壁防护板的穿孔薄钢板，薄钢板的高度将会以此种方式受到限制--早晨9小时在东边以及17小时在西边的时候，它们的顶端在装配状况下会穿透屋顶投影造成的阴暗地区。用这样的方式，装置的有效性就不会受到影响了，但是为了美观的原因，也可能采用较大尺寸薄钢板。然而，为了使墙壁和薄钢板之间的空间中空气流通良好，薄钢板的顶端和屋顶的底部之间至少要保持一个300毫米的间隔。 

4-风对防护板的影响： 

最不利的风是那些在与屋顶下胶塞垂直的力量强劲的风。在这种情况下，暴露于风中最多的屋顶是那种两边都是斜面的屋顶。当风向与屋顶平行时，就对整个屋顶产生了一个相对平均的压力。(风力)负载的损失是因为穿孔薄钢板相对于普通的屋顶，降低了风速，并且减少了建筑物内部和屋顶外部的压力差。因此，下面的两段专门讲述屋顶两侧都暴露在与屋脊的胶塞垂直的风中的有斜面的屋顶。 

4-1迎风面

这是屋顶受外力最强的一面。在迎风面，风流群靠近屋顶时向斜面的方向倾斜(图表14)。它伴随着一个随着远离曲率中心的距离而按比例(即它接近屋顶的比例)上升的压力梯度(由伯努利定理推导出的关系)。同时，风速按照梯度变化相反的方向分布。 

这一事实可以得出，这两种现象可以在接近防护板的地方共存。 

在其底部，空气通过穿透小孔在穿孔薄钢板之下和间隔物之间冲撞，这导致了(风力)负载的大量损失，并且穿孔钢板下面的空间大大地降低了气流速度。仅供参考，风速为10米/秒时，模型的穿孔薄钢板之下的气流速度为3米/秒到4米/秒。 

建筑物越高，穿孔薄钢板的上表面的风速相较于下表面的风速就越高。自此伴随着一个下表面之下空间的空气射流循环的吸入，并且低气压区域正好位于每一个薄钢板的穿孔的上方。 

这些原理是有效力的，并且有一个将会抵消的趋势： 

风作用在保护板的基的时，涂层能够发挥效力，而吸气作用能够减少上部的涂层效力。 

总的说来，防护板的存在减缓了流经屋顶的气流的速度。 

同没有防护板的建筑物比较起来，结果是防护板能够减小房屋内部和外部的压力差。 

4-2背风面

背风面相较于迎风面而言相对地比较风平浪静，是一个几乎拥有统一低气压的区域。通过时屋顶顶端产生的波动甚至可以通过减 少屋顶上的空气来发挥涂层的效力。这个效力在强风下更加显著。 

因为穿孔薄钢板下面空间内的空气循环，接近屋脊的地方呈现出最低气压。 

总结起来，在暴露在暴风中的情况下，接近屋脊的区域最容易招致基本压力。 

因此，为了加强防护板在这些区域的防护作用，重点在于尽可能多地减少位于最接近屋脊的横梁上的间隔装置之间的间距。 

此外，穿孔薄钢板可以充当通风脊砖瓦，而其他连接保护板的两个的斜面的薄钢板，必须留有自由边缘(图表16)，即没有交叠。 

这些通风脊砖瓦和防护板主体之间的连接必须用铆钉(直径5毫米的A类型薄钢板用铆钉，直径6毫米的B类型薄钢板用铆钉)完成，并且要以一个边缘至少一个铆钉的比例来做，正如图表16中的图片所示的实验住宅的防护板上的铆钉分布。 

5-结论

“建筑物用防风防热防护板”的使用通过降低屋顶温度和在不同的房间获得一个最统一的温度，改善了建筑物内部的舒适度。这自然地也就减少了空调的使用，从而节约了能源。 

通过降低与之直接接触的风的速度，防护罩增强了建筑物对抗暴风危险的抵抗力。需要注意的是，通风脊砖瓦在减少由位于屋顶顶端的风造成的屋顶损坏的风险中同样发挥着重要作用。 

Claims (1)

1.用于建筑物的防热防风防护板，所述防护板上具有多个穿孔且适于覆盖在所述建筑物的屋顶和/或墙壁上方，其特征在于，所述防护板与所述屋顶和/或墙壁通过多个间隔装置隔开，所述间隔装置固定至所述屋顶和/或墙壁且具有平行于所述屋顶和/或墙壁的纵向轴线，所述间隔装置包括：

底板，沿所述纵向轴线延伸，所述底板通过螺栓固定至所述屋顶和/或墙壁；

顶板，平行于所述底板设置，并通过垂直于所述底板的背板与所述底板相连，所述防护板通过接收在所述间隔装置中的壁架紧固至所述顶板；

一对第一侧板(2)，沿所述纵向轴线设置在所述底板的相对两端，所述顶板与所述一对第一侧板(2)的顶端之间隔开预定间隔，所述预定间隔用于容置所述防护板固定于其上的壁架；其中所述一对第一侧板(2)通过将所述背板、沿所述向纵轴线的两端朝向所述间隔装置内部翻折而形成，所述一对第一侧板(2)的顶部向外翻折形成与所述顶板平行的折边，所述预定间隔形成在所述折边与所述顶板之间；以及

一对第二侧板(3)，所述一对第二侧板(3)通过将所述底板的、沿所述纵向轴线的两端朝向所述间隔装置内部翻折而形成，且所述一对第二侧板(3)与所述一对第一侧板(2)通过铆钉彼此紧固。

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