CN115306089B - 一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，涉及环保建筑的技术领域，包括建筑屋面板，顶部设置有空气间层，空气间层内铺设有降温管，空气间层两侧留有洞口，顶部设置有混凝土底板，混凝土底板顶部设置有保温层，保温层顶部设置有混凝土找平层，混凝土找平层顶部设置有防水层，防水层上方设置有蓄水层，蓄水层上方设置有种植层，种植层一侧留有排水沟，排水沟内留有排水孔，排水孔内设置有排水管，并通过T字型水管连接配件与降温管接通。本发明在夏季有自动水冷的功能，水冷用水为雨水，与开放空气间层的热交换性能联合作用；在冬季，密闭的空气间层与保温层起到双重保温的作用，能有效降低建筑能耗，从而降低建筑碳排放，起到环保的效果。

Description

一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面

技术领域

本发明涉及环保建筑的技术领域，尤其是涉及一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面。

背景技术

在低碳节能建筑设计以及绿色建筑生态节能设计的设计策略方面，建筑物的屋顶是不可忽视的。建筑物的屋顶是接收太阳光直射和大气长波辐射最多的地方，因此会导致建筑物的室内出现夏季偏热、冬季偏冷的情况，这样就难免会消耗各种能源并带来大量的碳排放。故而，就建筑屋顶的节能设计方面而言，最好是能够有冬暖夏凉的效果，进而达到低碳节能的最终目的。

现有的授权公告号为CN210316250U的中国专利文件中公开了一种绿植空气间层保温屋面，包括设置在建筑屋面板上的保温腔体结构以及设置在保温腔体结构上的屋面种植单元，保温腔体结构包括建筑屋面板、钢筋混凝土底板和通风口，通风口的顶部高出屋面种植单元，钢筋混凝土底板与建筑屋面板之间通过建筑屋面板支撑形成空气间层，该体系结能够有效地提高建筑屋面板结构的冬季保温和夏季降温性能。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：保温腔体仅有一个通风口，不能利用风压和热压促进空气流动，空气间层的热交换性能效果体现不明显；没有利用夏季雨天种植单元内的雨水对建筑的制冷效果，仅仅依靠植物吸热降温效果差；通风口固设在屋面之上，不能根据不同的气候和风况进行调整。

现有的授权公告号为CN212248923U的中国专利文件中公开了一种自保温屋面结构，通过膨胀的遇水膨胀止水条带动竖向保温板向两侧运动，可以对其两侧的保温板进行挤压，有利于提高相邻两个保温板连接的稳定性，也使得两个保温板之间的缝隙被填实，有利于提高保温和防水的性能，第二保温层在铺设时，使保温板之间的缝隙与第一保温层保温板之间的缝隙相互错开，可以提高保温效果。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：采用两个保温层加强了屋面的保温效果，但是材料消耗大，成本大幅上升；屋面仅有保温效果，没有降温效果，夏季制冷耗能较大，进而导致建筑碳排放量增多。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，达到冬暖夏凉的效果，从而减少能耗，起到低碳环保的作用，同时降低材料成本。

技术方案：

一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，包括建筑屋面板、混凝土底板、空气间层以及保温种植单元，所述建筑屋面板的上方顺序设置有混凝土底板、保温种植单元，其特征在于：所述空气间层为设置在混凝土底板与建筑屋面板之间的下端敞口设置的半封闭空腔结构；空气间层两侧留有洞口，且空气间层的其中一侧洞口安装有进风管，余下一侧洞口安装有排风管；进风管、排风管均为S形管，且进风管的进风口在竖直方向上的投影位置位于排风管的出风口在竖直方向上的投影位置下方；所述空气间层内部铺设有降温管，侧壁留有排水孔并设置有2号排水管；

所述保温种植单元包括种植层，所述种植层设置在混凝土底板上方，且种植层一侧设置排水沟，所述排水沟内留有排水孔，所述排水孔内设置1号排水管，所述1号排水管通过T字型水管连接配件分别与降温管和2号排水管对应接通；

所述低碳环保屋面的传热系数K满足：

式中：h₁为低碳环保屋面外表面空气对流换热系数，W/(m²·K)；h₂为低碳环保屋面内表面空气对流换热系数，W/(m²·K)；δ_i为低碳环保屋面的第i层厚度，m；λ_i为低碳环保屋面的第i层导热系数，W/(m·K)，i的取值为1，2，3；i＝1表示建筑屋面板，i＝2表示混凝土底板，i＝3表示保温种植单元；θ为空气间层内空气温度，℃；β为降温管内水流温度，℃；0.2为空气间层热阻，(m²·K)/W。

优选地，保温种植单元还包括保温层、混凝土找平层、防水层、疏水板、蓄水层以及滤网，保温层、混凝土找平层、防水层、疏水板、蓄水层以及滤网依次设置在混凝土底板与种植层之间；所述的建筑屋面板为现浇钢筋混凝土屋面板，厚度约为80～160mm。

优选地，所述蓄水层内设置有出水口以及第二液位传感器。

优选地，所述T字型水管连接配件在与所述降温管的接口处设置有排水阀；所述降温管外环固有与建筑屋面板抵接的导热塑料架，内部固设有管内温度传感器。

优选地，所述1号排水管、2号排水管以及降温管的直径为32～40mm，1号排水管、2号排水管为不锈钢复合管。

优选地，所述的空气间层厚度为80～150mm，空气间层外侧壁固设有室外温度传感器。

优选地，所述进风管的进风口、排风管的出风口均固设有盖板。

优选地，所述保温层为XPS保温层，厚度为40～60mm；所述混凝土找平层厚度为20～30mm；所述防水层采用耐根穿刺防水卷材。

优选地，所述2号排水管内固设有液位传感器，所述液位传感器与管内温度传感器、室外温度传感器和排水阀电连接。

优选地，所述排水沟设置有坡度为2％。

作为本技术方案的进一步限定，所述防水层采用耐根穿刺防水卷材。

有益效果：由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、在夏季，由种植层、蓄水层和降温管组成的水冷系统以及开放空气间层的热交换性能联合作用，增大空气间层热阻，降低屋面整体的传热系数，起到隔热降温的作用；在冬季，由保温层和密闭的空气间层起到双重保温的作用。

2、空气间层两侧可拆卸的进风管和排风管能根据实时的气候状况进行安装，对于不同的风况做出不同的调整，能更充分地利用空气间层的热交换性能。

3、在水冷系统中加入温度传感器和液位传感器，并将其与排水阀电连接，实现自动给排水的效果，使其更加智能化。

4、通过空气间层作为保温层，在相同的保温效果下，能减少保温材料的使用，有效降低成本。

5、种植层可增加空气湿度并降低楼顶的聚热效应，减少夏季的制冷能耗，种植的植物在美化建筑的同时有一定的净化作用，能有效减少建筑碳排放。

6、屋面构造简单，便于施工，工程实际应用价值高。

附图说明

图1是本发明的屋面整体剖面图；

图2是本发明空气间层的热交换作用效果图；

图3是本发明水冷系统的细部构造图；

图4是本发明降温管铺设方式图。

图中，1-建筑屋面板，2-空气间层，3-混凝土底板，4-保温层，5-混凝土找平层，6-防水层，7-疏水板，8-蓄水层，9-种植层，10-排水沟，11-降温管，12-洞口，13-室外温度传感器，14-进风管，15-进、排风管盖板，16-导热塑料架，17-排风管，18-1号排水管，19-管内温度传感器，20-第一液位传感器，21-2号排水管，22-排水阀，23-T字型水管连接配件，24-排水孔A，25-滤网，26-排水孔B，27-出水孔，28-第二液位传感器。

具体实施方式

下面结合实例，进一步说明本发明。

参见图1-图4，本发明包括建筑屋面板1，建筑物屋面板1侧壁留有排水孔B26并设置有1号排水管18，建筑屋面板1顶部设置有空气间层2，空气间层2内部铺设有降温管11，降温管11内固设有管内温度传感器19，空气间层2两侧留有洞口12并安装有进风管14和排风管17，空气间层2外侧壁固设有室外温度传感器13，空气间层2顶部设置有混凝土底板3，混凝土底板3顶部设置有保温层4，保温层4顶部设置有混凝土找平层5，混凝土找平层5顶部设置有防水层6，防水层6上方设置有疏水板7，疏水板7顶部设置有蓄水层8，蓄水层8上方设有滤网25，滤网25顶部设置有种植层9，种植层9一侧留有排水沟10，排水沟10坡度为2％，排水沟10内留有排水孔B26，排水孔B26内设置有1号排水管18，1号排水管内固设有液位传感器，并通过T字型水管连接配件23与降温管11和1号排水管18接通。

1、水冷系统

水冷系统主要在夏季发挥功效。降雨时，雨水流经种植层9在浇灌植物后，通过滤网25进行过滤后进入蓄水层8，蓄水层8内的雨水进入降温管11后，通过降温管11对雨水进行冷却，进而对建筑进行降温。

2、空气间层

空气间层2在夏季和冬季起到不同的功效。夏季，将空气间层2的进风口和排风口打开，使流动的空气带走建筑的部分热量，发挥热交换性能，起到降温作用；冬季，将空气间层2的进风口和排风口都关闭，空气间层2处于一个密闭的状态，起到保温作用。

工作原理

1、水冷系统工作原理

通过蓄水层8收集雨水，并通过降温管11内灌注雨水，实现夏季时对屋面进行水冷降温，从而降低室内温度并减小制冷能耗，同时种植层9可增加空气湿度并降低楼顶的聚热效应，进一步减少夏季的制冷能耗，并且植物还对建筑碳排放起到一定的净化作用。

2、空气间层2工作原理

热交换工作原理：风压和热压为空气流动的动力。风压通风是自然通风的一种，由于迎风面空气压力增高，背风面空气压力降低，从而产生压差形成由迎风面流向背风面的空气流动；热压通风也是自然通风的一种，由室内外的空气温度差造成空气密度差，从而产生压差形成热气向上冷气向下的空气流动现象。

风压、热压计算公式：

1)风压

式中：p为风压，Pa；K为空气动力系数；v为风速，m/s；ρ_e为室外空气密度；g为重力加速度，m/s²。

由公式可知，风压的作用大小主要取决于风压差。本发明将进风口设置在正压区即迎风面，排风口设置在负压区即背风面，提高风压对于通风的作用效果。

2)热压

Δp＝h(ρ_e-ρ_i)(kg/m²)

式中：Δp为热压，Pa；h为进风口和排风口中心线之间的垂直距离，m；ρ_e为室外空气密度kg/m²；ρ_i为室内空气密度kg/m²。

由公式可知，热压作用的大小主要取决于室内外空气温差所造成的空气密度差，以及进风口和排风口的高度差。本发明在空气间层2两侧安装有可拆卸的Z字型进风管14和排风管17，并使得迎风面进风管14的进风口在背风面排风管17的排风口的下方，形成一定的高度差，从而提高热压对于通风的作用效果。

(2)保温工作原理：空气间层2在封闭情况下的传热过程和固体材料保温层4并不相同，固体材料保温层4主要是是以导热的方式来传递热量，而在空气间层2中导热、辐射和对流三种传热方式都存在。实际上，其传热过程是在空气间层2上下两个表面之间热转移的过程，包括辐射换热和对流换热。因此，空气间层2不会像实体材料保温层4一样，当材料的导热系数一定后热阻与厚度成正比。空气间层2的热阻取决于其上下两个界面上的空气边界层厚度以及界面间的辐射换热强度。因此，空气间层2热阻与厚度之间不存在正比关系。结合工程实际，厚度为80～150mm的空气间层2能有很好的保温效果。

3、水冷系统与空气间层2联合工作原理

在屋面中增加了空气间层2，且在空气间层2内铺设了降温管11，从空气间层侧壁管道进入的空气平行掠过降温管11，与管中水流进行换热，使得整个屋面增加了空气间层2热阻以及降温管11内水流和空气间层2内空气的对流换热阻，从而降低了整个屋面的传热系数，使屋面起到更好的隔热作用。

屋面水平空气间层2厚度在80mm以上时，热阻值为0.2(m²·K)/W。降温管11内水流和空气间层2内空气的对流换热阻R_d为：

Α_d为对流换热系数，W/(m²·K)；θ为空气间层2内空气温度，℃；β为降温管11内水流温度，℃。

因此，屋面整体(即指整个低碳环保屋面)的热阻R为：

h₁为屋面外表面空气对流换热系数，W/(m²·K)；h₂为屋面内表面空气对流换热系数，W/(m²·K)；δ_i为屋面第i层厚度，m；λ_i为屋面第i层导热系数，W/(m·K)，i的取值为1，2，3(1表示建筑屋面板、2表示混凝土底板3，3表示保温种植单元)。θ为空气间层2内空气温度，℃；β为降温管11内水流温度，℃；0.2为空气间层2热阻，(m²·K)/W。

屋面(即指整个低碳环保屋面)传热系数K为：

可以看出，在水冷系统和空气间层2的联合作用下，水和空气进行对流换热，增加了屋面整体的热阻，进而降低了屋面的传热系数。

工况

1、水冷系统工况：雨水通过种植层9后，经过滤网25过滤大颗粒杂质，由蓄水层8收集降雨，并引入排水沟10内，再经排水沟10内的排水孔B26流入排水管，打开1号排水阀并关闭2号排水阀，雨水被引入降温管11，雨水在降温管11内吸收建筑物的热量并和种植层9绿化共同降低室内温度，与此同时和空气间层2内空气进行对流换热，从而有效降低制冷能耗。室外温度传感器13对室外温度进行监控，在温度适宜建筑无需降温时，打开2号排水阀及时清空降温管11内雨水，避免制热能耗增大。管内液位传感器和管内温度传感器19实时监控水位和水温，及时换水或排水，通过上述操作有效管控建筑的制冷和制热能耗，从而有效降低建筑碳排放量。本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述降温管11外周环固有导热塑料，导热塑料的热传导效率高，在架设降温管11的同时有效增大热量传导速度，加强夏季降温效果。

2、空气间层2工况：通过风况安装进风管14和排风管17，将进风管14安装在迎风面，并将进风管14的上端口与空气间层2相接，将排风管17安装在背风面，并将排风管17的下端口与空气间层2相接，使进风口与排风口有一定的高度差。夏季高温时，打开进风管14和排风管17上的盖板，将空气间层2和室外空气连通，与降温管11内的水进行对流换热；冬季低温时，关闭进风管14和排风管17上的盖板，使空气间层2成为一个密闭空间，封闭状态下的空气腔可作为建筑围护结构的又一个保温层4，保温性能优越。

Claims (5)

1.一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，包括建筑屋面板（1）、混凝土底板（3）、空气间层（2）以及保温种植单元，所述建筑屋面板（1）的上方顺序设置有混凝土底板（3）、保温种植单元，其特征在于：所述空气间层（2）为设置在混凝土底板（3）与建筑屋面板（1）之间的下端敞口设置的半封闭空腔结构；空气间层（2）两侧留有洞口（12），且空气间层（2）的其中一侧洞口（12）安装有进风管（14），余下一侧洞口（12）安装有排风管（17）；进风管（14）、排风管（17）均为S形管，且进风管（14）的进风口在竖直方向上的投影位置位于排风管（17）的出风口在竖直方向上的投影位置下方；所述空气间层（2）内部铺设有降温管（11），侧壁留有排水孔A（24）并设置有2号排水管（21）；

所述保温种植单元包括种植层（9），所述种植层（9）设置在混凝土底板（3）上方，且种植层（9）一侧设置排水沟（10），所述排水沟（10）内留有排水孔B（26），所述排水孔B（26）内设置1号排水管（18），所述1号排水管（18）通过T字型水管连接配件（23）分别与降温管（11）和2号排水管（21）对应接通；

所述低碳环保屋面的传热系数K满足：；

式中：h ₁ 为低碳环保屋面外表面空气对流换热系数，W/(m²·K)；h ₂ 为低碳环保屋面内表面空气对流换热系数，W/(m²·K)；为低碳环保屋面的第i层厚度，m；λ _i 为低碳环保屋面的第i层导热系数，W/(m·K)，i的取值为1，2，3；i=1表示建筑屋面板，i=2表示混凝土底板，i=3表示保温种植单元；θ为空气间层内空气温度，℃；β为降温管内水流温度，℃；0.2为空气间层热阻，（m²·K）/W；

所述保温种植单元还包括保温层（4）、混凝土找平层（5）、防水层（6）、疏水板（7）、蓄水层（8）以及滤网（25），保温层（4）、混凝土找平层（5）、防水层（6）、疏水板（7）、蓄水层（8）以及滤网（25）依次设置在混凝土底板（3）与种植层（9）之间；所述的建筑屋面板（1）为现浇钢筋混凝土屋面板，厚度为80～160mm；

所述蓄水层（8）内设置有出水口（27）以及第二液位传感器（28）；

所述T字型水管连接配件（23）在与所述降温管（11）的接口处设置有排水阀（22）；所述降温管（11）外环固有与建筑屋面板（1）抵接的导热塑料架（16）,内部固设有管内温度传感器（19）；

所述进风管的进风口、排风管的出风口均固设有盖板（15）；

所述2号排水管内固设有第一液位传感器（20），所述第一液位传感器（20）与管内温度传感器（19）、室外温度传感器（13）和排水阀（22）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，其特征在于：所述1号排水管（18）、2号排水管（21）以及降温管（11）的直径为32～40mm，1号排水管（18）、2号排水管（21）为不锈钢复合管。

3.根据权利要求2所述的一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，其特征在于：所述的空气间层（2）厚度为80～150mm，空气间层（2）外侧壁固设有室外温度传感器（13）。

4.根据权利要求3所述的一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，其特征在于：所述保温层（4）为XPS保温层，厚度为40～60mm；所述混凝土找平层（5）厚度为20～30mm；所述防水层（6）采用耐根穿刺防水卷材。

5.根据权利要求4所述的一种基于水冷和热交换的低碳环保屋面，其特征在于：所述排水沟（10）设置有坡度为2%。