1.1 研究背景
“十二五”期间，住房和城乡建设领域科技发展规划战略研究的重点之一：既有建筑改造成套技术与功能提升。“十三五”期间，我国将在“十二五”的基础上大力推动建筑节能和绿色建筑，稳步提高建筑节能水平，促进绿色建筑发展[2]。我国既有建筑物数目庞大，据不完全统计，中国目前的既有建筑总面积已达 600 亿平方米左右[3]。因此，开展对既有建筑的节能改造工作，是完善建筑节能体系的一个重要组成部分。屋面隔热保温改造是建筑节能改造中非常重要的一部分。众所周知，屋面受到的太阳直接辐射最强且作用时间最长，因而屋面得热量在顶层房间总得热量中占有较大的比例(一般在 40%左右)[4]。对大面积的低层建筑物，夏季从屋面进入室内的得热量往往占总围护结构得热量高达 70%以上[5]。夏季室温比中间房间高2~3℃，内顶比下部房间高 2~4℃，感觉如蒸笼炙烤，顶层房间的宜居性较差[6]。课题组现场测试了位于绵阳市的一栋竣工年代较短的次新居住建筑，测试结果表明顶层房间温度的分布情况，室内温度随着环境温度的升高而升高，测试期间室内平均温度始终高于室外平均温度；同时，热量的传递存在一定的延迟，当室外温度降低后，室内温度继续保持高温的现象，顶层房间各个测点的测试结果详见图 1-1。因此，强化屋顶的换热和改善屋顶的隔热能力有利于改善顶层房间的室内热环境，提高室内热舒适性，节约空调能耗。Fanger 教授通过实验证明了热屋面形成的相对热辐射面最易造成人体不舒适[7]。据测算，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[8]。而在冬季因为保温的问题，顶层房间处于采暖不利条件，温度也会低于下面楼层的房间。因此，做好屋面的隔热与保温，对于提高顶层房间室内热舒适性，减少空调采暖能耗有着不可或缺的作用。总而言之，通过减少通过屋面的向室内传热量（或室内向室外的散热量），能够有效降低室内空调运行费用。
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1.2 研究目的和意义
减少屋面传热的传统方法一般包括：增加屋面保温层厚度、加设反射涂料或者浅色屋面瓦减少屋面对太阳能的吸收、加装遮阳设施等措施。减少屋面传热非传统的做法是屋面蓄水蒸发降温，也已经有很长的应用历史。屋面蓄水是屋面保温隔热改造的重要方法之一，水对太阳辐射有一定的反射作用，热稳定性和蒸发散热性较好。蓄水屋面就是在刚性防水屋面上蓄一层水,其目的是利用水蒸发时,带走大量水层中的热量,大量消耗晒到屋面的太阳辐射热,从而有效地减弱了屋面的传热量和降低屋面温度,是一种较好的隔热措施,是改善屋面热工性能的有效途径。但在夜间屋顶蓄水后的外表面温度始终高于无水表面，不但不能利用屋顶散热，相反却向室内传热；屋面蓄水的同时也增大了屋顶荷载，对下部结构和抗震性能不利。蓄水屋面的温度和热流振幅大小由水层深度和地区气候条件决定，水层越深振幅越小，而要想获得较大的波动振幅以利于夜间散热，宜取浅水层，充分利用蒸发冷却原理，改善室内热舒适性，达到真正意义的建筑屋面节能。
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2 蓄水砖蒸发冷却屋面的理论分析
2.1 蒸发冷却理论
蒸发过程究其本质就是液体由液相变为气相的过程，该过程称为汽化。汽化通常又有蒸发与沸腾两种形式。蒸发是指液体表面的汽化过程，通常在任何温度下都可以发生，沸腾是指液体内部的汽化过程，它只能达到沸点温度后才能发生。从微观上说，汽化就是液体分子脱离液面束缚，跃进气相空间的过程。由于分子跃离液面不仅需要克服界面表层液体分子的引力作用，而且还要扩大体积占据气相空间而做功，故汽化过程需要吸收热量。汽化速度取决于液体温度的高低。蒸发冷却是一种通过气温下降的方式来冷却空气的方法，如当水遇到流动的热空气时，液体受热发生汽化，由液态变为气态，吸收潜热从而使空气冷却。日常遇到的蒸发现象都是在自由空间中进行的，液面以上的空间中不仅有蒸汽分子，还有大量其他气体。蒸汽分子的密度很小，因而分压力低，其汽化速度往往大于凝结速度，宏观上表现为汽化过程。因此，提高液体温度、增加蒸发表面积和加速液面通风都将提高蒸发速度。蒸发冷却的实质是传热和传质过程[40]。当气体流过液体表面时就会发生如图2-1 的过程。蒸发发生在液体的表面上，与这个相变过程相关的能量是液体的蒸发潜热。当表面附近的液体分子受到碰撞，使得其能量得到提高到足以克服表面束缚能量时，蒸发就发生了。维持蒸发所需的能量必定来自液体的内能，因此，液体的温度会降低（冷却效果）。然而，如果要维持稳定状态，液体由于蒸发所损失的潜热必须靠周围环境传给它的能量来补充，忽略辐射影响，这种传递可能来自对流传来的气体显热或其他方式，如果浸没在液体中的电加热器的加热。
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2.2 蓄水砖蒸发冷却屋面隔热原理
夏季，屋面受到的太阳直接辐射最强且作用时间最长，在屋面上铺设蓄水砖，能有效降低从外界向室内的传热量。蓄水砖屋面的具体传热过程示意图见图 2-2。太阳辐射作用在蓄水砖盖板上，其中一部分热量被盖子外表面反射回大气环境中，另一部分热量被盖子吸收而使蓄水砖盖子温度升高，同时蓄水砖盖子也向大气环境中辐射散热。除此以外，当室外空气温度低于蓄水砖盖子外表面温度，空气会以对流的形式带走部分蓄水砖盖子表面热量，使盖子温度降低；反之，当外界空气温度高于蓄水砖盖子外表面温度，空气则会通过对流形式向蓄水砖外表面进行传热。因此，在热量接受阶段，主要以辐射和对流的方式共同进行热交换。
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3 蓄水砖屋面的冷负荷衰减特性分析.......... 24
3.1 房间的冷负荷组成........ 24
3.2 屋面衰减度和延迟时间的理论计算....... 24
3.3 蓄水砖屋面冷负荷衰减算例分析............ 29
3.4 蓄水砖冷负荷衰减规律.......... 32
3.5 蓄水砖屋面实测室温变化...... 34
3.6 本章小结...... 35
4 蓄水砖屋面实验测试与分析..... 36
4.1 实验介绍....... 36
4.2 实验方案...... 38
4.3 夏季蓄水砖屋面隔热性能测试分析....... 41
4.4 冬季蓄水砖屋面保温性能测试分析....... 47
4.5 蓄水砖湿迁移测试分析......... 53
4.6 本章小结...... 54
5 蓄水砖屋面 De ST 能耗模拟....... 56
5.1 软件比较...... 56
5.2 模型建立...... 56
5.3 参数设定....... 58
5.4 建筑能耗结果分析........ 59
5.5 本章小结...... 63
5 蓄水砖屋面 De ST 能耗模拟
建筑传热过程是一个复杂的动态过程，受到环境气候条件的影响，因此，要精准预测建筑的能耗存在一定难度。建筑能耗模拟软件将实际复杂的建筑物进行简化，辅助实验者分析建筑能耗和建筑性能。建筑能耗模拟现已成为评价建筑能耗水平、研究建筑能耗特性、预测建筑能耗趋势的强有力工具[50][51]。本章利用 De ST建筑能耗模拟软件对蓄水砖屋面与普通屋面顶层房间进行能耗预测，为蓄水砖屋面的节能效应提供依据。
5.1 软件比较
目前主流的软件有美国的 Energy Plus、DOE-2 以及中国的 De ST 软件等。就房间负荷计算而言，DOE-2 采用反应系数法求解房间不透明维护传热，冷负荷洗漱法计算房间负荷和房间温度；DOE-2c 采用固定的对流辐射综合换热系数考虑围护结构内表面的对流换热和长波互辐射换热。De ST 采用状态空间法计算不透明围护传热，一次性求解房间的传热特性系数，在求解过程中考虑房间内表面之间的长波辐射换热以及空气的对流换热，从而保证房间的热平衡，换言之，De ST 采用固定的对流换热系数来分别计算围护结构内表面的对流换热系数和长波互福射换热。而 Energy Plus 采用集成同步的负荷、系统、设备模拟方法；Energy Plus 中对流换热系数随时间步长变化，从而使其模拟结果与真实情况下更加接近。总而言之，在建筑能模拟中，Energy Plus 和 De ST 严格保证了房间的热平衡，DOE-2 则相反，DOE-2 和 De ST 只能处理现行定常系统，不能处理围护结构表面对流换热系数、导热系数随时间变化的情况，而 Energy Plus 在此方面突破了这种局限[52]。另外，De ST 软件按照其应用的范围开发了 De ST-C 和 De ST-h 两个版本，分别用于商业建筑和住宅建筑，使其按照功能用途更加精准的模拟建筑能耗。本论文基于上述综合比较，选择 De ST 软件进行建筑能耗模拟，研究蓄水砖屋面的节能情况。
结论
本论文通过前期的理论分析、中期的实验测试研究以及后期的建筑能耗分析，得到结论如下：
（1) 研究蓄水砖这种特殊形式在冬夏两季的隔热保温性能。夏季，在屋面外表面铺设蓄水砖能明显的起到隔热的作用，能够有效地降低屋顶外面温度；冬季，在屋面上进行铺砖后，屋面表面温度数值上相对有所下降，但二者差值较小，因此蓄水砖屋面与普通屋面效果相近。
（2) 研究水深对屋面蓄水砖隔热性能影响。实验表明:夏季，当蓄水深度h=0cm、h=4cm、h=8cm、h=12cm 下屋面温度平均值分别为 26.9℃、26.5℃、26.4℃、26.3℃，蓄水深度为 12cm 屋面平均温度最低，但随着深度的增加，其屋面温度的变化差值在逐渐缩小，考虑道蓄水量对屋面承载负荷的影响，选定 8cm 蓄水深度为最优值；冬季，蓄水砖下屋面的温度随着蓄水深度的增加而逐渐升高，蓄水深度为 h=12cm、h=10cm、h=8cm、h=6cm 下屋面温度在夜间平均值分别为 8.6℃、8.4℃、8.1℃、7.7℃，蓄水深度为 12cm 屋面平均温
