多种型式防水屋面的成本效益对比分析

多种型式防水屋面的成本效益对比分析
魏道江1，2，叶建军1，李慧云1，康承业2，3，李恒威1
（1．襄樊学院，湖北襄阳441053；2．西安建筑科技大学，陕西西安710055；3．中国冶金科工集团有限公司，北京100028）

0 引言
屋面作为建筑物的重要组成部分，除了应具有一定的荷载承受能力外，还应具有良好的外围护功能。有研究表明，由屋面造成的室内外温差传热耗热量，大于任何一面外墙或地面的耗热量[1]。由此可见，改善屋面的保温隔热性能，对改善建筑顶层室内热环境具有重要的意义。根据屋面的保温隔热型式不同，可以将屋面分为普通平屋面（卷材防水、涂膜防水和刚性防水）、坡屋面、架空隔热屋面、蓄水屋面、倒置式屋面和种植屋面。几种型式的屋面各具有不同的特点，很难简单地评判孰优孰劣。目前，已有杨子江[1]、钱鹏[2]、黄夏东[3]等对这几种屋面进行过系统地比较，但主要是定性的特征性比较，对成本效益方面涉及甚少。本文在前人研究的基础上，以每种屋面常见的工艺做法为例，剖析了它们的成本构成及节能效益，以期能为屋面改造决策方面的工作提供有价值的参考。

1 不同型式屋面的成本效益分析
在进行正式比较论述之前，先作几个说明：（1）本文所列的每种屋面施工工艺均是比较常见的一般工艺做法；（2）每种屋面的成本仅为直接工程费；（3）每种屋面的节能效益只考虑夏季的空调耗能，电价以0.5 元/kW·h 计算。
1．1 普通平屋面
普通平屋面根据所选防水材料的不同，分为卷材（柔性）防水平屋面、刚性防水平屋面和涂膜防水平屋面。本文选择卷材防水平屋面为例，对其进行成本效益分析。普通的卷材防水平屋面的构造由下至上依次为：结构层→找平层→隔气层→保温层→找平层→防水层。普通平屋面的做法及荷载见表1，造价按照湖北省建筑工程预算定额（2008 版）。

查得水泥膨胀珍珠岩的导热系数为0.16 W/（m·K），水泥砂浆的导热系数为0.93 W/（m·K）。由此换算得到本屋面工程整体传热系数为0.856 W/（m2·K），根据王厚华等[4]的研究成果，用插值法得到该屋面的年空调能耗为43.4 kW·h/m2，得到本工程每年的空调用电费用为21.70 元/m2。通过对襄阳市10 个小区进行走访调查发现，按本工程类似施工工艺设计的卷材防水屋面，投入使用后4 年内只有个别建筑屋面进行了维修，而5~10 年期间基本上都发生过维修，单次维修费用为15~45 元/m2。为方便计算比较，取5~10年间的单次维修费用为30 元/m2，维修周期为3 年。
1．2 架空隔热屋面
架空隔热屋面是指在已经做好防水层的屋面上，架设平板通风隔热层，并设置通风屋脊，设置进风口等，使屋面不被太阳直射，并通过隔热板和屋面之间的空气间层进行隔热和节能的屋面。其构造由下至上依次为：结构层→砂浆找平层→防水层→砂浆找平层→预制隔热板。试验表明，屋顶内表面的最高温度随架空层的高度变化而变化。架空层过小则隔热效果不显著，如果空气间层逐渐增大，则屋顶内表面温度逐渐降低，但增加到一定程度后，降温效果逐渐减缓。一般架空高度以100~300 mm 为宜。本文架空屋面选用预制混凝土隔热板（495 mm×495 mm×30 mm）隔热，架空高度为300 mm。架空隔热屋面的造价见表2。

查得钢筋混凝土的导热系数为1.74 W/（m·K），空气层的热阻为0.15（m2·K）/W，计算得本屋面工程的整体传热系数为0.737 W/（m2·K）。按文献[4]计算得本屋面的年空调能耗为40.70 kW·h/m2，得到每年的空调耗电费用为20.35 元/m2。因为架空隔热板阻止了太阳对防水层的直接辐射，从而能够有效地延长防水层的使用寿命。据有关资料表明[2]，架空隔热屋面能够延长防水层寿命5 年左右。另外，对襄阳市内7栋住宅建筑的架空隔热屋面进行实地调查发现，架空隔热屋面的单次维修费用一般为5~15 元/m2，维修周期为3 年。为便于计算，本文取单次维修费用为10 元/m2。
1．3 坡屋面
本文讨论的坡屋面是指在建筑结构许可条件下，将多层住宅平屋面改建成的坡屋面。其构造由下至上依次为：结构层→砂浆找平层→保温层→防水层→保温层→屋架→面瓦层。本文选择的坡屋面采用轻钢结构屋架与屋面圈梁锚固连接，上铺彩色水泥瓦（420 mm×330 mm）。此坡屋面工程的做法、荷载及造价见表3。

查得水泥瓦的导热系数为0.87 W/（m·K），聚苯板的导热系数为0.042 W/（m·K），算得本屋面工程的整体传热系数为0.27 W/（m2·K），按文献[4]得该坡屋面的年空调能耗为29.90kW·h/m2，得到该坡屋面每年的空调耗电费用为14.95 元/m2。根据新的住宅节能标准，对原屋面新做了60 mm 厚的聚苯板保温层的坡屋顶，设计使用年限不低于30 年[5]，本文取坡屋面使用寿命为30 年。另外，考虑檐沟防水需定期维修或重做，单次维修费用为6.25 元/m2，维修周期一般为5 年[6]。

1．4 倒置式屋面
倒置式屋面是指将传统屋面构造中的保温层与防水层的位置颠倒，把保温层放在防水层之上的屋面[7]。其构造由下至上依次为：结构层→找坡层→砂浆找平层→防水层→保温层→保护层。这样做的好处是可以通过保温层的保温隔热作用，减小由于温度应力导致的防水层老化问题，从而延长了防水层的使用寿命。倒置式屋面要求保温层必须是“憎水性”保温材料。工程中常用的保温材料如水泥膨胀珍珠岩、水泥蛭石、矿棉岩棉等都是非憎水性的，这类保温材料如果吸湿后其导热系数将陡增，从而起不到对防水层保温隔热的目的。所以，以上保温材料不能作为倒置式屋面的保温层。目前，倒置式屋面的保温层常采用挤压聚苯乙烯板。该材料内部为闭孔结构，具有极低的吸水率、耐久性强和强度高等特点。若选择80 mm 厚高炉炉渣为找坡层，采用20 mm 厚1∶3水泥砂浆找平，4 mm 厚APP 改性沥青卷材防水层，80 mm 的挤压聚苯乙烯板保温层，选用预制装饰混凝土板（450 mm×450 mm×50 mm）作为保护层。倒置式屋面的做法、荷载及造价见表4。

查得高炉炉渣的导热系数为0.26 W/（m·K），算得本屋面工程的整体传热系数为0.44 W/（m2·K）。按文献[4]算得倒置式屋面的年空调能耗为33.77 kW·h/m2，得到倒置式屋面每年的空调用电费用为16.90 元/m2。据李承刚[8]的试验观测，在夏季，室外气温为60 ℃时，采用倒置式屋面的防水层表面温度为29.6 ℃，而传统屋面防水层的表面温度为58.6 ℃。在冬季，室外气温为-20 ℃时，采用倒置式屋面的防水层表面温度为18.4 ℃，而传统式屋面防水层的表面温度-18.3 ℃。由此可见，采用倒置式屋面对屋面防水层的保护作用很明显。据有关资料显示[9]，倒置式屋面可延长防水层的使用寿命2~4 倍。本文取倒置式屋面的使用寿命为30 年，但聚苯板的使用寿命一般为10～15 年。所以，本文假设聚苯板使用10 年更换1 次，费用为100 元/m2（含对原保温层揭除、清理费用），并考虑到定期对檐沟防水的维修或重做，维修费用取6.25 元/m2，维修周期为5 年。
1．5 蓄水屋面
蓄水屋面就是在屋面防水层上蓄一定高度的水，起到隔热作用的屋面。按蓄水深度的不同，可以将蓄水屋面分为：深蓄水屋面（蓄水深度大于600 mm）和浅蓄水屋面（蓄水深度在600 mm 以内）。试验表明，屋面温度随蓄水深度变化而变化，但蓄水深度超过一定程度则降温效果不明显，且蓄水过深，使屋面静荷载增加，将会增加结构设计难度。一般水深50 mm即可满足理论要求，但实际使用中以150～200 mm 为宜[10]。如果在屋面上蓄水200 mm，其屋面做法、荷载及造价见表5。

取水的导热系数为0.58 W/（m·K），1∶8 水泥珍珠岩的导热系数为0.16 W/（m·K）。算得本屋面工程的整体传热系数为0.65W/（m2·K），按文献[4]算得该蓄水屋面的年空调能耗为38.9kW·h/m2。得到蓄水屋面每年的空调耗电费用为19.45 元/m2。蓄水屋面通过蓄水的蒸发能及时地将太阳辐射热量带走，减缓了整个屋面的温度变化，从而有效延长了屋面防水层的使用寿命。本文取蓄水屋面的使用寿命为30 年。另据有关资料显示[11]，蓄水屋面10 年维修1 次，维修费用平均为25元/m2。但是，蓄水屋面也有很大的局限性：（1）它对结构承受的荷载要求较高，一般既有建筑很难满足荷载要求；（2）蓄水屋面一般用于南方气候炎热的地区，我国北方地区冬季寒冷不宜采用；（3）我国很多地区由于夏天天气炎热，水的蒸发量较大，日平均蒸发量在9 mm 左右[1]，若无降水期长达30~50 d，可蒸发掉水深270~450 mm。所以，蓄水屋面一般须考虑给水费用。根据对苏州[12]、广州等地区的5 个蓄水屋面进行调查，得到蓄水屋面每年的给水费用为9.4 元/m2。
1．6 种植屋面
种植屋面是指在屋面防水层上铺以种植介质，并种植植物的屋面。借助栽培介质和植物吸收阳光进行光合作用并遮挡阳光，从而达到隔热降温的目的。根据种植屋面覆土厚度，可以将种植屋面分为：重型（深式）种植屋面、中型（浅式）种植屋面、轻型（简单式）种植屋面。重型（深式）种植屋面：覆土厚度大于200 mm，可选择包括灌木、小树木在内的多样化植被，形成复杂生态系统，一般同时作为多功能上人娱乐活动屋面，饱和情况下结构上的负荷一般在300 kg/m2 以上。中型（浅式）种植屋面：覆土厚度为100~200 mm，可种的植被包括草本植物、牧草等，饱和情况下结构上的负荷一般为150～300 kg/m2。轻型（简单式）种植屋面：覆土厚度小于100 mm，可种的植被包括草本植物、牧草等，饱和情况下结构上的负荷一般在150 kg/m2 以下。本文选择轻型种植屋面进行分析，其构造组成由下至上依次为：找平层→防水层→保温层→找平层→保护层→排、蓄水层→隔离层→种植层。
根据湖北省建筑工程预算定额、园林预算定额，算得此种植屋面工程的造价见表6。

根据叶建军等人[13]的研究，采用本工程方法配制的种植基材，饱和状态的导热系数可近似取为0.35 W/（m·K），混凝土的导热系数为1.74 W/（m·K），聚苯板的导热系数为0.042W（/ m·K）。算得本屋面工程的整体传热系数为0.313W（/ m2·K）。由[4]得该种植屋面的年空调能耗为30.8 kW·h/m2，得到种植屋面每年发生的空调耗电费用为15.40 元/m2。有研究显示，裸露屋顶表面年最大温差为58.2 ℃，而种植屋面表面年最大温差仅为29.2 ℃，种植屋面与裸露屋顶的年最大温差相差29 ℃[14]。说明植被屋顶保温隔热效果较为明显，温度波幅明显减小，这样可以有效延长屋面防水层的使用寿命。本文假设种植屋面的防水层使用寿命为30 年。另外，表6 种植屋面的做法、荷载及造价分析根据张琛麟[15]等人提供的统计资料显示，种植屋面的年养护成本为5 元/m2。考虑到定期对檐沟防水的维修或重做，维修费用取6.25 元/m2，维修周期为5 年。
2 几种屋面综合比较
将6 种屋面的成本效益情况汇总，见表7。

取银行贷款年利率为5％，计算周期为30 年，算得6 种屋面的等额年费用分别为：42.92、39.46、34.24、35.18、40.97 和39.12 元/m2。得出以下结论：
（1）从屋面对结构的荷载要求上来看，传统的卷材防水屋面和倒置式屋面对结构荷载的要求较小，一般建筑很容易满足。而蓄水屋面对荷载的要求最高，特别是在对既有建筑屋顶改造时应慎重选用。
（2）坡屋面折算后的等额年费用最低，这说明从屋面节能的角度来比较，坡屋面是最经济的屋面型式，这也是为什么在我国很多城市掀起“平改坡”热的原因。
（3）从等额年费用来看，种植屋面并不是最节能的屋面型式。但是，种植屋面还具有减小城市热岛效应、降低城市噪声、吸附污染物、吸收二氧化碳释放氧气等生态效益，以及美化城市、减少城市内涝、为人们提供更多的休闲活动场所等社会效益。按张琛麟[15]等人提供的资料：屋顶绿地每年的固碳经济价值为41.02 元/m2，释氧的经济价值为42.34 元/m2，吸收毒气的价值为0.0037 元/m2，降尘效益为0.084 元/m2，涵养水源效益为0.10 元/m2。合计种植屋面的生态及社会效益为83.55 元/m2，这是其它几种屋面所不能比及的。所以，如果从节能环保角度综合考虑，种植屋面则是当之无愧的最优型屋面。