零碳社区 | 老旧小区被动式建筑改造策略模拟 - 零碳社区

【摘要】老旧小区建造之初，节能环保的设计理念并未成为设计依据与遵循标准。调研结果显示，兰州老旧小区在室内热环境与建筑节能等方面存在问题，不符合绿色发展的要求。因此，如何在满足居民对室内热环境需求的同时，尽可能地降低建筑能耗，便成为老旧小区改造的一大问题。文章运用Climate Consultant软件对兰州当地气候数据进行分析，并结合老旧小区现状问题得出适应当地气候的被动式建筑改造策略，最后通过DeST-h软件对策略进行定量模拟。结果显示，在保温、外窗、遮阳、通风等方面采取的被动式改造措施，能保证室内热环境舒适度的前提下有效降低建筑能耗。同时，对单一被动式改造策略与组合被动式改造策略的定量模拟，可为当地老旧小区改造提供参考与借鉴。

【关键词】气候数据；老旧小区；被动式改造策略；软件模拟

兰州市在1980—1990年兴建了大量拥有集合式住宅的老旧小区。由于当时整体设计水平与建筑技术有限，加之年代久远，这些房屋开始出现建筑性能退化，已经无法满足居民的需求。2019年6月19日，国务院常务会议提出部署推进城镇老旧小区改造，顺应群众期盼改善居住条件的议题，会议认为，加快改造城镇老旧小区，群众愿望强烈，是重大民生工程和发展工程[1]。兰州市政府也在不断探索与推进老旧小区改造的新模式，旨在解决老旧小区日益突出的问题。

目前老旧小区改造研究已经受到学者们的重视，相关研究已由案例分析向设计施工[2]与改造评价体系构建[3]等方面推进。但在研究内容上，缺少结合气候分析的节能改造策略研究；在研究方法上，缺少对策略的定量模拟。故本研究采用Climate Consultant软件，通过对兰州市气候数据的分析，结合老旧小区现状问题得出被动式改造策略。同时，运用DeST-h软件对改造策略进行模拟分析，为当地老旧小区改造提供参考与借鉴。

1 被动式设计与老旧小区改造的适配性

1.1 兰州老旧小区存在的问题

通过对兰州市1980—1990年建成的多个老旧小区进行实地走访调研，发现存在保温层缺失、外窗老旧、楼梯间开敞、建筑通风差等问题（见图1）。

图1　现状照片（图片来源：作者自摄）

（1）保温缺失。调研发现，兰州老旧小区由于建成年代久远，受限于当时的设计标准并未设置保温层，砖墙体与屋顶直接与室外空气接触。夏季，室外热量向室内传递，室温快速升高；冬季，房间又会迅速流失热量，导致室温下降。为维持室内热环境的舒适度，居民需要大量依靠电器，增加了建筑能耗，造成了能源浪费。

（2）外窗老旧。老旧小区内建筑的外窗构件多为木质或钢质，由于没有采取断桥处理，加之年代久远，外窗发生形变，其在保温隔热性与气密性等方面均存在较大问题。外窗也成为围护结构的薄弱环节。

（3）楼梯间开敞。兰州老旧小区楼梯间多为开敞式设计，不设门窗。而设置外窗与单元门的楼梯间也因缺乏维护与修缮，破损严重。这就导致冬季楼梯间的温度较低，从而影响了居民室内温度，使采暖能耗增加。

（4）建筑通风差。在实地调研中发现，许多旧建筑在布局时并未考虑朝向与夏季主导风向的关系，同时还存在建筑密度大、楼间距小等问题。这导致老旧小区内部空气流动差，也影响了建筑通风。

1.2 被动式设计在改造中的运用

被动式设计是指通过建筑设计而非机械设备干预创建舒适室内热环境的技术[4]。由于被动式设计技术有热舒适度高、适应性强、节能环保、运行成本低等优点，近年来被广泛应用于建筑改造中。被动式设计可以通过场地再设计、建筑内部空间重组、围护结构保温性能提升、门窗改造、遮阳设计等手段，最大限度地利用光、热、风等自然资源，营造舒适室内热环境，降低建筑能耗。

被动式设计策略可以广泛地应用于老旧小区改造中，不但能解决老旧小区面临的问题，提升室内热环境舒适度，而且对环境影响小，稳定可靠，易于维护管理，更可以降低居民生活成本。

2 老旧小区被动式改造策略分析

老旧小区的被动式改造过程中，需要尽可能减少建筑能耗并营造舒适的室内热环境，这离不开对当地气候的全面分析。本研究所采用的兰州当地气象数据全部来源于气象分析软件Energy plus（https://www.Energyplus.net/weather）。将气象数据导入气候分析软件Climate Consultant中，除了可以把气象数据转化为易于理解的图示语言，还可以得到20条基于当地气候的被动式设计策略。将被动式设计策略与老旧小区改造的现状及问题相结合，人工筛除不适宜的策略，最后提出保温改造、外窗改造、遮阳改造、通风改造等针对兰州老旧小区的被动式改造策略。

2.1 保温改造

兰州市所处气候分区为Ⅱ类，属于寒冷A区[5]。如图 2所示，兰州冬季温度普遍低于舒适区间，最冷月1月平均低温可达-10 ℃。在满足建筑内部主动得热的前提下，减少热量的损失就是改造面临的主要问题。因此，需在外墙与屋顶增设保温层，增加墙体的导热热阻，从而减少冬季由室内向室外传递的热量。

图2　温度范围和舒适区（图片来源：作者自绘）

2.2 外窗改造

如前所述，兰州市冬季气候寒冷，但兰州地区太阳辐射强度大，即使冬季，最高每小时水平面总辐照量也可达到474 Wh /㎡（见图3）。针对当地冬季低温、高辐射的气候条件，可对建筑外窗进行更换。在冬季，节能外窗可以保证太阳辐射进入室内并减少热量由窗向室外的流失。同时，楼梯间更换节能外窗，也可增加建筑整体气密性。

图3　兰州地区水平面总辐射量3D图（图片来源：作者自绘）

2.3 窗户遮阳

由图3可见，兰州市全年有14％的时间每小时水平面总辐照量在316~474 Wh/㎡，11%的时间每小时水平面总辐照量大于474 Wh/㎡。通过Climate Consultant软件分析，兰州市有6.9%的时间需要采取窗户遮阳措施。可设置水平遮阳板，解决光热矛盾。

2.4 通风改造

建筑室内热环境舒适度受温度、湿度及风速的影响[6]。兰州市空气湿度较高（见图4），全年有42％的时间相对湿度大于80％。当温度升高时，需要采取通风措施，提高室内热环境的舒适度。

图4　兰州地区相对湿度3D图（图片来源：作者自绘）

自然通风主要依靠建筑室内外存在的风压[7]。针对兰州老旧小区的实际情况，首先可将封闭式围墙改为可透风式，提高通风率；其次可以在老旧小区内增植绿化，利用植物蒸发作用吸收热量，使绿化与建筑间形成温差，从而增强空气流动；最后对受街道或地形影响而无法面向夏日主导风向的建筑，可结合导风板，将自然风引入室内。

3 被动式改造策略定量模拟

实施策略定量模拟的思路是选取一个确定的典型住栋，结合上文提到的改进措施，运用DeST-h软件进行单项改造策略模拟计算，从而验证策略的有效性。最后，将单项改造方案进行整合，与改造前的典型住栋进行能耗对比，验证被动式改造策略组合的有效性。

本研究选取局机关家属院2号楼作为典型住栋，建筑基本信息见表1。在参数设置时，采取控制变量的方法，仅对改造参数进行调整，其余参数保持不变。

表1 住栋概况

3.1 保温改造策略模拟

内保温、夹心保温和外保温是外墙保温的三种主要形式[8]。外墙外保温技术是在墙体外侧施加保温材料，相比于其他两种形式效率高且便于施工，故选用此种形式。屋面保温主要有平屋顶改坡屋顶与增加保温层两种改造形式，但老旧小区屋顶荷载有限，且平改坡的方式成本高、实施难度较大，故选用增加保温层的方式。目前常见用于改造的保温材料有膨胀聚苯板（EPS）、挤塑聚苯板（XPS）、泡沫混凝土与膨胀珍珠岩等，结合经济因素选择挤塑聚苯板（XPS）和膨胀聚苯板（EPS）作为增设保温层的材料，并分别提出三种厚度方案，运用DeST-h软件进行模拟验证。

由表2、表3可以看出，当建筑增设保温层时，虽然建筑冷负荷有所上升，但建筑热负荷及总负荷降幅明显，保温层厚度的增加会进一步降低建筑总负荷。在同等厚度的情况下，挤塑聚苯板（XPS）的节能效率更高。

表2 全年累计负荷及相对节能率（EPS）

表3 全年累计负荷及相对节能率（XPS）

3.2 外窗改造策略模拟

外窗节能在整个建筑节能中的占比可达40%[9]。外窗改造不但可以改善建筑光热矛盾，同时也能提升建筑隔音性与气密性。本研究在进行被动式改造策略验证时，选择普通中空玻璃与真空+镀 low-e膜玻璃。

通过模拟发现，两种节能窗均可以大幅度降低建筑总负荷。真空+镀 low-e膜玻璃传热系数低，保温能力强，虽然会阻隔更多的太阳辐射，但总体来讲，热负荷的节能效果优于普通中空玻璃。但在兰州市的夏季，传热系数低不利于夜间室内向室外散热，所以真空+镀 low-e膜玻璃会造成冷负荷上升（见表4）。

表4 全年累计负荷及相对节能率（外窗）

3.3 遮阳改造策略模拟

合理的遮阳措施可以在不影响室内采光的前提下，降低建筑冷负荷，从而提高节能效率[10]。在兰州地区，南侧窗户布置外遮阳的方式在夏季能遮挡大部分的太阳辐射。本研究选取300 mm、600 mm、900 mm的固定式水平遮阳板和900 mm可调节水平遮阳板进行测试验证。

在建筑南侧增加遮阳板，夏季可以阻挡太阳直射，从而降低冷负荷需求。由表5可知，固定式遮阳板会造成建筑热负荷的增加，从而增加建筑总负荷。所以需设置水平可调节遮阳板，保证住户5月到10月的遮阳需求，并避免冬季太阳辐射遮挡。

表5 全年累计负荷及相对节能率（遮阳板）

3.4 通风改造策略模拟

在实际调研中发现，兰州老旧小区场地环境各异，而上述关于通风的被动式改造策略，其作用原理都是通过改变建筑室内外的风压差，从而增加建筑的进风量。在DeST-h软件中进行策略模拟时，通过设定模型室内外换气次数，来控制建筑的进风量，从而模拟通风对建筑能耗的影响[11]。

由表6可知，当建筑通风改善时，冷负荷会明显下降。这是因为兰州市夏季昼夜温差较大，夜晚进风量的增加会带走室内多余的热量。但进风量的增加也会对建筑的保温提出更高的要求。综合分析，建筑的通风改造策略会提升建筑总负荷节能效率，应采用这项措施。

表6 全年累计负荷及相对节能率（通风）

3.5 策略组合模拟

上述验证，证明了单一被动式改造策略可以降低建筑能耗。为验证策略组合的有效性，选择70 mm厚挤塑聚苯板（XPS）保温层、真空+镀 low-e膜玻璃、900 mm水平可调节遮阳板与通风改造进行组合验证。

由表7可知，将DeST-h模拟优化前后的建筑总负荷进行对比，被动式策略改造后的建筑热负荷时相对节能率下降了74.2%，冷负荷时相对节能率上升了24%，建筑总负荷的相对节能率下降了60.6%。由此可以看出，采用气候分析得出的被动式改造策略在满足室内舒适的前提下，可减少建筑的能耗，且组合使用效果更明显。