老舊小區被動(dòng)式建筑改造策略模擬

【摘要】老舊小區建造之初，節能環(huán)保的設計理念并未成為設計依據與遵循標準。調研結果顯示，蘭州老舊小區在室內熱環(huán)境與建筑節能等方面存在問(wèn)題，不符合綠色發(fā)展的要求。因此，如何在滿(mǎn)足居民對室內熱環(huán)境需求的同時(shí)，盡可能地降低建筑能耗，便成為老舊小區改造的一大問(wèn)題。文章運用Climate Consultant軟件對蘭州當地氣候數據進(jìn)行分析，并結合老舊小區現狀問(wèn)題得出適應當地氣候的被動(dòng)式建筑改造策略，最后通過(guò)DeST-h軟件對策略進(jìn)行定量模擬。結果顯示，在保溫、外窗、遮陽(yáng)、通風(fēng)等方面采取的被動(dòng)式改造措施，能保證室內熱環(huán)境舒適度的前提下有效降低建筑能耗。同時(shí)，對單一被動(dòng)式改造策略與組合被動(dòng)式改造策略的定量模擬，可為當地老舊小區改造提供參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】氣候數據；老舊小區；被動(dòng)式改造策略；軟件模擬

蘭州市在1980—1990年興建了大量擁有集合式住宅的老舊小區。由于當時(shí)整體設計水平與建筑技術(shù)有限，加之年代久遠，這些房屋開(kāi)始出現建筑性能退化，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足居民的需求。2019年6月19日，國務(wù)院常務(wù)會(huì )議提出部署推進(jìn)城鎮老舊小區改造，順應群眾期盼改善居住條件的議題，會(huì )議認為，加快改造城鎮老舊小區，群眾愿望強烈，是重大民生工程和發(fā)展工程[1]。蘭州市政府也在不斷探索與推進(jìn)老舊小區改造的新模式，旨在解決老舊小區日益突出的問(wèn)題。

目前老舊小區改造研究已經(jīng)受到學(xué)者們的重視，相關(guān)研究已由案例分析向設計施工[2]與改造評價(jià)體系構建[3]等方面推進(jìn)。但在研究?jì)热萆?，缺少結合氣候分析的節能改造策略研究；在研究方法上，缺少對策略的定量模擬。故本研究采用Climate Consultant軟件，通過(guò)對蘭州市氣候數據的分析，結合老舊小區現狀問(wèn)題得出被動(dòng)式改造策略。同時(shí)，運用DeST-h軟件對改造策略進(jìn)行模擬分析，為當地老舊小區改造提供參考與借鑒。

1 被動(dòng)式設計與老舊小區改造的適配性

1.1 蘭州老舊小區存在的問(wèn)題

通過(guò)對蘭州市1980—1990年建成的多個(gè)老舊小區進(jìn)行實(shí)地走訪(fǎng)調研，發(fā)現存在保溫層缺失、外窗老舊、樓梯間開(kāi)敞、建筑通風(fēng)差等問(wèn)題（見(jiàn)圖1）。

圖1　現狀照片（圖片來(lái)源：作者自攝）

（1）保溫缺失。調研發(fā)現，蘭州老舊小區由于建成年代久遠，受限于當時(shí)的設計標準并未設置保溫層，磚墻體與屋頂直接與室外空氣接觸。夏季，室外熱量向室內傳遞，室溫快速升高；冬季，房間又會(huì )迅速流失熱量，導致室溫下降。為維持室內熱環(huán)境的舒適度，居民需要大量依靠電器，增加了建筑能耗，造成了能源浪費。

（2）外窗老舊。老舊小區內建筑的外窗構件多為木質(zhì)或鋼質(zhì)，由于沒(méi)有采取斷橋處理，加之年代久遠，外窗發(fā)生形變，其在保溫隔熱性與氣密性等方面均存在較大問(wèn)題。外窗也成為圍護結構的薄弱環(huán)節。

（3）樓梯間開(kāi)敞。蘭州老舊小區樓梯間多為開(kāi)敞式設計，不設門(mén)窗。而設置外窗與單元門(mén)的樓梯間也因缺乏維護與修繕，破損嚴重。這就導致冬季樓梯間的溫度較低，從而影響了居民室內溫度，使采暖能耗增加。

（4）建筑通風(fēng)差。在實(shí)地調研中發(fā)現，許多舊建筑在布局時(shí)并未考慮朝向與夏季主導風(fēng)向的關(guān)系，同時(shí)還存在建筑密度大、樓間距小等問(wèn)題。這導致老舊小區內部空氣流動(dòng)差，也影響了建筑通風(fēng)。

1.2 被動(dòng)式設計在改造中的運用

被動(dòng)式設計是指通過(guò)建筑設計而非機械設備干預創(chuàng )建舒適室內熱環(huán)境的技術(shù)[4]。由于被動(dòng)式設計技術(shù)有熱舒適度高、適應性強、節能環(huán)保、運行成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應用于建筑改造中。被動(dòng)式設計可以通過(guò)場(chǎng)地再設計、建筑內部空間重組、圍護結構保溫性能提升、門(mén)窗改造、遮陽(yáng)設計等手段，最大限度地利用光、熱、風(fēng)等自然資源，營(yíng)造舒適室內熱環(huán)境，降低建筑能耗。

被動(dòng)式設計策略可以廣泛地應用于老舊小區改造中，不但能解決老舊小區面臨的問(wèn)題，提升室內熱環(huán)境舒適度，而且對環(huán)境影響小，穩定可靠，易于維護管理，更可以降低居民生活成本。

2 老舊小區被動(dòng)式改造策略分析

老舊小區的被動(dòng)式改造過(guò)程中，需要盡可能減少建筑能耗并營(yíng)造舒適的室內熱環(huán)境，這離不開(kāi)對當地氣候的全面分析。本研究所采用的蘭州當地氣象數據全部來(lái)源于氣象分析軟件Energy plus（https://www.Energyplus.net/weather）。將氣象數據導入氣候分析軟件Climate Consultant中，除了可以把氣象數據轉化為易于理解的圖示語(yǔ)言，還可以得到20條基于當地氣候的被動(dòng)式設計策略。將被動(dòng)式設計策略與老舊小區改造的現狀及問(wèn)題相結合，人工篩除不適宜的策略，最后提出保溫改造、外窗改造、遮陽(yáng)改造、通風(fēng)改造等針對蘭州老舊小區的被動(dòng)式改造策略。

2.1 保溫改造

蘭州市所處氣候分區為Ⅱ類(lèi)，屬于寒冷A區[5]。如圖?2所示，蘭州冬季溫度普遍低于舒適區間，最冷月1月平均低溫可達-10 ℃。在滿(mǎn)足建筑內部主動(dòng)得熱的前提下，減少熱量的損失就是改造面臨的主要問(wèn)題。因此，需在外墻與屋頂增設保溫層，增加墻體的導熱熱阻，從而減少冬季由室內向室外傳遞的熱量。

圖2　溫度范圍和舒適區（圖片來(lái)源：作者自繪）

2.2 外窗改造

如前所述，蘭州市冬季氣候寒冷，但蘭州地區太陽(yáng)輻射強度大，即使冬季，最高每小時(shí)水平面總輻照量也可達到474 Wh /㎡ （見(jiàn)圖3）。針對當地冬季低溫、高輻射的氣候條件，可對建筑外窗進(jìn)行更換。在冬季，節能外窗可以保證太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內并減少熱量由窗向室外的流失。同時(shí)，樓梯間更換節能外窗，也可增加建筑整體氣密性。

圖3　蘭州地區水平面總輻射量3D圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

2.3 窗戶(hù)遮陽(yáng)

由圖3可見(jiàn)，蘭州市全年有14％的時(shí)間每小時(shí)水平面總輻照量在316~474 Wh/㎡，11%的時(shí)間每小時(shí)水平面總輻照量大于474 Wh/㎡。通過(guò)Climate Consultant軟件分析，蘭州市有6.9%的時(shí)間需要采取窗戶(hù)遮陽(yáng)措施?？稍O置水平遮陽(yáng)板，解決光熱矛盾。

2.4 通風(fēng)改造

建筑室內熱環(huán)境舒適度受溫度、濕度及風(fēng)速的影響[6]。蘭州市空氣濕度較高（見(jiàn)圖4），全年有42％的時(shí)間相對濕度大于80％。當溫度升高時(shí)，需要采取通風(fēng)措施，提高室內熱環(huán)境的舒適度。

圖4　蘭州地區相對濕度3D圖（圖片來(lái)源：作者自繪）

自然通風(fēng)主要依靠建筑室內外存在的風(fēng)壓[7]。針對蘭州老舊小區的實(shí)際情況，首先可將封閉式圍墻改為可透風(fēng)式，提高通風(fēng)率；其次可以在老舊小區內增植綠化，利用植物蒸發(fā)作用吸收熱量，使綠化與建筑間形成溫差，從而增強空氣流動(dòng)；最后對受街道或地形影響而無(wú)法面向夏日主導風(fēng)向的建筑，可結合導風(fēng)板，將自然風(fēng)引入室內。

3 被動(dòng)式改造策略定量模擬

實(shí)施策略定量模擬的思路是選取一個(gè)確定的典型住棟，結合上文提到的改進(jìn)措施，運用DeST-h軟件進(jìn)行單項改造策略模擬計算，從而驗證策略的有效性。最后，將單項改造方案進(jìn)行整合，與改造前的典型住棟進(jìn)行能耗對比，驗證被動(dòng)式改造策略組合的有效性。

本研究選取局機關(guān)家屬院2號樓作為典型住棟，建筑基本信息見(jiàn)表1。在參數設置時(shí)，采取控制變量的方法，僅對改造參數進(jìn)行調整，其余參數保持不變。

表1 住棟概況

3.1 保溫改造策略模擬

內保溫、夾心保溫和外保溫是外墻保溫的三種主要形式[8]。外墻外保溫技術(shù)是在墻體外側施加保溫材料，相比于其他兩種形式效率高且便于施工，故選用此種形式。屋面保溫主要有平屋頂改坡屋頂與增加保溫層兩種改造形式，但老舊小區屋頂荷載有限，且平改坡的方式成本高、實(shí)施難度較大，故選用增加保溫層的方式。目前常見(jiàn)用于改造的保溫材料有膨脹聚苯板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）、泡沫混凝土與膨脹珍珠巖等，結合經(jīng)濟因素選擇擠塑聚苯板（XPS）和膨脹聚苯板（EPS）作為增設保溫層的材料，并分別提出三種厚度方案，運用DeST-h軟件進(jìn)行模擬驗證。

由表2、表3可以看出，當建筑增設保溫層時(shí)，雖然建筑冷負荷有所上升，但建筑熱負荷及總負荷降幅明顯，保溫層厚度的增加會(huì )進(jìn)一步降低建筑總負荷。在同等厚度的情況下，擠塑聚苯板（XPS）的節能效率更高。

表2 全年累計負荷及相對節能率（EPS）

表3 全年累計負荷及相對節能率（XPS）

3.2 外窗改造策略模擬

外窗節能在整個(gè)建筑節能中的占比可達40%[9]。外窗改造不但可以改善建筑光熱矛盾，同時(shí)也能提升建筑隔音性與氣密性。本研究在進(jìn)行被動(dòng)式改造策略驗證時(shí)，選擇普通中空玻璃與真空+鍍 low-e膜玻璃。

通過(guò)模擬發(fā)現，兩種節能窗均可以大幅度降低建筑總負荷。真空+鍍 low-e膜玻璃傳熱系數低，保溫能力強，雖然會(huì )阻隔更多的太陽(yáng)輻射，但總體來(lái)講，熱負荷的節能效果優(yōu)于普通中空玻璃。但在蘭州市的夏季，傳熱系數低不利于夜間室內向室外散熱，所以真空+鍍 low-e膜玻璃會(huì )造成冷負荷上升（見(jiàn)表4）。

表4 全年累計負荷及相對節能率（外窗）

3.3 遮陽(yáng)改造策略模擬

合理的遮陽(yáng)措施可以在不影響室內采光的前提下，降低建筑冷負荷，從而提高節能效率[10]。在蘭州地區，南側窗戶(hù)布置外遮陽(yáng)的方式在夏季能遮擋大部分的太陽(yáng)輻射。本研究選取300 mm、600 mm、900 mm的固定式水平遮陽(yáng)板和900 mm可調節水平遮陽(yáng)板進(jìn)行測試驗證。

在建筑南側增加遮陽(yáng)板，夏季可以阻擋太陽(yáng)直射，從而降低冷負荷需求。由表5可知，固定式遮陽(yáng)板會(huì )造成建筑熱負荷的增加，從而增加建筑總負荷。所以需設置水平可調節遮陽(yáng)板，保證住戶(hù)5月到10月的遮陽(yáng)需求，并避免冬季太陽(yáng)輻射遮擋。

表5 全年累計負荷及相對節能率（遮陽(yáng)板）

3.4 通風(fēng)改造策略模擬

在實(shí)際調研中發(fā)現，蘭州老舊小區場(chǎng)地環(huán)境各異，而上述關(guān)于通風(fēng)的被動(dòng)式改造策略，其作用原理都是通過(guò)改變建筑室內外的風(fēng)壓差，從而增加建筑的進(jìn)風(fēng)量。在DeST-h軟件中進(jìn)行策略模擬時(shí)，通過(guò)設定模型室內外換氣次數，來(lái)控制建筑的進(jìn)風(fēng)量，從而模擬通風(fēng)對建筑能耗的影響[11]。

由表6可知，當建筑通風(fēng)改善時(shí)，冷負荷會(huì )明顯下降。這是因為蘭州市夏季晝夜溫差較大，夜晚進(jìn)風(fēng)量的增加會(huì )帶走室內多余的熱量。但進(jìn)風(fēng)量的增加也會(huì )對建筑的保溫提出更高的要求。綜合分析，建筑的通風(fēng)改造策略會(huì )提升建筑總負荷節能效率，應采用這項措施。

表6 全年累計負荷及相對節能率（通風(fēng)）

3.5 策略組合模擬

上述驗證，證明了單一被動(dòng)式改造策略可以降低建筑能耗。為驗證策略組合的有效性，選擇70 mm厚擠塑聚苯板（XPS）保溫層、真空+鍍 low-e膜玻璃、900 mm水平可調節遮陽(yáng)板與通風(fēng)改造進(jìn)行組合驗證。

由表7可知，將DeST-h模擬優(yōu)化前后的建筑總負荷進(jìn)行對比，被動(dòng)式策略改造后的建筑熱負荷時(shí)相對節能率下降了74.2%，冷負荷時(shí)相對節能率上升了24%，建筑總負荷的相對節能率下降了60.6%。由此可以看出，采用氣候分析得出的被動(dòng)式改造策略在滿(mǎn)足室內舒適的前提下，可減少建筑的能耗，且組合使用效果更明顯。

表7 全年累計負荷及相對節能率（通風(fēng)）

4 結論

模擬數據能夠證明基于氣候分析的被動(dòng)式改造策略的有效性。

（1）以往對于老舊小區的改造，基本上是依賴(lài)建筑師的經(jīng)驗或建筑師依據短期調研后對當地氣候條件的粗略判斷，易造成改造效果不佳的情況。本研究運用Climate Consultant軟件對蘭州市氣候數據進(jìn)行分析，并結合大量實(shí)地調研，從而使被動(dòng)式改造策略在滿(mǎn)足改造實(shí)際需求的同時(shí)，能盡可能地降低建筑能耗。

（2）文中涉及的保溫、外窗、遮陽(yáng)、通風(fēng)等被動(dòng)式改造策略，都可大幅降低建筑總負荷，并且有改造成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單、易于施工與普及的特點(diǎn)。

（3）不同的老舊小區，可能面臨不同的現狀問(wèn)題，并且改造對于成本的控制要求嚴格。因此，可針對不同的實(shí)際問(wèn)題，對被動(dòng)式改造策略進(jìn)行靈活組合，尋找最經(jīng)濟適宜的改造方案。

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