摘   要 老舊小區建造之初，節能環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境與建筑節能等方面存在問題，不符合綠色發展的要求。因此，如何在滿足居民對室內熱環境需求的同時，盡可能地降低建筑能耗，便成為老舊小區改造的一大問題。文章運用Climate Consultant軟件對蘭州當地氣候數據進行分析，并結合老舊小區現狀問題得出適應當地氣候的被動式建筑改造策略，最后通過DeST-h軟件對策略進行定量模擬。結果顯示，在保溫、外窗、遮陽、通風等方面采取的被動式改造措施，能保證室內熱環境舒適度的前提下有效降低建筑能耗。同時，對單一被動式改造策略與組合被動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。

關鍵詞 氣候數據；老舊小區；被動式改造策略；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。由于當時整體設計水平與建筑技術有限，加之年代久遠，這些房屋開始出現建筑性能退化，已經無法滿足居民的需求。2019年6月19日，國務院常務會議提出部署推進城鎮老舊小區改造，順應群眾期盼改善居住條件的議題，會議認為，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展工程[1]。蘭州市政府也在不斷探索與推進老舊小區改造的新模式，旨在解決老舊小區日益突出的問題。

目前老舊小區改造研究已經受到學者們的重視，相關研究已由案例分析向設計施工[2]與改造評價體系構建[3]等方面推進。但在研究內容上，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，通過對蘭州市氣候數據的分析，結合老舊小區現狀問題得出被動式改造策略。同時，運用DeST-h軟件對改造策略進行模擬分析，為當地老舊小區改造提供參考與借鑒。

1被動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題

通過對蘭州市1980—1990年建成的多個老舊小區進行實地走訪調研，發現存在保溫層缺失、外窗老舊、樓梯間開敞、建筑通風差等問題（見圖1）。

圖1　現狀照片（圖片來源：作者自攝）

（1）保溫缺失。調研發現，蘭州老舊小區由于建成年代久遠，受限于當時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，房間又會迅速流失熱量，導致室溫下降。為維持室內熱環境的舒適度，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或鋼質，由于沒有采取斷橋處理，加之年代久遠，外窗發生形變，其在保溫隔熱性與氣密性等方面均存在較大問題。外窗也成為圍護結構的薄弱環節。

（3）樓梯間開敞。蘭州老舊小區樓梯間多為開敞式設計，不設門窗。而設置外窗與單元門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）建筑通風差。在實地調研中發現，許多舊建筑在布局時并未考慮朝向與夏季主導風向的關系，同時還存在建筑密度大、樓間距小等問題。這導致老舊小區內部空氣流動差，也影響了建筑通風。

1.2被動式設計在改造中的運用

被動式設計是指通過建筑設計而非機械設備干預創建舒適室內熱環境的技術[4]。由于被動式設計技術有熱舒適度高、適應性強、節能環保、運行成本低等優點，近年來被廣泛應用于建筑改造中。被動式設計可以通過場地再設計、建筑內部空間重組、圍護結構保溫性能提升、門窗改造、遮陽設計等手段，**限度地利用光、熱、風等自然資源，營造舒適室內熱環境，降低建筑能耗。

被動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題，提升室內熱環境舒適度，而且對環境影響小，穩定可靠，易于維護管理，更可以降低居民生活成本。

2老舊小區被動式改造策略分析

老舊小區的被動式改造過程中，需要盡可能減少建筑能耗并營造舒適的室內熱環境，這離不開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言，還可以得到20條基于當地氣候的被動式設計策略。將被動式設計策略與老舊小區改造的現狀及問題相結合，人工篩除不適宜的策略，最后提出保溫改造、外窗改造、遮陽改造、通風改造等針對蘭州老舊小區的被動式改造策略。

2.1保溫改造

蘭州市所處氣候分區為Ⅱ類，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 ℃。在滿足建筑內部主動得熱的前提下，減少熱量的損失就是改造面臨的主要問題。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，但蘭州地區太陽輻射強度大，即使冬季，**每小時水平面總輻照量也可達到474 Wh /m2 （見圖3）。針對當地冬季低溫、高輻射的氣候條件，可對建筑外窗進行更換。在冬季，節能外窗可以保證太陽輻射進入室內并減少熱量由窗向室外的流失。同時，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（圖片來源：作者自繪）

2.3窗戶遮陽

由圖3可見，蘭州市全年有14％的時間每小時水平面總輻照量在316~474 Wh /m2，11%的時間每小時水平面總輻照量大于474 Wh /m2。通過Climate Consultant軟件分析，蘭州市有6.9%的時間需要采取窗戶遮陽措施。可設置水平遮陽板，解決光熱矛盾。

2.4通風改造

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

圖4　蘭州地區相對濕度3D圖（圖片來源：作者自繪）

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

3被動式改造策略定量模擬

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

本研究選取局機關家屬院2號樓作為典型住棟，建筑基本信息見表1。在參數設置時，采取控制變量的方法，僅對改造參數進行調整，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、實施難度較大，故選用增加保溫層的方式。目前常見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軟件進行模擬驗證。

由表2、表3可以看出，當建筑增設保溫層時，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進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，同時也能提升建筑隔音性與氣密性。本研究在進行被動式改造策略驗證時，選擇普通中空玻璃與真空+鍍 low-e膜玻璃。

通過模擬發現，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，雖然會阻隔更多的太陽輻射，但總體來講，熱負荷的節能效果優于普通中空玻璃。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膜玻璃會造成冷負荷上升（見表4）。

表4 全年累計負荷及相對節能率（外窗）

3.3遮陽改造策略模擬

合理的遮陽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，南側窗戶布置外遮陽的方式在夏季能遮擋大部分的太陽輻射。本研究選取300 mm、600 mm、900 mm的固定式水平遮陽板和900 mm可調節水平遮陽板進行測試驗證。

在建筑南側增加遮陽板，夏季可以阻擋太陽直射，從而降低冷負荷需求。由表5可知，固定式遮陽板會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板，保證住戶5月到10月的遮陽需求，并避免冬季太陽輻射遮擋。

表5 全年累計負荷及相對節能率（遮陽板）

3.4通風改造策略模擬

在實際調研中發現，蘭州老舊小區場地環境各異，而上述關于通風的被動式改造策略，其作用原理都是通過改變建筑室內外的風壓差，從而增加建筑的進風量。在DeST-h軟件中進行策略模擬時，通過設定模型室內外換氣次數，來控制建筑的進風量，從而模擬通風對建筑能耗的影響[11]。

由表6可知，當建筑通風改善時，冷負荷會明顯下降。這是因為蘭州市夏季晝夜溫差較大，夜晚進風量的增加會帶走室內多余的熱量。但進風量的增加也會對建筑的保溫提出更高的要求。綜合分析，建筑的通風改造策略會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）

3.5策略組合模擬

上述驗證，證明了單一被動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水平可調節遮陽板與通風改造進行組合驗證。

由表7可知，將DeST-h模擬優化前后的建筑總負荷進行對比，被動式策略改造后的建筑熱負荷時相對節能率下降了74.2%，冷負荷時相對節能率上升了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式改造策略在滿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）

4結論

模擬數據能夠證明基于氣候分析的被動式改造策略的有效性。

（1）以往對于老舊小區的改造，基本上是依賴建筑師的經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行分析，并結合大量實地調研，從而使被動式改造策略在滿足改造實際需求的同時，能盡可能地降低建筑能耗。

（2）文中涉及的保溫、外窗、遮陽、通風等被動式改造策略，都可大幅降低建筑總負荷，并且有改造成本低、技術簡單、易于施工與普及的特點。

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

參考文獻

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來源：《城市建筑》

2022年3月1日，住建部印發《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》，規劃具體目標：要求到2025年，完成既有建筑節能改造面積3.5億平方米以上，建設超低能耗、近零能耗建筑0.5億平方米以上。“十四五”期間，被動式超低能耗建筑將會是行業重頭戲，PHI被動房建造師將是國內超低能耗建筑、雙碳領域最急需的專業一線技術人才。