摘 要 老（lǎo）舊小區建（jiàn）造之初，節能環保的設計理念並未成為設計依據與遵循標準。調（diào）研結果顯示，蘭州（zhōu）老舊小區在室內熱（rè）環境與建築節能等方麵存在問（wèn）題，不符合綠色（sè）發展的要求。因此，如何在滿足居民對室內熱（rè）環境需求的同時，盡可能地降（jiàng）低建築能耗，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（hòu）數據（jù）進行分析，並結合老（lǎo）舊小區現（xiàn）狀問題得出適應當地氣候的被動式建築改造策略，最後通過DeST-h軟件對策略進行定量模擬（nǐ）。結果顯示（shì），在保溫、外窗、遮陽、通風等方麵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築能耗。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（liàng）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（jiàn）模擬
蘭州市在1980—1990年興建了大量擁有集合式住宅的（de）老舊小區。由於當時整體設計水平與建築技術有限，加之年代久遠，這（zhè）些房屋（wū）開始出現建築性能退（tuì）化，已經無法（fǎ）滿足居民的需求。2019年6月19日，國務院常務會（huì）議提出部（bù）署推進城鎮老舊小區改造，順應群（qún）眾期盼改善居住條件的議（yì）題，會議認為，加快改造城鎮（zhèn）老舊小區，群眾願望強烈，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（gǎi）造的新模式，旨在解決老舊小區日益突出的（de）問題（tí）。
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（tǐ）係構建[3]等方（fāng）麵推進。但在研究內容上，缺少（shǎo）結（jié）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（liàng）模（mó）擬。故（gù）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（qū）現狀問題得出被動式改造策略。同時，運用DeST-h軟（ruǎn）件對改造策略進行（háng）模擬分析（xī），為當地老（lǎo）舊小區改造提（tí）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（qū）存在的問題
通過對（duì）蘭州（zhōu）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（shī）、外窗老舊、樓梯間（jiān）開敞、建築通風差等問題（見圖1）。
圖1 現狀照片（圖片來源（yuán）：作者自攝）
（1）保溫缺失。調研發現，蘭州老舊小區由於建成年代久遠，受限於當時的設（shè）計標準並未設置保（bǎo）溫層，磚牆體與屋頂直接與室外空氣接觸。夏季，室（shì）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（huán）境的舒（shū）適度（dù），居民需要大量依靠電器，增加了建築能耗，造成了能源浪費（fèi）。
（2）外窗老舊。老舊小區內建築的外窗構件（jiàn）多為木質或鋼質，由（yóu）於沒有采取斷橋處理，加之年代久（jiǔ）遠，外窗發生形變，其在保溫隔熱性與氣（qì）密（mì）性等方麵均存在較大問題。外窗也成（chéng）為圍護（hù）結構的薄弱環節。
（3）樓梯間開敞。蘭（lán）州老舊小區樓梯間多為開敞式設計，不設門窗。而設置（zhì）外窗與單（dān）元門的樓梯間也因（yīn）缺乏維護與修繕（shàn），破損嚴重。這就導（dǎo）致冬季樓梯間的溫度較低，從而影響了（le）居民室內溫度，使采暖能耗增加（jiā）。
（4）建築通風差。在實（shí）地調研中發現，許多舊建築在布局時並未考（kǎo）慮朝（cháo）向與夏季主導風向的關係，同時還存在建（jiàn）築密（mì）度大、樓間距小等問題。這導致老舊小區（qū）內部空氣流動差，也影響了建築通風。
1.2被動（dòng）式設計在改造中的運用
被動式設計是指（zhǐ）通過建築設計（jì）而非機械設備幹預創建舒適室（shì）內熱（rè）環境的（de）技術（shù）[4]。由於被動式設計（jì）技（jì）術有熱舒適度高、適應性強、節能環保、運行（háng）成本低等優（yōu）點，近年來被廣泛（fàn）應用於（yú）建築改造（zào）中。被動式設計可（kě）以通（tōng）過場（chǎng）地再設計、建築內部（bù）空間重組、圍（wéi）護結（jié）構保溫性能提升、門窗改造、遮陽設計等手段，最大限度地利用光、熱（rè）、風等自（zì）然資源，營造舒適（shì）室內熱環境，降低建（jiàn）築能（néng）耗。
被動式設計策略可以廣泛地應用於老舊（jiù）小區改造中，不（bú）但能解決老舊小區麵臨的問題，提升室內（nèi）熱環境舒（shū）適度，而且對環境影響小，穩定（dìng）可靠（kào），易於維護管理，更可以降低居民生活成本。
2老舊小區被動式改造策（cè）略分析
老舊小區的被動（dòng）式改造過程中（zhōng），需要盡可能減少建築能耗並營造舒適的室內熱環境，這離不開對當地氣候的全麵分析（xī）。本研究所采用的蘭州（zhōu）當地氣象數據全（quán）部來源於氣象分析軟（ruǎn）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於理解的圖（tú）示語言，還可以得到20條基（jī）於當（dāng）地氣候的被動式（shì）設計策（cè）略。將被動式設計策略與老舊小區改造的現（xiàn）狀及問題相結合，人工篩除不適宜的策略，最後提出保溫改造、外窗改造、遮陽改造、通（tōng）風改造等（děng）針對蘭州老舊小區（qū）的被動式改造策（cè）略。
2.1保溫改造（zào）
蘭州市所（suǒ）處氣候分區（qū）為（wéi）Ⅱ類，屬（shǔ）於寒冷A區[5]。如圖 2所示，蘭州冬季溫度普遍低於舒（shū）適區間，最（zuì）冷月1月平均低溫可（kě）達-10 ℃。在滿足建築內部主動得熱的前提下，減少熱量的損（sǔn）失就是改造麵（miàn）臨的主要問題。因此，需在外牆與屋頂增設保溫層，增加（jiā）牆體（tǐ）的導熱熱阻，從而減（jiǎn）少冬季由室內（nèi）向（xiàng）室外（wài）傳遞的熱量。
圖2 溫度範圍和舒適區（圖（tú）片來源：作者自繪（huì））
2.2外窗改造
如前所述，蘭州市冬季氣候寒（hán）冷，但蘭州地區太陽輻射強度大，即使冬季，最高每小時水平麵總輻照量也可達到474 Wh /m2 （見圖3）。針對當地冬季低（dī）溫、高輻（fú）射的氣候條件，可對（duì）建築外窗進行更換。在冬季，節能外窗（chuāng）可以保證太陽輻射進入（rù）室內並減少熱量由窗向室外的流失。同時，樓（lóu）梯間（jiān）更（gèng）換節能外窗，也可增加建築（zhù）整體（tǐ）氣密性。
圖3 蘭州地區水平麵總輻（fú）射量3D圖（圖片來源：作者自繪）
2.3窗戶遮（zhē）陽（yáng）
由圖3可見，蘭州市全年有14％的時間每小時水平麵總輻（fú）照量在316~474 Wh /m2，11%的時間每小時水平麵總輻照量大於474 Wh /m2。通過Climate Consultant軟件分析，蘭（lán）州市（shì）有6.9%的時間需要采取窗戶（hù）遮（zhē）陽措施。可設置水平遮陽（yáng）板，解決光熱矛盾。
2.4通風（fēng）改造
建築室內熱環境舒適度受溫度、濕度及（jí）風速的影響[6]。蘭州市空氣濕（shī）度較高（見圖4），全年有42％的（de）時（shí）間相對濕度大於80％。當溫度升高時，需要采取通風措施，提高室內熱（rè）環境的舒適度。
圖4 蘭州（zhōu）地區相對（duì）濕度3D圖（圖片來源：作（zuò）者自繪）
自然（rán）通風主要依靠建築室內外存在的風壓（yā）[7]。針對蘭州老（lǎo）舊小區的實際情況，首（shǒu）先可將封閉式圍牆改為可透風式，提（tí）高通風率；其次可以（yǐ）在老（lǎo）舊小區內增植綠化，利用植物蒸發作用吸收熱量，使綠化與建築間形成溫差，從而增強空氣流動；最後對受街道或地形影響而無法麵向夏日主導風向（xiàng）的建築，可結合導風板，將自然風引入（rù）室內。
3被動式（shì）改造策（cè）略定量模擬（nǐ）
實施策略定量模擬（nǐ）的思路是（shì）選取一個確定的典（diǎn）型住棟，結合上文提（tí）到的改進措施，運用DeST-h軟件進行單項改造策略模擬計算（suàn），從而驗證策略的有效（xiào）性。最（zuì）後，將（jiāng）單項改造方案進行整合，與改造前的典型住（zhù）棟進行能耗對比，驗證被動式改造策略組合（hé）的有效性。
本研究選取局（jú）機關家屬院2號樓作為典型住棟，建築基本信息見表1。在參數設置時，采取控（kòng）製變量的方法，僅對改造參數進行調整，其餘參（cān）數保持不變。
表1 住（zhù）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牆保溫的三種（zhǒng）主要形式[8]。外牆外保溫技術是在牆體外側施（shī）加保溫（wēn）材料，相比於其他兩種形式效率高且便於（yú）施工，故選用此種（zhǒng）形（xíng）式（shì）。屋麵保溫主要有平屋頂（dǐng）改坡屋頂與增加保（bǎo）溫層兩種改造形式，但（dàn）老（lǎo）舊小區屋頂荷載（zǎi）有限，且（qiě）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（fāng）式。目前常見用於改造（zào）的保溫（wēn）材料有膨脹聚苯（běn）板（EPS）、擠塑聚苯板（XPS）、泡（pào）沫混凝土與膨脹珍珠岩等，結合（hé）經濟因（yīn）素選擇擠塑聚苯板（XPS）和膨脹聚苯板（EPS）作為（wéi）增設保溫層的材料（liào），並（bìng）分別提出三種厚度方案（àn），運用DeST-h軟件進行模擬驗證。
由表2、表3可以看出，當建築增設保溫（wēn）層時，雖（suī）然建築冷負荷有所上升，但建築熱負荷及總負荷降幅明（míng）顯，保溫（wēn）層厚度的增加會進一步降低建（jiàn）築總負荷。在同等厚度的情況下，擠塑聚苯板（XPS）的節能（néng）效率更高。
表2 全年累計負荷及相（xiàng）對節能率（EPS）
表3 全年累計（jì）負荷及相對節能率（XPS）
3.2外窗改造策略模擬
外（wài）窗節（jiē）能在整（zhěng）個建（jiàn）築節能中的占（zhàn）比可達40%[9]。外窗改造不但（dàn）可以改善（shàn）建築光熱（rè）矛盾，同時也能提升（shēng）建築（zhù）隔音（yīn）性與（yǔ）氣密性。本研究在進行被動式改（gǎi）造策略驗證時，選擇普通中空玻璃與真空+鍍 low-e膜玻璃（lí）。
通過模擬發現（xiàn），兩種節能窗均（jun1）可以大（dà）幅度降低建築總負（fù）荷。真空+鍍（dù） low-e膜玻璃傳熱係（xì）數低，保（bǎo）溫能力強，雖然（rán）會阻隔更多的太陽輻射，但總體來講，熱負荷（hé）的節能效果優於普通中空玻（bō）璃（lí）。但在蘭州市的夏季，傳熱係數低不利於夜間室內（nèi）向室外散（sàn）熱，所以（yǐ）真空+鍍 low-e膜玻璃會造成冷（lěng）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（gǎi）造策（cè）略模擬
合理的遮陽措施（shī）可以在不影響室內采光的前提（tí）下，降低建築冷負荷，從而提高節能效率[10]。在蘭州地區，南側窗戶布置外遮陽的（de）方式在夏季（jì）能遮（zhē）擋（dǎng）大部分的太陽輻射。本研究選取300 mm、600 mm、900 mm的固定（dìng）式水平遮陽板和900 mm可調節水平遮陽板進（jìn）行測試驗證。
在（zài）建築南側增加遮陽板，夏季可以阻擋太陽直射，從而降低冷負荷（hé）需求。由表5可知，固定式遮陽（yáng）板會造成建（jiàn）築熱負荷的（de）增加，從而增（zēng）加（jiā）建築總負荷。所以需設置水（shuǐ）平可調節遮陽板（bǎn），保（bǎo）證（zhèng）住戶（hù）5月到10月的遮陽需求，並避免冬季太（tài）陽輻射遮擋。
表5 全年累計負荷及相對節能率（遮陽板（bǎn））
3.4通風改造策略（luè）模擬
在實際調研（yán）中發現（xiàn），蘭州老舊小區場地環境各異，而上述關於（yú）通風的被動式（shì）改造策略，其作用原理都是通過改變建築室內外的風壓差（chà），從而增加建築的進風量（liàng）。在DeST-h軟件中（zhōng）進行策略模擬時，通過設定模型室內外換氣次數，來控製建築的進風量，從而模擬通風對建築能耗的影響（xiǎng）[11]。
由表6可知，當建築通風（fēng）改善時，冷負荷（hé）會明顯下（xià）降。這是因為蘭州市夏季晝夜溫（wēn）差（chà）較大，夜晚進風（fēng）量的增加會帶走室內（nèi）多餘的熱量（liàng）。但（dàn）進（jìn）風量的增加也會對建築的保溫提出更高的要求。綜合分析（xī），建築的通風改（gǎi）造策略（luè）會提升建築總負荷節能效率，應采用這項措（cuò）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（le）單一被動式改造策略可以降低建（jiàn）築能耗。為驗證策略組合的有效性，選擇（zé）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（zhèng）。
由表7可知，將DeST-h模擬（nǐ）優化前後的建（jiàn）築總負荷進（jìn）行對比，被動式策略改造後的建築熱負荷時相對（duì）節能率下降（jiàng）了74.2%，冷負荷時相對節（jiē）能率上升了24%，建（jiàn）築總負荷的相對（duì）節能率（lǜ）下降了60.6%。由此可（kě）以看出，采用氣候（hòu）分析（xī）得出的（de）被動式改造策略在滿足（zú）室內舒適的前（qián）提下，可減（jiǎn）少建築的（de）能耗，且（qiě）組合使用效果更明（míng）顯。
表7 全年累計負（fù）荷及相對節（jiē）能（néng）率（通風）
4結論
模擬（nǐ）數據能（néng）夠證明基（jī）於氣候分析的被動式改造策略的有效性。
（1）以往對於老舊小區的改造，基本上是依賴（lài）建築師的經驗或建築師依據短期調研後對當地氣候條件的（de）粗略判斷，易造成改造效果不佳（jiā）的情況。本研（yán）究運用Climate Consultant軟件對蘭州市氣候數據（jù）進行分析，並結合大量實地調研，從而使被動式改造策（cè）略在滿足（zú）改造實際需求的同時，能盡可能（néng）地降低建築能（néng）耗。
（2）文中涉及的保（bǎo）溫、外窗、遮陽、通風等被動（dòng）式改造策略，都可大幅降低建築總負荷（hé），並且有改造成本低、技術簡單、易於（yú）施（shī）工與普及的（de）特點。
（3）不同的老舊小區，可能麵臨不同的（de）現狀問題，並且（qiě）改造對於成本的控製要求嚴格。因此，可針對不同的實際問（wèn）題，對被動式改造策略（luè）進行靈活（huó）組合（hé），尋找最經濟適宜的（de）改造方案。
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來源（yuán）：《城市建築》
2022年3月1日，住建部印發《“十四五”建築節能與綠色（sè）建（jiàn）築發展（zhǎn）規劃》，規劃具體目標：要求到2025年，完成既有建築節能改（gǎi）造麵積3.5億平方米以上，建（jiàn）設超低能耗（hào）、近零能耗建築0.5億平方米以上。“十（shí）四五”期間，被動式超低能（néng）耗建築將會是行業重頭戲，PHI被動房建造師將是國內超低能耗建築、雙碳領域最急需的專業一線技術人才。
