摘 要 老旧（jiù）小区（qū）建造（zào）之初，节（jiē）能环保的设计（jì）理念并未成为设计依据与遵循标准。调研结果（guǒ）显示，兰州（zhōu）老（lǎo）旧小区在室内热环境与建筑节能等方面存在（zài）问题，不（bú）符合绿色发展的要求（qiú）。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（hào），便成（chéng）为老旧小区改造的一大问题。文章（zhāng）运用Climate Consultant软（ruǎn）件对兰州当地气候数据进行（háng）分析，并结合老旧小区现状问题得出适应当地气候的被动（dòng）式（shì）建筑改造策略，最后通过DeST-h软件对策略进（jìn）行定量模拟。结果（guǒ）显示，在保温、外窗、遮阳、通风等方面采取的（de）被动式改造措施，能保证室内热环境舒适度的前提下（xià）有效降（jiàng）低建筑能耗。同时，对单（dān）一被动式改造策略与组合被动式改造策略（luè）的定量模拟，可为当（dāng）地老旧（jiù）小区改造提供参考与借鉴。
关键词（cí） 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（dà）量拥有集合式住宅（zhái）的（de）老旧小区。由于当时整（zhěng）体设计水平与建筑技术有（yǒu）限，加之年代久远，这些房屋开始出现建筑性能退化（huà），已经无法满足居民的需求。2019年6月（yuè）19日，国务院常务（wù）会议（yì）提出（chū）部（bù）署推进城镇老旧小区改造，顺应群众期（qī）盼（pàn）改善（shàn）居住条件的议题，会议认（rèn）为，加快改造城镇老旧小区，群（qún）众愿（yuàn）望（wàng）强（qiáng）烈，是重大（dà）民（mín）生工程和发（fā）展工程[1]。兰州市政（zhèng）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（men）的重视（shì），相关研究已（yǐ）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（zài）研究内（nèi）容上，缺少结合气候分析的节能改造策略研究；在研究（jiū）方法上，缺少对策略的定（dìng）量模拟。故本研究采用（yòng）Climate Consultant软件，通过对兰州市气候数据的分析（xī），结合老旧小区现状问题（tí）得出（chū）被动式改造策略。同（tóng）时，运用DeST-h软件（jiàn）对改造策略进行模拟分（fèn）析，为当（dāng）地老旧小区改造提供参考（kǎo）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（lǎo）旧小区存在的问题
通过对兰州市1980—1990年建成的多个（gè）老旧小区进行实地（dì）走访调研，发现存在保（bǎo）温层缺失、外（wài）窗老旧、楼梯间开敞、建筑通风差（chà）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（diào）研发现，兰州老旧小区由于建成年代久远，受限于当时的设（shè）计标准并未设置保温层，砖墙体与屋顶直接与室外（wài）空气接触。夏季，室外热（rè）量向室内传递，室温快速升高；冬（dōng）季，房间（jiān）又会迅速流失热量，导致室温（wēn）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（jiàn）筑能（néng）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（zhì）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（mì）性等（děng）方面均存在较大问题。外窗也成为（wéi）围护（hù）结构的薄弱环节。
（3）楼（lóu）梯间开敞。兰州老旧（jiù）小区楼梯间多为开敞式（shì）设计，不设门窗。而设置（zhì）外窗与单元门的楼梯间也因缺乏维护与修缮（shàn），破损严重。这就（jiù）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（néng）耗增加（jiā）。
（4）建筑通风差。在实（shí）地调研中发现，许多旧建筑在布局（jú）时并未考虑（lǜ）朝向与夏季主导（dǎo）风（fēng）向的关系，同时还存在建（jiàn）筑密度大、楼间距小等问题。这导致老旧小区（qū）内部空气流动差，也（yě）影响了建筑通风。
1.2被（bèi）动（dòng）式（shì）设计在改造中的运用
被动式（shì）设计是指通（tōng）过建筑设计而（ér）非机械（xiè）设备干预创建舒适室内热环境的技术[4]。由于被动式（shì）设计技（jì）术有（yǒu）热舒适度高、适应性强（qiáng）、节能环保、运行（háng）成本低等优点，近年来被广泛应用于建筑改造中。被动式（shì）设计可以通过（guò）场地再设计、建筑内部空间重组、围护（hù）结（jié）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（fēng）等自然资源，营造舒适室（shì）内热环境，降低建（jiàn）筑（zhù）能耗。
被（bèi）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（miàn）临的问题，提（tí）升室（shì）内热环境舒适度（dù），而且（qiě）对环（huán）境影响小，稳定可靠（kào），易于（yú）维护管理，更可以降低居民生活成本。
2老旧（jiù）小区被动式改造策略分析
老旧小区的被动式改造过程中（zhōng），需要尽可（kě）能减少建筑能耗并营（yíng）造舒（shū）适的室内热（rè）环境，这离不开对（duì）当地气候的（de）全（quán）面分析。本研究所采用的兰州当地气象数据全部来源于气（qì）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（tiáo）基（jī）于当（dāng）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（zào）的现（xiàn）状及问题相结合，人工筛（shāi）除不（bú）适宜的策略，最后提出保温改造、外窗改（gǎi）造、遮阳（yáng）改（gǎi）造、通风改（gǎi）造等（děng）针对兰州（zhōu）老旧小区的被（bèi）动（dòng）式（shì）改造策略。
2.1保温改造
兰州（zhōu）市所处气候分区为Ⅱ类，属于寒冷A区[5]。如图 2所示，兰（lán）州冬季温度普遍低于（yú）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（shǎo）热量的损失就是改造面临的主要（yào）问（wèn）题。因此，需在外墙（qiáng）与屋顶（dǐng）增设保温层，增加墙体（tǐ）的导热热阻，从而减少冬季由室内向室外传递（dì）的热量。
图2 温度范围和舒适（shì）区（qū）（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（lán）州地区太阳辐射（shè）强度大，即使冬（dōng）季，最高每小（xiǎo）时水平面总辐照量也可达到474 Wh /m2 （见图（tú）3）。针对当（dāng）地冬季低温、高辐射的（de）气候条件，可对建（jiàn）筑外窗进行更换。在冬季，节（jiē）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（liú）失。同（tóng）时，楼梯间更换节能外窗，也可增加建筑整体气密性。
图3 兰（lán）州地区水平面总（zǒng）辐射量3D图（图片来源：作者自绘）
2.3窗（chuāng）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（liàng）在316~474 Wh /m2，11%的时间每小时水平面总辐照量大于474 Wh /m2。通（tōng）过Climate Consultant软件分析，兰州市有6.9%的时（shí）间（jiān）需要采（cǎi）取（qǔ）窗户遮阳措施（shī）。可设置水平遮阳板，解决光热矛盾（dùn）。
2.4通风改（gǎi）造
建筑室（shì）内热环境舒适度受温度、湿度及（jí）风速的影响[6]。兰（lán）州市（shì）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（gāo）时，需要采取通风措施，提高室内热环境的舒适（shì）度。
图4 兰州地区相对湿度3D图（图片来源：作者自（zì）绘）
自然通风（fēng）主要依靠建筑室内外存在（zài）的风压[7]。针对兰州老旧小区的实际情况，首（shǒu）先可将封闭式围墙改（gǎi）为可（kě）透风式（shì），提高通风率；其（qí）次可以在老旧小区内增植绿化（huà），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（qì）流动；最后对受街（jiē）道或地形影响而无法面向夏日主导风向的建筑，可（kě）结合导风板，将自然（rán）风引入室内。
3被动式（shì）改造策略定（dìng）量模拟
实施策（cè）略定量模拟的思路是（shì）选取一（yī）个确定的（de）典型住栋，结合上文提到的改进（jìn）措施，运用（yòng）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（xíng）住栋进行能耗对比，验证被动式改造（zào）策略组（zǔ）合（hé）的有效性。
本研究选取（qǔ）局机关家属院2号（hào）楼作为典型住栋，建筑基本（běn）信息见表1。在参数设（shè）置时，采取控制变量的（de）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（xīn）保温和外（wài）保温是外（wài）墙保温的（de）三种主要形式[8]。外墙外保温技术是在（zài）墙体外侧（cè）施加保温材料，相比于其他两种形式效率高且便于施工（gōng），故选用此（cǐ）种形（xíng）式。屋面保温主要有平屋顶改坡（pō）屋顶与增加保温层两种改造形式，但老（lǎo）旧小区屋顶荷载有（yǒu）限，且平（píng）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（mù）前常见用于改造的保温材料有膨胀聚苯板（EPS）、挤塑（sù）聚苯板（bǎn）（XPS）、泡沫混凝土与膨胀珍珠岩等，结合经（jīng）济因素选择（zé）挤塑（sù）聚苯板（bǎn）（XPS）和膨胀聚苯板（EPS）作为增设保温层的材料，并分别提出（chū）三种厚度方（fāng）案，运用DeST-h软件进行模拟验证。
由表2、表3可以看出（chū），当建（jiàn）筑增设（shè）保温层时，虽然建筑冷负荷有所上升，但建筑热（rè）负荷及总负荷降幅明显，保温层厚度的增加会进一步（bù）降低建筑总负荷（hé）。在同等厚度的情况（kuàng）下，挤塑聚苯板（bǎn）（XPS）的节能效率更高。
表2 全年累计（jì）负荷及相对节能（néng）率（EPS）
表（biǎo）3 全年累计负荷及相对节能率（XPS）
3.2外（wài）窗改造策略模拟
外窗节能在整（zhěng）个建筑节能中的占比可达40%[9]。外窗改造（zào）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（xìng）。本研究在进行（háng）被动式改造策略验证时，选择（zé）普通中空玻（bō）璃与真（zhēn）空+镀 low-e膜玻璃。
通过（guò）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（dù） low-e膜玻璃传（chuán）热系数低（dī），保温能力强，虽然会阻（zǔ）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（zhōu）市（shì）的夏季，传热（rè）系数低不利于夜（yè）间（jiān）室内（nèi）向（xiàng）室外散热，所以真空+镀 low-e膜玻（bō）璃（lí）会造成冷负荷上升（shēng）（见表4）。
表4 全年累计负荷及相（xiàng）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（chuāng）户（hù）布置外遮阳的方式（shì）在夏季（jì）能遮挡大部分的太阳辐射。本（běn）研究选取300 mm、600 mm、900 mm的（de）固定式水平遮阳板和900 mm可调节水平遮（zhē）阳板进行（háng）测试验证。
在建（jiàn）筑南侧（cè）增加遮（zhē）阳板，夏（xià）季可以阻挡太阳直射，从（cóng）而（ér）降低冷负荷需求（qiú）。由表5可知，固定式遮阳板（bǎn）会造成建筑热（rè）负荷的增加，从而增加建筑总（zǒng）负荷。所（suǒ）以需设置水平可调（diào）节遮阳板（bǎn），保证住户（hù）5月到10月的遮阳需求，并避免冬季太阳辐（fú）射遮挡。
表5 全年累计负荷及相对节能率（lǜ）（遮阳（yáng）板）
3.4通风（fēng）改造策略模拟（nǐ）
在（zài）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（guò）改（gǎi）变建筑室内外的风压差（chà），从而增加建筑的进风量（liàng）。在DeST-h软件中进行策略模拟时，通过设定模（mó）型室内外换气次数，来控制建（jiàn）筑的进风量，从而模（mó）拟通风对建筑能耗的影响[11]。
由表6可知，当（dāng）建筑通风改善时，冷负荷（hé）会（huì）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（dài）走室内多余的热量。但（dàn）进（jìn）风量的增（zēng）加也会对建筑的保温提出更高的要求。综合分析，建筑（zhù）的（de）通风改造（zào）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（duì）节能率（通（tōng）风）
3.5策略组合模拟
上述验证，证明了单一被（bèi）动式改（gǎi）造策略可以降低建筑能耗。为验证策略组（zǔ）合的有效性，选择70 mm厚挤塑（sù）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（tōng）风改（gǎi）造进行组合验证。
由（yóu）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（dòng）式策略改造后的建筑热负荷（hé）时相对节能率下降了74.2%，冷负荷时相对节能率上（shàng）升了24%，建筑总负（fù）荷的相对节能率（lǜ）下降了（le）60.6%。由此可以看出，采用气候分析得出的被（bèi）动式改造策略在（zài）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。
表7 全年累计负荷及相对节（jiē）能率（lǜ）（通风（fēng））
4结论
模拟（nǐ）数（shù）据能够证明基于气候（hòu）分（fèn）析的被动式改造策略的有效性。
（1）以往对于老旧小区的改造，基（jī）本上是依赖建筑师的经验或（huò）建筑师依据短（duǎn）期调研（yán）后对当地气候条件的粗略判断（duàn），易造成改造效果不佳的（de）情况。本研（yán）究运用Climate Consultant软件对兰州市（shì）气候数据进行分析，并结合大量实地调研，从而使被动式改造策略在满足改造实际需求的同时（shí），能尽可能地降低建筑能（néng）耗。
（2）文中涉及（jí）的保温、外窗、遮阳、通风（fēng）等（děng）被动式改造策略，都可大幅降低建筑总负荷，并且有改造成本低、技术简单、易于施工与普及的（de）特点。
（3）不同的老旧小区，可能（néng）面临（lín）不同的现状问题（tí），并且改造对于成本的控制要求严格。因此，可针对不同的实际问题，对被动式改造策略进（jìn）行灵活组合，寻找（zhǎo）最经济适宜的改造方案。
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来源：《城（chéng）市建筑》
2022年3月1日，住建部印发《“十四五”建筑节能与绿色（sè）建筑发展规划》，规划具体目标（biāo）：要求到2025年，完成既有建筑节能改造面积3.5亿平方米（mǐ）以上（shàng），建（jiàn）设超低能耗、近零能耗建筑0.5亿平方米（mǐ）以上。“十四五”期间，被动式（shì）超低能（néng）耗建筑将会是行业重头戏（xì），PHI被动房建造师将是国内超低能耗建筑、双碳领域最急需的专业一线技术（shù）人才。
