摘 要 老舊小（xiǎo）區建造之（zhī）初，節能環保的設計理（lǐ）念並未成為設計依據與（yǔ）遵循標準。調研結果顯示，蘭州老（lǎo）舊小區在室內熱環境與建築節能等方麵存在（zài）問題，不符合綠色發展的要求。因此（cǐ），如何在滿足（zú）居民對（duì）室（shì）內熱環境需求的同（tóng）時，盡可能地降低建築能耗，便成為老舊小區改（gǎi）造的一大問題。文章運用Climate Consultant軟件對蘭（lán）州當地氣候數據進（jìn）行分析，並結合老舊小區現狀（zhuàng）問題得出適應當地氣（qì）候（hòu）的被（bèi）動式建築改造策略，最（zuì）後通過DeST-h軟件對（duì）策（cè）略進行定量模擬。結果顯（xiǎn）示（shì），在保溫、外窗、遮陽、通風等方麵采取的被動式改造措施（shī），能（néng）保證室內熱環境舒適度的前提下有效降低建築能耗。同時（shí），對單一被動（dòng）式改造策略與（yǔ）組合被動式改（gǎi）造策略（luè）的定量（liàng）模擬，可為（wéi）當地老舊小區改造提供參考與借鑒。
關（guān）鍵詞 氣候（hòu）數據；老舊小區；被（bèi）動式改造策略；軟（ruǎn）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（qū）。由於當時整體設計水平與建築技術有限，加（jiā）之年代久遠（yuǎn），這些房屋（wū）開始出現建築性能退化，已經無法滿足居民的需求。2019年（nián）6月19日，國務院常務會議提出部署推（tuī）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，群眾願望強烈，是重大（dà）民（mín）生工程和發展工程[1]。蘭州（zhōu）市政（zhèng）府也在不斷探索與推進老（lǎo）舊小區改造的新模式，旨在解決（jué）老舊（jiù）小區（qū）日益突出的問題。
目前老舊小（xiǎo）區改造研究已經受到學（xué）者們的重視，相關研究（jiū）已由案例分析向設計施工[2]與（yǔ）改造評價體係構建[3]等方（fāng）麵推進。但在研究（jiū）內容上，缺少結合氣候分析的（de）節（jiē）能改造策略研究（jiū）；在研（yán）究方法上，缺少對策略的（de）定量模（mó）擬。故本研究采用Climate Consultant軟件，通過對蘭（lán）州市（shì）氣候數據的分析，結合老舊小區現狀問題得出被動式（shì）改造策略。同時，運用DeST-h軟件（jiàn）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（shì）設計與老舊小（xiǎo）區改造的適配性
1.1蘭州老（lǎo）舊小區（qū）存（cún）在的（de）問題
通過對蘭州市（shì）1980—1990年建成的多（duō）個老舊小區進行實地走訪調（diào）研，發現存在保溫層缺失、外（wài）窗老舊、樓梯（tī）間開敞、建築通風（fēng）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（xiàn），蘭州（zhōu）老舊小區由於建成年代久遠，受限於當時（shí）的設計標準並未設置保溫層，磚牆體（tǐ）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（sù）升高；冬季，房間又會迅速（sù）流失（shī）熱量（liàng），導致室溫下降。為維持室內（nèi）熱環境（jìng）的舒（shū）適度（dù），居民需要大量依靠電器，增加了（le）建築（zhù）能耗，造成了能源浪（làng）費。
（2）外窗老舊。老（lǎo）舊小（xiǎo）區內建築的外窗構件多為木質或鋼質，由於（yú）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密性等方麵均存在較大問題。外窗也成為圍護結構（gòu）的薄弱環節。
（3）樓（lóu）梯（tī）間（jiān）開敞。蘭（lán）州老舊（jiù）小區樓梯間多為開敞式設計，不設門窗。而設置外窗與單元（yuán）門的樓梯間（jiān）也因缺（quē）乏維護與修繕，破損嚴重。這就導致（zhì）冬季（jì）樓梯間的溫度較低，從而影響了居民室內溫度，使采（cǎi）暖能耗增加。
（4）建築通（tōng）風差。在實地調研中發現，許多舊建築在布局時並未考慮朝向與夏季主導風向的關係，同時還存在建築密度大、樓間距小等問題。這導致老舊小區內部空氣（qì）流（liú）動差，也影響了建築通（tōng）風。
1.2被（bèi）動式（shì）設計在改造中的運用（yòng）
被動式設計是指（zhǐ）通過建築設計而非機械設備幹預創建舒適室內熱（rè）環境的技（jì）術[4]。由於被動式設計技術有熱舒適度高、適應性強、節能環保、運（yùn）行成本低等優點，近（jìn）年來（lái）被廣（guǎng）泛應用於建築改造中。被動式設計可以通（tōng）過場地再設計、建築（zhù）內（nèi）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，最（zuì）大限度地利用光、熱（rè）、風等自然資源，營造舒（shū）適室內熱環（huán）境，降低（dī）建築能耗。
被動式設計策略可（kě）以廣泛地應用於老舊小區改造中，不但能（néng）解決老舊小區麵臨的問題，提升室內熱環境舒適度，而且對環境影響小，穩定可靠，易（yì）於維護管理，更可以降低居民（mín）生活成本。
2老舊小區被動式（shì）改造策略（luè）分析
老舊小區的被動式改造過程中，需要盡可能減（jiǎn）少建築能耗並營造舒適的室內熱（rè）環境，這離不開對當地氣（qì）候的全麵分析。本研究所采用的蘭州當地氣象數據全（quán）部來源於氣象分析軟件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（qì）象數（shù）據轉化為易於理解的圖示語言，還可以得到20條基於當地（dì）氣候的被動式設計策略。將被動式設計（jì）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（zuì）後提出保溫改造、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（wéi）Ⅱ類，屬於（yú）寒（hán）冷A區[5]。如圖 2所示，蘭州冬季溫度普（pǔ）遍低於舒（shū）適區間，最冷月1月平均低溫可達-10 ℃。在滿足建築內（nèi）部（bù）主動得熱的前提下，減少熱量的損失就（jiù）是改造麵臨（lín）的主要問題。因此，需在外牆（qiáng）與屋頂增設保溫層（céng），增加牆體的導熱熱阻，從而減少冬季由（yóu）室內向室（shì）外傳遞的熱（rè）量。
圖（tú）2 溫度範圍和舒適區（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（yáng）輻射強度大，即使（shǐ）冬季，最高每小時水（shuǐ）平麵總輻照量也可達到474 Wh /m2 （見圖3）。針（zhēn）對當地冬季低溫、高輻射的（de）氣候條件，可對建築外窗進（jìn）行更（gèng）換。在冬季，節（jiē）能外窗可以保證太陽輻射進入室內並減少（shǎo）熱量由窗向室外的流失。同時，樓梯間更換節能外窗，也可增加建築整體氣密性。
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（hù）遮陽
由圖3可見，蘭州市全年有14％的時間每小時水平麵總輻照量在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，蘭州市（shì）有6.9%的時間需要采取（qǔ）窗戶遮陽措施（shī）。可設置水平遮陽板，解決光熱矛盾。
2.4通風改造
建築室內熱環境舒（shū）適度受溫度、濕度及風速的影響[6]。蘭州市空氣濕度較高（gāo）（見圖4），全年有42％的時間相對濕度（dù）大於80％。當溫度升高時，需要采取通風措（cuò）施，提高室內熱環境（jìng）的舒適度。
圖4 蘭州地區相對濕（shī）度3D圖（圖片來源：作者自繪）
自然通（tōng）風主要依靠建築室內外存在的風壓[7]。針對蘭州老舊小區的實際情況，首先可將封閉式圍牆改為可透風式，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（yòng）吸收熱量，使（shǐ）綠化（huà）與建築間形成溫差（chà），從而增強空氣流動（dòng）；最後對受街道或地形影響（xiǎng）而無法麵向夏（xià）日（rì）主導風向的建築，可（kě）結合導（dǎo）風板（bǎn），將自（zì）然風引入室內（nèi）。
3被動式改造策略（luè）定量模擬
實施策略（luè）定量模擬（nǐ）的思路是（shì）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（ruǎn）件進（jìn）行單項（xiàng）改造策略模擬計（jì）算，從而驗證策略的有效性。最後，將單項（xiàng）改造方案進行整合（hé），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（hé）的有效性。
本研究選（xuǎn）取局機關家屬院2號樓作為典型住棟，建築基本信息見表1。在參數設置時，采取控製（zhì）變量的方法，僅對改造參數進行（háng）調整，其餘參數保持不變。
表1 住（zhù）棟概況（kuàng）
3.1保溫改造策略模擬
內保溫、夾心（xīn）保溫和外保溫是外（wài）牆保溫的三種主要形式[8]。外牆外保溫技術是在牆體外側施加（jiā）保溫材料（liào），相（xiàng）比於其他兩種形式效率高且便於施（shī）工（gōng），故選用此種形式。屋麵保（bǎo）溫主要有（yǒu）平屋頂改坡（pō）屋頂與增加保溫層兩種改造形式，但（dàn）老舊小區（qū）屋頂荷載有（yǒu）限，且平改坡的方（fāng）式成本高、實施難度較大，故選用增加（jiā）保溫層的（de）方式。目前常見用於改造的保（bǎo）溫（wēn）材料有膨脹聚苯板（EPS）、擠塑（sù）聚苯板（XPS）、泡沫混凝土與膨脹珍（zhēn）珠岩（yán）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，並分（fèn）別提出三種厚度方案，運用DeST-h軟件進行（háng）模擬驗證。
由表2、表3可以看出，當（dāng）建築增設保溫層時（shí），雖然建（jiàn）築冷負荷（hé）有所上升（shēng），但建築熱負荷及總負荷（hé）降幅明顯，保溫層厚度的增加（jiā）會進一步降（jiàng）低建築總負荷。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（nián）累計負荷及相對節能率（lǜ）（EPS）
表3 全年累計（jì）負（fù）荷及相（xiàng）對節能率（XPS）
3.2外窗改造策略模擬
外窗節能在整個建築節（jiē）能中的（de）占比可達（dá）40%[9]。外窗（chuāng）改造不但可以改善建築光熱矛盾，同時也能提升建築隔音性與氣（qì）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。
通過模擬發（fā）現，兩種節能窗均可以大幅度（dù）降低建築總負荷。真空+鍍 low-e膜玻（bō）璃傳熱係數低，保溫能力強，雖然會阻隔更多的太陽輻（fú）射，但總體來講，熱負荷（hé）的節能效果優於普通中空玻璃。但在蘭州市的夏季，傳熱係數低不利於夜（yè）間室內向（xiàng）室外（wài）散熱，所以真空+鍍 low-e膜玻（bō）璃（lí）會造成（chéng）冷負荷上升（見表4）。
表4 全年累計負荷及（jí）相對節能率（外（wài）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（guāng）的前提下，降低建（jiàn）築冷負荷，從而提高節能效（xiào）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（dà）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。
在建築南側增加遮陽板，夏（xià）季可以阻擋太陽直射（shè），從而降低冷負荷需求。由表5可知，固定式遮陽板會造成建築熱負荷（hé）的增加，從（cóng）而（ér）增加建築總負荷（hé）。所以（yǐ）需設置水平可調節遮陽板（bǎn），保證住戶5月到10月的遮（zhē）陽需求，並避免冬季太陽輻射（shè）遮擋。
表5 全年累計負荷及相對（duì）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（qū）場地環境各異，而上述關於通風的被動式改造策略，其作用原理都是通過改變建（jiàn）築室內外的風壓差，從而增加（jiā）建築的進風（fēng）量。在DeST-h軟（ruǎn）件中進行策略模擬時，通過設定模型室內外換（huàn）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[11]。
由（yóu）表6可知，當（dāng）建（jiàn）築通風改善（shàn）時，冷負荷（hé）會明顯下降。這是因為蘭州市夏季晝夜溫差較大，夜晚進風（fēng）量的增加會帶走室內多餘的熱（rè）量。但進（jìn）風量（liàng）的增加也會對（duì）建築的保溫提（tí）出更高的要求。綜合分析，建築的（de）通風改造策略會提升建築總負荷（hé）節能效率，應采用這項措施。
表6 全年累（lèi）計負荷及相對節能（néng）率（通（tōng）風）
3.5策略組合模（mó）擬
上述驗證，證（zhèng）明（míng）了單一被動式改造策略可以（yǐ）降低建築能耗。為驗證策略（luè）組合的有效性（xìng），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（háng）組合驗證。
由表7可知，將DeST-h模擬優化前後的建築總負荷進行對比，被動式策略改造（zào）後的建築（zhù）熱負荷（hé）時相對節能率下降了74.2%，冷負荷時相對節能率上升了24%，建築總負荷的相對節能率下降了60.6%。由此可以看出，采用（yòng）氣候分析得（dé）出的被（bèi）動式改（gǎi）造策（cè）略在滿足室內舒適的前提下，可減（jiǎn）少建（jiàn）築的能耗，且組合使用效果更明顯。
表7 全（quán）年累計負荷及相對節能率（通風）
4結論
模（mó）擬數據能夠證明基於氣候分析的被動式改造（zào）策略（luè）的有效性。
（1）以往對（duì）於老舊小區的改造，基（jī）本上是依賴建築師（shī）的經驗或建築師依據短期調研後對當地氣候（hòu）條件（jiàn）的粗略判斷，易造成改造效果不佳的（de）情況。本研究運用Climate Consultant軟件對蘭州市氣候數據進行分析，並結合大量實地調研，從而使被（bèi）動式改造（zào）策略在滿足改造實際需求的同時，能盡可能地降低建築能耗。
（2）文中涉及的保溫、外窗、遮（zhē）陽、通風等被動式改造策略，都可大幅降低建築總負荷，並且有改造成本（běn）低、技術簡單、易於施工與普及的特（tè）點。
（3）不同的老舊小區，可能麵臨不同（tóng）的現狀問題，並且改造對於成本的（de）控製要求嚴格。因此，可針對不同的實際問題，對（duì）被動式改造策略進行靈活組合，尋找最（zuì）經濟適宜的改造方案。
參考文（wén）獻
[1]李克強主持召開國（guó）務院常務會議[EB/OL]．[2022-12-20]（2019-06-19）．http://www.gov.cn/guowuyuan/cwhy/20190619c19/mobiles.htm．
[2]楊誌峰，徐偉，胡百根．老舊小區住宅樓綜合改造技術與管（guǎn）理（lǐ）[J] ．施工技術，2015，44（19）：122-124．
[3]李玲燕，顧昊．基於AHM-可（kě）拓評價模型的老舊小區綠色改（gǎi）造綜合效益評價研究[J]．生態經濟，2021，37（03）：95-100，160．
[4]楊柳，楊晶晶，宋冰，等．被動式超低能耗建築設計基礎與應用[J] ．科學通報，2015，60（18）：1698-1710．
[5]中國建築（zhù）科學研（yán）究院（yuàn）．嚴寒和寒冷地區居住建築節能設計標準：JGJ 26—2010[S]．北京：中國建築工業出版社，2010．
[6]端木琳，孫星維，李（lǐ）祥（xiáng）立，等（děng）．中國各地區人體熱舒適與室內熱環境（jìng）參數的關係[J]．建築科學（xué），2017，33（06）：115-122．
[7]陳勇，王旭，孫炳楠，等．單體房（fáng）間室內通風（fēng）多影響因素（sù）的試驗研究[J]．浙江大學學報（工學版），2012，46（04）：658-664．
[8]鄭倩． 北（běi）方寒冷地區既有住區建築圍護體係綜合節（jiē）能改（gǎi）造策（cè）略研究（jiū）[D]．大連：大連理工大學，2021．
[9]張賽，萬元林，王（wáng）平波，等．寒冷地區城（chéng）市既（jì）有居住建（jiàn）築節能改（gǎi）造研究[J]．施工技術，2013，42（S1）：488-490．
[10]崔豔秋，李炳雲，劉鬆．寒冷地區窗口百葉外遮陽節能改造設計策略探討[J]．建築節能，2018，46（04）：127-129．
[11]張曉亮，朱光俊，江（jiāng）億．建築環境設計模擬分析軟件DeST 第13講 住宅模擬優化實例[J]．暖通空調，2005（08）：65-72，109 ．
來源：《城市建築》
2022年3月1日，住建部印發《“十四五”建築節能與綠色建築發展規劃》，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（yì）平（píng）方米以上，建設超低能耗、近零能耗建築0.5億平方米以上。“十四五”期間（jiān），被動式（shì）超低能耗建築將會是行業重頭戲，PHI被（bèi）動房建造師將是國內超低能耗建築（zhù）、雙（shuāng）碳領域最急（jí）需（xū）的專業一線技術人才。
