老旧居住区低碳改造仿真实验平台设计与实践

蒋博雅， 黄 浩， 邵望格， 葛 峰， 丁园杰， 刘 峰

（南京工业大学建筑学院，南京 211816）

0 引 言

2020年提出的双碳目标对建筑学专业教学思考与改革提出了新的要求和挑战。建筑业是能耗大户，建筑全过程能耗约在我国总能耗所占的比例约为45.5%，其全生命周期碳排放总量约为全国能源碳排放总量的50.9%［1］。坚持绿色发展理念尤为重要［2］，因此大力发展低碳节能建筑，优化建筑用能结构，提升城乡建设绿色低碳发展质量成为近几年政府工作的重点［3］。

据国家统计局不完全统计，2020 年我国城镇化率仅增长0.83%［4］。随着城镇化进程放缓，目前的城市发展关注重点由城市扩张转移至城市更新。我国已明确指出要实施城市更新行动，同时强调要推进生态修复、老旧小区的改造与建设等举措［5］。学者对此进行了积极探索，周剑锋等［6］基于湖南常德的城市更新实践，构建了“双碳”目标下的高质量城市更新框架；李长春等［7］以攀枝花雅砻江二滩大厦改造提升项目实践为例，探索了智能一体化低碳技术在城市更新工程的应用。居住建筑占比大，其建筑能耗和全生命周期碳排放总量约占全国建筑的79.3%［8］，其中以老旧居住建筑尤为明显。综上所述，推动城市更新中老旧居住区低碳改造刻不容缓。

当前，除了进行城市存量背景下老城区改造更新外，城市更新工作还面临着“双碳”目标下的减碳压力，相关研究依然处于探索阶段［9］，对于居住区减碳研究，尤其是对城市更新中的老旧居住区减碳改造的相关研究不多。鉴于其对环境影响和低碳节能潜在的有益效果，对其进行定量研究具有较强的理论和现实意义。因此，既有老旧居住区减碳改造研究必不可少。建筑碳排放模拟是关键一步［10］，但现有的建筑全生命周期碳排放核算模型集中在建筑材料生产、运输，工程建造，建筑运行和拆除回收各阶段，规范中尚缺乏从综合评价角度来探索含有太阳能板、建筑材料碳汇、植物固碳等的CO2强度生命周期变化趋势与变动规律。本文选取典型居住区南京市栖霞区南湾营馨康苑，从低碳改造出发建立改造过程各阶段碳排放计算模型，模型包含外墙保温材料、玻璃材质和光伏系统产能等各改造方案的模拟参数，通过实验数据比对得出居住区建筑改造前后的能耗差异、碳汇增量、植物固碳增量和建筑运行阶段碳排放差值，并应用Unity 3D技术搭建实验仿真平台，为居住区低碳改造工作提供设计建议和数据支撑。

1 实验平台框架及技术支持

1.1 实验平台框架

图1 所示为基于虚拟仿真技术设计的仿真实验平台框架，平台以Unity 3D 引擎架构，囊括盈建科软件集群和数据核算模块，前者以盈建科各软件协同处理图纸和模型文件，并模拟能耗数据；后者集合了建筑碳汇与植物固碳、太阳能系统、全生命周期碳排放三部分的核算模型。二者以互联网进行“云”串流，实现了方案设计与数据模拟的实时同步。

图1 虚拟仿真实验平台框架

本文的建筑施工图，以盈建科施工图软件Archi CAD绘制并补全图纸信息，经盈建科转图软件Yxtgj将二维图纸转为含有三维数据的模型，再以盈建科BIM软件YJK 建立建筑学BIM 模型（见图2）。在BIM模型中录入方案信息，上传仿真平台，以盈建科能耗软件Y-GBEC 模拟用能结构，以数据核算模块进行数据仿真模拟。

图2 居住区某居民楼（a）施工图，（b）BIM模型

图3 所示为居住区低碳改造总体流程，居住区现状方案和低碳改造方案均以上述方式进行仿真模拟，通过前后数据对比反映减碳改造成果。

图3 居住区低碳改造总体流程

图4 所示为实验平台中的远程多维互动模型，该模型依托于课程，以平台为媒介传达各方信息并布置回收实验任务。

图4 实验平台远程多维互动模型

1.2 实验仿真平台技术支持

Unity 3D是一个层级式的综合开发环境，其支持的脚本语言包括JavaScript、C＃、Python，本实验以JavaScript语言进行程序编写。碳排放核算模块内嵌碳排放计算数学模型，实现了碳排放数据的自动化计算。此外，Unity 3D 支持外部模型导入，构建虚拟场景，通过编程实现虚拟漫游。

2 城市更新中老旧居住区低碳改造仿真实验系统

2.1 实验对象选取

实验选取位于南京市栖霞区某2005 年建成的居住区作为改造研究对象（见图5），居住区占地面积88 680 m2、建筑面积149 856 m2，构建仿真实验平台进行居住区低碳改造仿真模拟（见图6）。

图5 目标居住区全景图

图6 仿真平台界面

2.2 实验步骤

实验步骤包括5 个环节：①对住区改造工作进行模块化分解，基于Unity3D引擎架构仿真平台，协同盈建科软件集群，编写数据核算模块；②开展减碳设计；③以平台进行仿真模拟；④综合分析全过程数据、评估影响因素；⑤总结实验报告。图7 所示为实验流程图。

图7 实验流程

2.3 碳排放核算模型构建

2.3.1 全生命周期碳排放核算模型

碳排放核算以建筑碳排放全生命周期理论为基础，遵循老旧居住区改造设计逻辑。对实验项目进行系统化划分，明确低碳改造涉及的碳排放阶段，依据国家规范架构科学碳排放核算系统［11］。

式中：CM为建筑运行阶段的碳排放量，kg／m2；Ei为建筑第i类能源年消耗量；EFi为第i类能源的碳排放因子，按《碳排放计算标准》（GB／T 51366—2019）附录A取值；i为建筑消耗终端能源类型，包括电力、燃气、石油、市政热力等；CP为建筑绿地碳汇系统年减碳量，kg／a；y为建筑设计寿命，a；A为建筑面积，m2。

通过JavaScript语言嵌入核算公式撰写程序，录入Unity引擎编程碳排放核算模块，实现碳排放数据的自动化计算。

2.3.2 多晶硅太阳能光伏板的设定

太阳能系统计算模块囊括现有太阳能相关各参数的核算模型［12］，远程链接太阳能计算平台PVWatts Calculator，平台包括各项PV 模块类型和矩阵阵列的选择（见表1、图8），结合成本生成科学的太阳能设计方案。

表1 太阳能系统矩阵阵列类型

图8 太阳能系统PV模块类型

2.3.3 碳汇模型

碳汇的增量可以有效提高二氧化碳的吸收量进而达到减碳的目标，国家规范中碳汇CP包括建筑碳汇和植物固碳［11］，本文对此进行进一步的提炼。

（1）建筑碳汇。改造过程中增加的碳汇量主要为改造方案中所需的水泥砂浆，参考李绥等［13］和郗凤鸣等［14］的研究，经过整合的计算式如下：

式中：C为某一地块的建筑矿物材料碳汇量，t；SR为该地块的建筑容量，m2；V为单位建筑面积的矿物产品用量，m3／m2；H为单位体积矿物产品中的矿物原料含量，kg／m3；λ 为计算时间内矿物质材料的碳化率%；MCaO为材料中CaO的质量分数，%；γ为CaO可碳化的转化率，% ；T为CO2与CaO 的分子质量比，MCO2／MCaO，其值为0.786。

（2）植物固碳。对居住区绿化进行重新设计以增加植物固碳量，将居住区绿化信息输入仿真平台计算现状绿化固碳量，平台包含常用景观植物固碳数据，核算模型参考Potter等［15］的研究，采用基于植被净生产力模型（Carnegie Ames Stanford Approach，CASA）估算固碳量。平台在改造设计过程中实时提供建议植物物种，供设计参考，改造后绿化方案数据再次录入平台计算固碳量，通过结果数据前后对比反映该部分设计成果。

3 仿真实验结果与分析

仿真实验基于建筑全生命周期碳排放理论，着重于降低建筑运行阶段碳排放。由式（1）可知，该阶段能耗和碳汇为主要变量，故实验着重于“节能”和“增汇”。节能包括建筑外墙保温改造、外窗玻璃材质改造和太阳能系统；增汇包括增加建筑碳汇和植物固碳量。

3.1 节能改造及仿真实验模拟

分析数据可知居住区现状运行阶段消耗最多的能源为电能，其次为天然气，如图9 所示。南京市位于夏热冬冷地区，对空调设备依赖较大，因此减少电能消耗是改造设计的重点。

图9 改造前某居民楼年耗能情况

3.1.1 外墙保温和窗户玻璃改造

外墙保温改造减少冬季室内热量流失，窗户玻璃材质改造可调节射入室内的太阳辐射，二者以被动式节能方法减少了暖通空调设备的使用，进而达到节能的目的。实验平台囊括了二者常见改造做法，包括材料种类、厚度和做法，以虚拟仿真技术把握材料全寿命周期综合效益［16］。从建筑能耗和改造过程产生的碳排放两方面输出结果，通过数据分析，选择各部分最佳方案。

（1）外墙改造。图10 所示为外墙保温改造方案，采用120 mm 真空绝缘板时，取得最佳节能效果19.77%［见图10（a）］，但由于其成本过高，为其他材料的2 ～8 倍，不具备现实可行性，故不予采用。另外采用聚氨酯材料时，产生的材料生产、材料运输阶段碳排放量过高，亦不予采用［见图10（b）］。

图10 外墙改造各方案能耗及碳排放数据模拟

其余材料中，节能效果最佳的是120 mm XPS 挤塑聚苯板为16.75%，其次是120 mm EPS石墨聚苯板为16.30%［见图10（a）］。其中依据《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）XPS 挤塑聚苯板不可用于9层以上建筑，故在居住区多层住宅外墙改造中使用120 mm XPS挤塑聚苯板，每年减少建筑运行阶段碳排放量623.4 t，较改造前减少16.48%；小高层外墙改造选用120 mm EPS 石墨聚苯板，每年减少建筑运行阶段碳排放量832.7 t［见图10（c）］，较改造前减少16.04%。

（2）窗户玻璃改造。图11 所示为窗户玻璃改造方案，采用中透光氩气Low-e玻璃时，取得最佳节能效果为2.36%［见图11（a）］，每年减少建筑运行阶段碳排放量208.5 t［见图11（c）］，较改造前减少2.39%，故予以采用。

图11 窗户玻璃改造各方案能耗及碳排放数据模拟

3.1.2 太阳能系统优化

在仿真平台输入南京市地理信息，仿真平台基于地理信息分析年太阳高度角变化（见图12），进行各角度年产能模拟计算，系统最大年产能对应的PV 起坡角度和方位角度即为最佳（见图13）。南京市位于北纬32.1°、东经118.8°，平台计算得出南京地区PV 板最佳起坡角度为29°，最佳方位角度为180°。

图12 南京市全年正午太阳高度角分析结果

图13 PV板起坡角度及方位角度与系统年产能关系图

平台选择了标准PV 阵列和固定矩阵，最大年产能为520 MWh／a（见图14），占改造前年度用电量的4.17%，减少居住区碳排放量368.1 t／a，较改造前减少了4.07%。

图14 太阳辐射强度及太阳能系统月产能

3.2 增汇改造及仿真实验模拟

3.2.1 建筑碳汇

外墙改造工程中需以1∶3抹灰水泥砂浆设20 mm的找平层，该水泥砂浆重量配合比为—水泥∶砂∶水＝1∶3∶0.6。基于施工图测得目标居住区建筑外墙面积为58 973.9 m2，计算得所需水泥砂浆为4 100.8 t，其中水泥质量为891.5 t。将以上数据录入仿真平台，计算得出小区改造后增加碳汇184.3 t（见图15），每年可额外减少居住区碳排放量3.69 t，较改造前增加20.75%。

3.2.2 植物固碳

目标居住区绿化年固碳量为305.89 t，分析数据筛选固碳能力低的植物种类（见图16），以固碳能力高的植物物种进行代替，达到提高固碳量的目的。平台生成3 个方案，侧重点各不相同：方案1 重点考虑植物固碳量；方案2 从生物多样性入手，植物种类最多；方案3 综合考虑绿地景观性和改造成本（见图17）。仿真实验结果表明：方案1 固碳提高最明显，年固碳量达到了654.19 t，提高了114%，但植物类型单调，成本很高为160.8 万元；方案2 将矛盾集中于5 类固碳释氧能力最弱的植物种类，以各类高固碳释氧植物进行替代，成本虽有所降低但固碳量提高有限；相较而言方案3 绿地景观性最好，以较低的成本14.4 万元取得了良好的固碳效果，年固碳量为426.13 t，提高了39%，具备很高现实可行性，故予以采用（见图18）。

图16 改造前社区绿化植物及日固碳释氧量

图17 绿化植被固碳优化设计各方案

图18 社区绿化和改造方案的年固碳量、改造成本及固碳量提高比例示意图

4 结 语

本文编程搭建老旧居住区低碳改造虚拟仿真实验平台。仿真实验数据包括建筑能耗、各阶段碳排放量，通过改造前后数据比对验证减碳效果，结果表明：

（1）外墙保温改造可明显降低建筑运行阶段的碳排放，在目标居住区低碳改造中，多层住宅选用120 mm XPS挤塑聚苯板为保温材料，降低建筑运行能耗16.75%，每年减少建筑运行阶段碳排放量623.4 t，较改造前减少16.48%；高层住宅以120 mm EPS石墨聚苯板为保温材料，降低建筑运行能耗16.30%，每年减少建筑运行阶段碳排放量832.7 t，较改造前减少16.04%。

（2）窗户玻璃材质对建筑运行阶段碳排放有一定影响，目标居住区外窗材质改造选择中透光氩气Lowe玻璃，减少建筑运行能耗2.36%，每年减少建筑与性阶段碳排放量208.5 t，较改造前减少2.39%。

（3）太阳能系统设计与地区区位相关性较高，经仿真模拟得到南京地区太阳能最佳PV板起坡角度为29°，方位角180°。基于此，设计标准PV 阵列的固定矩阵太阳能系统，得到最佳年产能520 MWh／a，每年可减少建筑运行阶段碳排放368.1 t，较改造前减少了4.07%，减碳效果明显。

（4）通过外墙改造所用的水泥砂浆增加建筑碳汇20.75%，每年额外减少碳排放量3.69 t；通过在绿化方案中选择高固碳量植物种类，提高社区绿化年固碳量39%，每年额外减少碳排放量120.2 t；碳汇系统总体减碳能力较改造前提高了38.29%。

对于社区层面而言，“双碳”背景下的老旧居住区改造工程应着重于低碳减排设计，充分把握建筑全生命周期理论中与住区改造相关的阶段，降低建筑运行阶段碳排放量是重中之重，该部分应综合考虑建筑碳汇变动、植物固碳提高对结果的影响。此外，在通过外墙保温、日照调节优化室内环境、改善用能结构的基础上，也应考虑采用绿色能源系统以降低建筑净能耗量，进而达到减碳的目标。