老舊居住區(qū)低碳改造仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

蔣博雅， 黃 浩， 邵望格， 葛 峰， 丁園杰， 劉 峰

（南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，南京 211816）

0 引 言

2020年提出的雙碳目標(biāo)對(duì)建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)思考與改革提出了新的要求和挑戰(zhàn)。建筑業(yè)是能耗大戶，建筑全過(guò)程能耗約在我國(guó)總能耗所占的比例約為45.5%，其全生命周期碳排放總量約為全國(guó)能源碳排放總量的50.9%［1］。堅(jiān)持綠色發(fā)展理念尤為重要［2］，因此大力發(fā)展低碳節(jié)能建筑，優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)，提升城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳發(fā)展質(zhì)量成為近幾年政府工作的重點(diǎn)［3］。

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局不完全統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)城鎮(zhèn)化率僅增長(zhǎng)0.83%［4］。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程放緩，目前的城市發(fā)展關(guān)注重點(diǎn)由城市擴(kuò)張轉(zhuǎn)移至城市更新。我國(guó)已明確指出要實(shí)施城市更新行動(dòng)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)生態(tài)修復(fù)、老舊小區(qū)的改造與建設(shè)等舉措［5］。學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了積極探索，周劍鋒等［6］基于湖南常德的城市更新實(shí)踐，構(gòu)建了“雙碳”目標(biāo)下的高質(zhì)量城市更新框架；李長(zhǎng)春等［7］以攀枝花雅礱江二灘大廈改造提升項(xiàng)目實(shí)踐為例，探索了智能一體化低碳技術(shù)在城市更新工程的應(yīng)用。居住建筑占比大，其建筑能耗和全生命周期碳排放總量約占全國(guó)建筑的79.3%［8］，其中以老舊居住建筑尤為明顯。綜上所述，推動(dòng)城市更新中老舊居住區(qū)低碳改造刻不容緩。

當(dāng)前，除了進(jìn)行城市存量背景下老城區(qū)改造更新外，城市更新工作還面臨著“雙碳”目標(biāo)下的減碳?jí)毫?，相關(guān)研究依然處于探索階段［9］，對(duì)于居住區(qū)減碳研究，尤其是對(duì)城市更新中的老舊居住區(qū)減碳改造的相關(guān)研究不多。鑒于其對(duì)環(huán)境影響和低碳節(jié)能潛在的有益效果，對(duì)其進(jìn)行定量研究具有較強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。因此，既有老舊居住區(qū)減碳改造研究必不可少。建筑碳排放模擬是關(guān)鍵一步［10］，但現(xiàn)有的建筑全生命周期碳排放核算模型集中在建筑材料生產(chǎn)、運(yùn)輸，工程建造，建筑運(yùn)行和拆除回收各階段，規(guī)范中尚缺乏從綜合評(píng)價(jià)角度來(lái)探索含有太陽(yáng)能板、建筑材料碳匯、植物固碳等的CO2強(qiáng)度生命周期變化趨勢(shì)與變動(dòng)規(guī)律。本文選取典型居住區(qū)南京市棲霞區(qū)南灣營(yíng)馨康苑，從低碳改造出發(fā)建立改造過(guò)程各階段碳排放計(jì)算模型，模型包含外墻保溫材料、玻璃材質(zhì)和光伏系統(tǒng)產(chǎn)能等各改造方案的模擬參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)得出居住區(qū)建筑改造前后的能耗差異、碳匯增量、植物固碳增量和建筑運(yùn)行階段碳排放差值，并應(yīng)用Unity 3D技術(shù)搭建實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，為居住區(qū)低碳改造工作提供設(shè)計(jì)建議和數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架及技術(shù)支持

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架

圖1 所示為基于虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架，平臺(tái)以Unity 3D 引擎架構(gòu)，囊括盈建科軟件集群和數(shù)據(jù)核算模塊，前者以盈建科各軟件協(xié)同處理圖紙和模型文件，并模擬能耗數(shù)據(jù)；后者集合了建筑碳匯與植物固碳、太陽(yáng)能系統(tǒng)、全生命周期碳排放三部分的核算模型。二者以互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行“云”串流，實(shí)現(xiàn)了方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)模擬的實(shí)時(shí)同步。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架

本文的建筑施工圖，以盈建科施工圖軟件Archi CAD繪制并補(bǔ)全圖紙信息，經(jīng)盈建科轉(zhuǎn)圖軟件Yxtgj將二維圖紙轉(zhuǎn)為含有三維數(shù)據(jù)的模型，再以盈建科BIM軟件YJK 建立建筑學(xué)BIM 模型（見圖2）。在BIM模型中錄入方案信息，上傳仿真平臺(tái)，以盈建科能耗軟件Y-GBEC 模擬用能結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)核算模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真模擬。

圖2 居住區(qū)某居民樓（a）施工圖，（b）BIM模型

圖3 所示為居住區(qū)低碳改造總體流程，居住區(qū)現(xiàn)狀方案和低碳改造方案均以上述方式進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)前后數(shù)據(jù)對(duì)比反映減碳改造成果。

圖3 居住區(qū)低碳改造總體流程

圖4 所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的遠(yuǎn)程多維互動(dòng)模型，該模型依托于課程，以平臺(tái)為媒介傳達(dá)各方信息并布置回收實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程多維互動(dòng)模型

1.2 實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)技術(shù)支持

Unity 3D是一個(gè)層級(jí)式的綜合開發(fā)環(huán)境，其支持的腳本語(yǔ)言包括JavaScript、C＃、Python，本實(shí)驗(yàn)以JavaScript語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫。碳排放核算模塊內(nèi)嵌碳排放計(jì)算數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了碳排放數(shù)據(jù)的自動(dòng)化計(jì)算。此外，Unity 3D 支持外部模型導(dǎo)入，構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)虛擬漫游。

2 城市更新中老舊居住區(qū)低碳改造仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

實(shí)驗(yàn)選取位于南京市棲霞區(qū)某2005 年建成的居住區(qū)作為改造研究對(duì)象（見圖5），居住區(qū)占地面積88 680 m2、建筑面積149 856 m2，構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行居住區(qū)低碳改造仿真模擬（見圖6）。

圖5 目標(biāo)居住區(qū)全景圖

圖6 仿真平臺(tái)界面

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟包括5 個(gè)環(huán)節(jié)：①對(duì)住區(qū)改造工作進(jìn)行模塊化分解，基于Unity3D引擎架構(gòu)仿真平臺(tái)，協(xié)同盈建科軟件集群，編寫數(shù)據(jù)核算模塊；②開展減碳設(shè)計(jì)；③以平臺(tái)進(jìn)行仿真模擬；④綜合分析全過(guò)程數(shù)據(jù)、評(píng)估影響因素；⑤總結(jié)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。圖7 所示為實(shí)驗(yàn)流程圖。

圖7 實(shí)驗(yàn)流程

2.3 碳排放核算模型構(gòu)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論為基礎(chǔ)，遵循老舊居住區(qū)改造設(shè)計(jì)邏輯。對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)化劃分，明確低碳改造涉及的碳排放階段，依據(jù)國(guó)家規(guī)范架構(gòu)科學(xué)碳排放核算系統(tǒng)［11］。

式中：CM為建筑運(yùn)行階段的碳排放量，kg／m2；Ei為建筑第i類能源年消耗量；EFi為第i類能源的碳排放因子，按《碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 51366—2019）附錄A取值；i為建筑消耗終端能源類型，包括電力、燃?xì)?、石油、市政熱力等；CP為建筑綠地碳匯系統(tǒng)年減碳量，kg／a；y為建筑設(shè)計(jì)壽命，a；A為建筑面積，m2。

通過(guò)JavaScript語(yǔ)言嵌入核算公式撰寫程序，錄入U(xiǎn)nity引擎編程碳排放核算模塊，實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的自動(dòng)化計(jì)算。

2.3.2 多晶硅太陽(yáng)能光伏板的設(shè)定

太陽(yáng)能系統(tǒng)計(jì)算模塊囊括現(xiàn)有太陽(yáng)能相關(guān)各參數(shù)的核算模型［12］，遠(yuǎn)程鏈接太陽(yáng)能計(jì)算平臺(tái)PVWatts Calculator，平臺(tái)包括各項(xiàng)PV 模塊類型和矩陣陣列的選擇（見表1、圖8），結(jié)合成本生成科學(xué)的太陽(yáng)能設(shè)計(jì)方案。

表1 太陽(yáng)能系統(tǒng)矩陣陣列類型

圖8 太陽(yáng)能系統(tǒng)PV模塊類型

2.3.3 碳匯模型

碳匯的增量可以有效提高二氧化碳的吸收量進(jìn)而達(dá)到減碳的目標(biāo)，國(guó)家規(guī)范中碳匯CP包括建筑碳匯和植物固碳［11］，本文對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的提煉。

（1）建筑碳匯。改造過(guò)程中增加的碳匯量主要為改造方案中所需的水泥砂漿，參考李綏等［13］和郗鳳鳴等［14］的研究，經(jīng)過(guò)整合的計(jì)算式如下：

式中：C為某一地塊的建筑礦物材料碳匯量，t；SR為該地塊的建筑容量，m2；V為單位建筑面積的礦物產(chǎn)品用量，m3／m2；H為單位體積礦物產(chǎn)品中的礦物原料含量，kg／m3；λ 為計(jì)算時(shí)間內(nèi)礦物質(zhì)材料的碳化率%；MCaO為材料中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；γ為CaO可碳化的轉(zhuǎn)化率，% ；T為CO2與CaO 的分子質(zhì)量比，MCO2／MCaO，其值為0.786。

（2）植物固碳。對(duì)居住區(qū)綠化進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以增加植物固碳量，將居住區(qū)綠化信息輸入仿真平臺(tái)計(jì)算現(xiàn)狀綠化固碳量，平臺(tái)包含常用景觀植物固碳數(shù)據(jù)，核算模型參考Potter等［15］的研究，采用基于植被凈生產(chǎn)力模型（Carnegie Ames Stanford Approach，CASA）估算固碳量。平臺(tái)在改造設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)時(shí)提供建議植物物種，供設(shè)計(jì)參考，改造后綠化方案數(shù)據(jù)再次錄入平臺(tái)計(jì)算固碳量，通過(guò)結(jié)果數(shù)據(jù)前后對(duì)比反映該部分設(shè)計(jì)成果。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)基于建筑全生命周期碳排放理論，著重于降低建筑運(yùn)行階段碳排放。由式（1）可知，該階段能耗和碳匯為主要變量，故實(shí)驗(yàn)著重于“節(jié)能”和“增匯”。節(jié)能包括建筑外墻保溫改造、外窗玻璃材質(zhì)改造和太陽(yáng)能系統(tǒng)；增匯包括增加建筑碳匯和植物固碳量。

3.1 節(jié)能改造及仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M

分析數(shù)據(jù)可知居住區(qū)現(xiàn)狀運(yùn)行階段消耗最多的能源為電能，其次為天然氣，如圖9 所示。南京市位于夏熱冬冷地區(qū)，對(duì)空調(diào)設(shè)備依賴較大，因此減少電能消耗是改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖9 改造前某居民樓年耗能情況

3.1.1 外墻保溫和窗戶玻璃改造

外墻保溫改造減少冬季室內(nèi)熱量流失，窗戶玻璃材質(zhì)改造可調(diào)節(jié)射入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射，二者以被動(dòng)式節(jié)能方法減少了暖通空調(diào)設(shè)備的使用，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)囊括了二者常見改造做法，包括材料種類、厚度和做法，以虛擬仿真技術(shù)把握材料全壽命周期綜合效益［16］。從建筑能耗和改造過(guò)程產(chǎn)生的碳排放兩方面輸出結(jié)果，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，選擇各部分最佳方案。

（1）外墻改造。圖10 所示為外墻保溫改造方案，采用120 mm 真空絕緣板時(shí)，取得最佳節(jié)能效果19.77%［見圖10（a）］，但由于其成本過(guò)高，為其他材料的2 ～8 倍，不具備現(xiàn)實(shí)可行性，故不予采用。另外采用聚氨酯材料時(shí)，產(chǎn)生的材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸階段碳排放量過(guò)高，亦不予采用［見圖10（b）］。

圖10 外墻改造各方案能耗及碳排放數(shù)據(jù)模擬

其余材料中，節(jié)能效果最佳的是120 mm XPS 擠塑聚苯板為16.75%，其次是120 mm EPS石墨聚苯板為16.30%［見圖10（a）］。其中依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）XPS 擠塑聚苯板不可用于9層以上建筑，故在居住區(qū)多層住宅外墻改造中使用120 mm XPS擠塑聚苯板，每年減少建筑運(yùn)行階段碳排放量623.4 t，較改造前減少16.48%；小高層外墻改造選用120 mm EPS 石墨聚苯板，每年減少建筑運(yùn)行階段碳排放量832.7 t［見圖10（c）］，較改造前減少16.04%。

（2）窗戶玻璃改造。圖11 所示為窗戶玻璃改造方案，采用中透光氬氣Low-e玻璃時(shí)，取得最佳節(jié)能效果為2.36%［見圖11（a）］，每年減少建筑運(yùn)行階段碳排放量208.5 t［見圖11（c）］，較改造前減少2.39%，故予以采用。

圖11 窗戶玻璃改造各方案能耗及碳排放數(shù)據(jù)模擬

3.1.2 太陽(yáng)能系統(tǒng)優(yōu)化

在仿真平臺(tái)輸入南京市地理信息，仿真平臺(tái)基于地理信息分析年太陽(yáng)高度角變化（見圖12），進(jìn)行各角度年產(chǎn)能模擬計(jì)算，系統(tǒng)最大年產(chǎn)能對(duì)應(yīng)的PV 起坡角度和方位角度即為最佳（見圖13）。南京市位于北緯32.1°、東經(jīng)118.8°，平臺(tái)計(jì)算得出南京地區(qū)PV 板最佳起坡角度為29°，最佳方位角度為180°。

圖12 南京市全年正午太陽(yáng)高度角分析結(jié)果

圖13 PV板起坡角度及方位角度與系統(tǒng)年產(chǎn)能關(guān)系圖

平臺(tái)選擇了標(biāo)準(zhǔn)PV 陣列和固定矩陣，最大年產(chǎn)能為520 MWh／a（見圖14），占改造前年度用電量的4.17%，減少居住區(qū)碳排放量368.1 t／a，較改造前減少了4.07%。

圖14 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及太陽(yáng)能系統(tǒng)月產(chǎn)能

3.2 增匯改造及仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M

3.2.1 建筑碳匯

外墻改造工程中需以1∶3抹灰水泥砂漿設(shè)20 mm的找平層，該水泥砂漿重量配合比為—水泥∶砂∶水＝1∶3∶0.6。基于施工圖測(cè)得目標(biāo)居住區(qū)建筑外墻面積為58 973.9 m2，計(jì)算得所需水泥砂漿為4 100.8 t，其中水泥質(zhì)量為891.5 t。將以上數(shù)據(jù)錄入仿真平臺(tái)，計(jì)算得出小區(qū)改造后增加碳匯184.3 t（見圖15），每年可額外減少居住區(qū)碳排放量3.69 t，較改造前增加20.75%。

3.2.2 植物固碳

目標(biāo)居住區(qū)綠化年固碳量為305.89 t，分析數(shù)據(jù)篩選固碳能力低的植物種類（見圖16），以固碳能力高的植物物種進(jìn)行代替，達(dá)到提高固碳量的目的。平臺(tái)生成3 個(gè)方案，側(cè)重點(diǎn)各不相同：方案1 重點(diǎn)考慮植物固碳量；方案2 從生物多樣性入手，植物種類最多；方案3 綜合考慮綠地景觀性和改造成本（見圖17）。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：方案1 固碳提高最明顯，年固碳量達(dá)到了654.19 t，提高了114%，但植物類型單調(diào)，成本很高為160.8 萬(wàn)元；方案2 將矛盾集中于5 類固碳釋氧能力最弱的植物種類，以各類高固碳釋氧植物進(jìn)行替代，成本雖有所降低但固碳量提高有限；相較而言方案3 綠地景觀性最好，以較低的成本14.4 萬(wàn)元取得了良好的固碳效果，年固碳量為426.13 t，提高了39%，具備很高現(xiàn)實(shí)可行性，故予以采用（見圖18）。

圖16 改造前社區(qū)綠化植物及日固碳釋氧量

圖17 綠化植被固碳優(yōu)化設(shè)計(jì)各方案

圖18 社區(qū)綠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圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文編程搭建老舊居住區(qū)低碳改造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括建筑能耗、各階段碳排放量，通過(guò)改造前后數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證減碳效果，結(jié)果表明：

（1）外墻保溫改造可明顯降低建筑運(yùn)行階段的碳排放，在目標(biāo)居住區(qū)低碳改造中，多層住宅選用120 mm XPS擠塑聚苯板為保溫材料，降低建筑運(yùn)行能耗16.75%，每年減少建筑運(yùn)行階段碳排放量623.4 t，較改造前減少16.48%；高層住宅以120 mm EPS石墨聚苯板為保溫材料，降低建筑運(yùn)行能耗16.30%，每年減少建筑運(yùn)行階段碳排放量832.7 t，較改造前減少16.04%。

（2）窗戶玻璃材質(zhì)對(duì)建筑運(yùn)行階段碳排放有一定影響，目標(biāo)居住區(qū)外窗材質(zhì)改造選擇中透光氬氣Lowe玻璃，減少建筑運(yùn)行能耗2.36%，每年減少建筑與性階段碳排放量208.5 t，較改造前減少2.39%。

（3）太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與地區(qū)區(qū)位相關(guān)性較高，經(jīng)仿真模擬得到南京地區(qū)太陽(yáng)能最佳PV板起坡角度為29°，方位角180°?；诖耍O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)PV 陣列的固定矩陣太陽(yáng)能系統(tǒng)，得到最佳年產(chǎn)能520 MWh／a，每年可減少建筑運(yùn)行階段碳排放368.1 t，較改造前減少了4.07%，減碳效果明顯。

（4）通過(guò)外墻改造所用的水泥砂漿增加建筑碳匯20.75%，每年額外減少碳排放量3.69 t；通過(guò)在綠化方案中選擇高固碳量植物種類，提高社區(qū)綠化年固碳量39%，每年額外減少碳排放量120.2 t；碳匯系統(tǒng)總體減碳能力較改造前提高了38.29%。

對(duì)于社區(qū)層面而言，“雙碳”背景下的老舊居住區(qū)改造工程應(yīng)著重于低碳減排設(shè)計(jì)，充分把握建筑全生命周期理論中與住區(qū)改造相關(guān)的階段，降低建筑運(yùn)行階段碳排放量是重中之重，該部分應(yīng)綜合考慮建筑碳匯變動(dòng)、植物固碳提高對(duì)結(jié)果的影響。此外，在通過(guò)外墻保溫、日照調(diào)節(jié)優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境、改善用能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，也應(yīng)考慮采用綠色能源系統(tǒng)以降低建筑凈能耗量，進(jìn)而達(dá)到減碳的目標(biāo)。