老舊居住區低碳改造仿真實驗平臺設計與實踐

蔣博雅， 黃 浩， 邵望格， 葛 峰， 丁園杰， 劉 峰

（南京工業大學建筑學院，南京 211816）

0 引 言

2020年提出的雙碳目標對建筑學專業教學思考與改革提出了新的要求和挑戰。建筑業是能耗大戶，建筑全過程能耗約在我國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能源碳排放總量的50.9%［1］。堅持綠色發展理念尤為重要［2］，因此大力發展低碳節能建筑，優化建筑用能結構，提升城鄉建設綠色低碳發展質量成為近幾年政府工作的重點［3］。

據國家統計局不完全統計，2020 年我國城鎮化率僅增長0.83%［4］。隨著城鎮化進程放緩，目前的城市發展關注重點由城市擴張轉移至城市更新。我國已明確指出要實施城市更新行動，同時強調要推進生態修復、老舊小區的改造與建設等舉措［5］。學者對此進行了積極探索，周劍鋒等［6］基于湖南常德的城市更新實踐，構建了“雙碳”目標下的高質量城市更新框架；李長春等［7］以攀枝花雅礱江二灘大廈改造提升項目實踐為例，探索了智能一體化低碳技術在城市更新工程的應用。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，推動城市更新中老舊居住區低碳改造刻不容緩。

當前，除了進行城市存量背景下老城區改造更新外，城市更新工作還面臨著“雙碳”目標下的減碳壓力，相關研究依然處于探索階段［9］，對于居住區減碳研究，尤其是對城市更新中的老舊居住區減碳改造的相關研究不多。鑒于其對環境影響和低碳節能潛在的有益效果，對其進行定量研究具有較強的理論和現實意義。因此，既有老舊居住區減碳改造研究必不可少。建筑碳排放模擬是關鍵一步［10］，但現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、運輸，工程建造，建筑運行和拆除回收各階段，規范中尚缺乏從綜合評價角度來探索含有太陽能板、建筑材料碳匯、植物固碳等的CO2強度生命周期變化趨勢與變動規律。本文選取典型居住區南京市棲霞區南灣營馨康苑，從低碳改造出發建立改造過程各階段碳排放計算模型，模型包含外墻保溫材料、玻璃材質和光伏系統產能等各改造方案的模擬參數，通過實驗數據比對得出居住區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行階段碳排放差值，并應用Unity 3D技術搭建實驗仿真平臺，為居住區低碳改造工作提供設計建議和數據支撐。

1 實驗平臺框架及技術支持

1.1 實驗平臺框架

圖1 所示為基于虛擬仿真技術設計的仿真實驗平臺框架，平臺以Unity 3D 引擎架構，囊括盈建科軟件集群和數據核算模塊，前者以盈建科各軟件協同處理圖紙和模型文件，并模擬能耗數據；后者集合了建筑碳匯與植物固碳、太陽能系統、全生命周期碳排放三部分的核算模型。二者以互聯網進行“云”串流，實現了方案設計與數據模擬的實時同步。

圖1 虛擬仿真實驗平臺框架

本文的建筑施工圖，以盈建科施工圖軟件Archi CAD繪制并補全圖紙信息，經盈建科轉圖軟件Yxtgj將二維圖紙轉為含有三維數據的模型，再以盈建科BIM軟件YJK 建立建筑學BIM 模型（見圖2）。在BIM模型中錄入方案信息，上傳仿真平臺，以盈建科能耗軟件Y-GBEC 模擬用能結構，以數據核算模塊進行數據仿真模擬。

圖2 居住區某居民樓（a）施工圖，（b）BIM模型

圖3 所示為居住區低碳改造總體流程，居住區現狀方案和低碳改造方案均以上述方式進行仿真模擬，通過前后數據對比反映減碳改造成果。

圖3 居住區低碳改造總體流程

圖4 所示為實驗平臺中的遠程多維互動模型，該模型依托于課程，以平臺為媒介傳達各方信息并布置回收實驗任務。

圖4 實驗平臺遠程多維互動模型

1.2 實驗仿真平臺技術支持

Unity 3D是一個層級式的綜合開發環境，其支持的腳本語言包括JavaScript、C＃、Python，本實驗以JavaScript語言進行程序編寫。碳排放核算模塊內嵌碳排放計算數學模型，實現了碳排放數據的自動化計算。此外，Unity 3D 支持外部模型導入，構建虛擬場景，通過編程實現虛擬漫游。

2 城市更新中老舊居住區低碳改造仿真實驗系統

2.1 實驗對象選取

實驗選取位于南京市棲霞區某2005 年建成的居住區作為改造研究對象（見圖5），居住區占地面積88 680 m2、建筑面積149 856 m2，構建仿真實驗平臺進行居住區低碳改造仿真模擬（見圖6）。

圖5 目標居住區全景圖

圖6 仿真平臺界面

2.2 實驗步驟

實驗步驟包括5 個環節：①對住區改造工作進行模塊化分解，基于Unity3D引擎架構仿真平臺，協同盈建科軟件集群，編寫數據核算模塊；②開展減碳設計；③以平臺進行仿真模擬；④綜合分析全過程數據、評估影響因素；⑤總結實驗報告。圖7 所示為實驗流程圖。

圖7 實驗流程

2.3 碳排放核算模型構建

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，遵循老舊居住區改造設計邏輯。對實驗項目進行系統化劃分，明確低碳改造涉及的碳排放階段，依據國家規范架構科學碳排放核算系統［11］。

式中：CM為建筑運行階段的碳排放量，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《碳排放計算標準》（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、燃氣、石油、市政熱力等；CP為建筑綠地碳匯系統年減碳量，kg／a；y為建筑設計壽命，a；A為建筑面積，m2。

通過JavaScript語言嵌入核算公式撰寫程序，錄入Unity引擎編程碳排放核算模塊，實現碳排放數據的自動化計算。

2.3.2 多晶硅太陽能光伏板的設定

太陽能系統計算模塊囊括現有太陽能相關各參數的核算模型［12］，遠程鏈接太陽能計算平臺PVWatts Calculator，平臺包括各項PV 模塊類型和矩陣陣列的選擇（見表1、圖8），結合成本生成科學的太陽能設計方案。

表1 太陽能系統矩陣陣列類型

圖8 太陽能系統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而達到減碳的目標，國家規范中碳匯CP包括建筑碳匯和植物固碳［11］，本文對此進行進一步的提煉。

（1）建筑碳匯。改造過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，經過整合的計算式如下：

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品用量，m3／m2；H為單位體積礦物產品中的礦物原料含量，kg／m3；λ 為計算時間內礦物質材料的碳化率%；MCaO為材料中CaO的質量分數，%；γ為CaO可碳化的轉化率，% ；T為CO2與CaO 的分子質量比，MCO2／MCaO，其值為0.786。

（2）植物固碳。對居住區綠化進行重新設計以增加植物固碳量，將居住區綠化信息輸入仿真平臺計算現狀綠化固碳量，平臺包含常用景觀植物固碳數據，核算模型參考Potter等［15］的研究，采用基于植被凈生產力模型（Carnegie Ames Stanford Approach，CASA）估算固碳量。平臺在改造設計過程中實時提供建議植物物種，供設計參考，改造后綠化方案數據再次錄入平臺計算固碳量，通過結果數據前后對比反映該部分設計成果。

3 仿真實驗結果與分析

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

3.1 節能改造及仿真實驗模擬

分析數據可知居住區現狀運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，對空調設備依賴較大，因此減少電能消耗是改造設計的重點。

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熱量流失，窗戶玻璃材質改造可調節射入室內的太陽輻射，二者以被動式節能方法減少了暖通空調設備的使用，進而達到節能的目的。實驗平臺囊括了二者常見改造做法，包括材料種類、厚度和做法，以虛擬仿真技術把握材料全壽命周期綜合效益［16］。從建筑能耗和改造過程產生的碳排放兩方面輸出結果，通過數據分析，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，取得最佳節能效果19.77%［見圖10（a）］，但由于其成本過高，為其他材料的2 ～8 倍，不具備現實可行性，故不予采用。另外采用聚氨酯材料時，產生的材料生產、材料運輸階段碳排放量過高，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據模擬

其余材料中，節能效果最佳的是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《建筑設計防火規范》（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，取得最佳節能效果為2.36%［見圖11（a）］，每年減少建筑運行階段碳排放量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據模擬

3.1.2 太陽能系統優化

在仿真平臺輸入南京市地理信息，仿真平臺基于地理信息分析年太陽高度角變化（見圖12），進行各角度年產能模擬計算，系統最大年產能對應的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118.8°，平臺計算得出南京地區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高度角分析結果

圖13 PV板起坡角度及方位角度與系統年產能關系圖

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

圖14 太陽輻射強度及太陽能系統月產能

3.2 增匯改造及仿真實驗模擬

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。基于施工圖測得目標居住區建筑外墻面積為58 973.9 m2，計算得所需水泥砂漿為4 100.8 t，其中水泥質量為891.5 t。將以上數據錄入仿真平臺，計算得出小區改造后增加碳匯184.3 t（見圖15），每年可額外減少居住區碳排放量3.69 t，較改造前增加20.75%。

3.2.2 植物固碳

目標居住區綠化年固碳量為305.89 t，分析數據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行代替，達到提高固碳量的目的。平臺生成3 個方案，側重點各不相同：方案1 重點考慮植物固碳量；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）。仿真實驗結果表明：方案1 固碳提高最明顯，年固碳量達到了654.19 t，提高了114%，但植物類型單調，成本很高為160.8 萬元；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%，具備很高現實可行性，故予以采用（見圖18）。

圖16 改造前社區綠化植物及日固碳釋氧量

圖17 綠化植被固碳優化設計各方案

圖18 社區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 語

本文編程搭建老舊居住區低碳改造虛擬仿真實驗平臺。仿真實驗數據包括建筑能耗、各階段碳排放量，通過改造前后數據比對驗證減碳效果，結果表明：

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

（2）窗戶玻璃材質對建筑運行階段碳排放有一定影響，目標居住區外窗材質改造選擇中透光氬氣Lowe玻璃，減少建筑運行能耗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）太陽能系統設計與地區區位相關性較高，經仿真模擬得到南京地區太陽能最佳PV板起坡角度為29°，方位角180°。基于此，設計標準PV 陣列的固定矩陣太陽能系統，得到最佳年產能520 MWh／a，每年可減少建筑運行階段碳排放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；通過在綠化方案中選擇高固碳量植物種類，提高社區綠化年固碳量39%，每年額外減少碳排放量120.2 t；碳匯系統總體減碳能力較改造前提高了38.29%。

對于社區層面而言，“雙碳”背景下的老舊居住區改造工程應著重于低碳減排設計，充分把握建筑全生命周期理論中與住區改造相關的階段，降低建筑運行階段碳排放量是重中之重，該部分應綜合考慮建筑碳匯變動、植物固碳提高對結果的影響。此外，在通過外墻保溫、日照調節優化室內環境、改善用能結構的基礎上，也應考慮采用綠色能源系統以降低建筑凈能耗量，進而達到減碳的目標。