老旧居住区低碳改造仿真实验平台设计与实践_蒋博雅.pdf
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1、 第 卷 第 期 年 月: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)收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();年度高校哲学社会科学研究一般项目();江苏高校“青蓝工程”资助项目(苏教师函);年度江苏省高等教育学会评估委员会项目();江苏省高等学校教育技术研究会 年高校教育信息化研究项目();中国建设教育协会教育教学科研项目();南京工业大学 年校级教改项目();南京工业大学哲学社会科学“一带一路”化工与建筑行业中外人文交流研究专项()作者简介:蒋博雅(),女,江苏南京人,博士,副教授,从事碳排放审计、虚拟仿真技术相
2、关研究。:;:通信作者:刘峰(),男,江苏苏州人,副教授,从事城市更新、数字建筑设计相关研究。:;:摘 要:为探究双碳目标下老旧居住区的低碳改造方案,通过虚拟仿真技术,构建了以互联网为基础,链接各终端系统的城市更新中老旧居住区的低碳改造仿真实验平台。该平台基于 技术,通过对象访问、具体选项选取、仿真结果比对等一系列操作,进行居住区改造更新的碳排放仿真模拟、分析与优化,智能化输出符合国家相应标准规范的方案建议。实验结果表明,多层和高层住宅外墙保温改造选用、为保温改造材料,减少建筑运行阶段碳排放 和 ;窗户玻璃材质选择中透光氩气 玻璃,减少建筑运行阶段碳排放 ;太阳能系统设置最佳 起坡角度 和方位
3、角度,减少建筑运行阶段碳排放;采用碳汇策略后,碳汇系统总体减碳能力较改造前提高 。仿真平台可实时追踪、调整模拟路径,进而赋能低碳设计方法创新、新路径和新模式探索。关键词:虚拟仿真;居住区改造;碳排放模拟;实验平台中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,;,第 期蒋博雅,等:老旧居住区低碳改造仿真实验平台设计与实践 ;,:;引 言 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,其全生命周期碳排放总量约为全国能源碳排放总量的。坚持绿色发展理念尤为重要,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
4、色低碳发展质量成为近几年政府工作的重点。据国家统计局不完全统计,年我国城镇化率仅增长 。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。学者对此进行了积极探索,周剑锋等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 ,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
5、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,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,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 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
6、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 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。实验平台框架及技术支持 实验平台框架图 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 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
7、步。图 虚拟仿真实验平台框架第 卷 本文的建筑施工图,以盈建科施工图软件 绘制并补全图纸信息,经盈建科转图软件 将二维图纸转为含有三维数据的模型,再以盈建科 软件 建立建筑学 模型(见图)。在 模型中录入方案信息,上传仿真平台,以盈建科能耗软件 模拟用能结构,以数据核算模块进行数据仿真模拟。()()图 居住区某居民楼()施工图,()模型 图 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 居住区低碳改造总体流程 图 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 实验
8、平台远程多维互动模型 实验仿真平台技术支持 是一个层级式的综合开发环境,其支持的脚本语言包括、,本实验以 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,支持外部模型导入,构建虚拟场景,通过编程实现虚拟漫游。城市更新中老旧居住区低碳改造仿真实验系统 实验对象选取实验选取位于南京市栖霞区某 年建成的居住区作为改造研究对象(见图),居住区占地面积 、建筑面积 ,构建仿真实验平台进行居住区低碳改造仿真模拟(见图)。()目标居住区街景()目标居住区鸟瞰图 目标居住区全景图()仿真平台主界面()运行阶段碳排放仿真核算界面图 仿真平台界面 实验步骤实验步骤包括
9、个环节:对住区改造工作进行模块化分解,基于 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;开展减碳设计;以平台进行仿真模拟;综合分析全过程数据、评估影响因素;总结实验报告。图 所示为实验流程图。图 实验流程 碳排放核算模型构建 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 第 期蒋博雅,等:老旧居住区低碳改造仿真实验平台设计与实践础,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。()()式中:为建筑运行阶段的碳排放量,;为建筑第 类能源年消耗量;为第 类能源的碳排放因子,按碳排放计算标准()
10、附录 取值;为建筑消耗终端能源类型,包括电力、燃气、石油、市政热力等;为建筑绿地碳汇系统年减碳量,;为建筑设计寿命,;为建筑面积,。通过 语言嵌入核算公式撰写程序,录入 引擎编程碳排放核算模块,实现碳排放数据的自动化计算。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,远程链接太阳能计算平台,平台包括各项 模块类型和矩阵阵列的选择(见表、图),结合成本生成科学的太阳能设计方案。表 太阳能系统矩阵阵列类型 板矩阵类型 矩阵构造成本固定式 阵列支架低单轴追踪 阵列支架、单转轴、底座、跟踪器较高双轴追踪 阵列支架、双转轴、底座、跟踪器高 参考:、()标准模块()高品质模
11、块()低品质模块图 太阳能系统 模块类型 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 包括建筑碳汇和植物固碳,本文对此进行进一步的提炼。()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,参考李绥等和郗凤鸣等的研究,经过整合的计算式如下:()式中:为某一地块的建筑矿物材料碳汇量,;为该地块的建筑容量,;为单位建筑面积的矿物产品用量,;为单位体积矿物产品中的矿物原料含量,;为计算时间内矿物质材料的碳化率;为材料中 的质量分数,;为 可碳化的转化率,;为 与 的分子质量比,其值为 。()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
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