天津市不同年代老旧居住建筑降碳潜力研究*

李 伟，凌 健，李思源，蔡 超

1 背景与问题

2020 年，全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨CO2，占全国碳排放的比重为51.3%，其中建筑运行阶段碳排放21.1 亿吨CO2，占全国碳排放的比重达到21.9%[1]。作为既有建筑的重要组成部分，我国老旧居住建筑量大面广，且绝大多数节能建设标准低、供暖制冷能源结构偏重传统能源，降碳潜力十分可观。开展老旧居住建筑降碳潜力与低碳改造策略优先级研究，对于完善低碳改造技术，降低城市建筑碳排放进而助力双碳目标实现具有重要意义。此外，我国居住区的空间形态与环境是处于不断发展变化中的，不同年代建成的居住建筑，其建设科技、建设标准、建设水平都有较大差异，因此，针对不同年代进行差异性、精准化的老旧居住建筑低碳改造十分有必要。

目前国内外关于老旧居住建筑碳排放和降碳潜力方面的研究较少，已有的相关研究大多集中于建筑碳排放影响因素分析[2，3]、时空特征与地区差异[4-6]以及推动建筑低碳发展[7-9]方面；老旧居住建筑低碳改造方面的研究大多集中于改造成本效益[10，11]、改造后建筑的节能效果评价[12]以及改造提升路径和对策探讨[13]方面。目前对于老旧居住建筑碳排放和低碳改造的单方面研究较多，但对二者结合的相关研究较少，也缺乏对于不同年代类型老旧居住建筑精准化低碳改造策略的降碳潜力和经济成本的量化研究。

综上，为了探究不同年代类型老旧居住建筑的碳排放特征和精准化低碳改造策略、不同低碳改造策略可产生的降碳潜力，以及基于建筑使用期的低碳改造策略优先级排序，本文以天津市中心城区（中心城区包括和平区、南开区、河北区、河西区、河东区和红桥区六个区）的老旧居住建筑为例，综合考虑建成年代、建设科技水平等因素，将老旧居住建筑进行分类；对比了不同年代类型老旧居住建筑的碳排放结构与特征，分析降碳潜力和改造重点；提出适用于不同年代建筑的精准化低碳改造策略，并计算单项改造策略的降碳潜力和经济成本，进行建筑使用期内的优先级排序，为更好地推进老旧居住建筑精准化低碳改造、降低城市碳排放提供参考依据。

2 基于年代背景的老旧居住建筑分类和能耗模拟

2.1 基于年代背景的老旧居住建筑分类

在城市发展和社会环境变迁下，老旧居住建筑的风格、材料、技术设备和空间布局都会受到时代发展的制约，对老旧居住建筑碳排放具有重要影响的建筑节能标准具有鲜明的时代特征。20 世纪80 年代起，全国开始关注居住建筑节能问题，1986年，国家制定了《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》，要求在1980 年的建筑能效基础上提高30%；1996年，该标准将建筑节能率目标提升至50%；2005 年起，国家分别出台了针对严寒寒冷地区、夏热冬暖和夏热冬冷地区的建筑节能设计标准，并在此基础上将建筑节能率目标提升至65%；2010 年后，天津提出了“四步节能”政策，即节能75%的目标。

资料分析表明，建于1949～1976 年和1977～2000 年的天津市老旧小区数量分别占天津市老旧小区总量的12.6%和87.4%。1976年前的老旧居住建筑所占数量较少，建筑形式较为复杂，难以归类为典型建筑类型。据文献描述，实测得到的90 年代天津市老旧居住建筑的建筑能耗综合值分布范围为67.5～250 kwh/m2·a[14]，老旧居住建筑的节能减排与低碳更新潜力巨大。综上，本文选择具有改造潜力和使用潜力的1977～1985 年、1986～1995 年以及1996～2005年的三类代表性老旧居住建筑进行研究。以下简称70 年代（1977～1985 年）、80 年代（1986～1995 年）和90 年代（1996～2005 年）老旧居住建筑。

本文实地调研了天津市中心城区共314 个不同年代的老旧小区（70 年代86 个，80 年代94 个，90 年代134 个）。在调研中发现3 个年代类型的老旧居住建筑形式和特征差异很大，70 年代和80 年代的老旧居住建筑以多层板式砖混结构为主，外墙无保温层，建筑形式以平屋顶为主，80 年代的老旧居住建筑部分有内砂浆保温和坡屋顶的形式。90 年代的老旧居住建筑主要有两类，一类是多层板式和点式小高层，围护结构大多为砖混或内框架结构，有内砂浆保温层；另一类是高层住宅，围护结构大多为剪力墙结构，内设EPS/XPS保温层。经过实地调研和分析总结，本文选择微山里（1983）、淦江东里（1990）、五一家园（1997）和新园村二期（2002）作为70、80 和90 年代老旧居住建筑的典型代表。

2.2 三个年代类型老旧居住建筑能耗模拟

2.2.1 Design Builder 模型建立

Design Builder 是英国Design Builder 公司基于Energy Plus 程序开发的一款应用于规划和建筑设计阶段的综合模拟软件，在建筑能耗模拟方面具有准确性和专业性[15]。本文依据建筑施工图档案，结合实地调研测试，在Design Builder中进行建筑模型建立。图1 为三个年代类型老旧居住建筑的Design Builder 模型图。

图1 三个年代类型老旧居住建筑 Design Builder 模型图

70 和80 年代老旧居住建筑为五层住宅，四单元、一梯三户形式；70 年代建筑为平屋顶，80 年代建筑为坡屋顶。每个户型室内面积较小，除了两个主要卧室外，包括厨房、卫生间等辅助功能房间。70 和80 年代的住宅户型通常没有起居室，各功能空间由走廊串联，这种布局导致空气流通不畅。其中70 年代建筑围护结构无保温层，开敞的楼梯间和阳台导致整个建筑的热损失较大。90 年代Ⅰ类建筑户型平面是“一梯两户、两室一厅、南北通透”形式，与70、80年代相比，活动空间与居住空间有了明显的区分后成为起居室，有利于室内自然采光和空气流通。90 年代Ⅱ类建筑为一栋点式高层住宅，平面呈蝴蝶状，一梯四户，分隔为两个开放式户型和两个半开放式户型。每个户型有三个卧室，室内面积虽大，但房间开间很小、进深大，不利于自然采光和通风。

2.2.2 Design Builder 能耗模拟

在Design Builder 中进行能耗模拟时需要设置行为面板、围护结构、窗户、照明和采暖制冷空调等一系列的参数。本文以施工图（竣工图）为准，结合实地调研数据，对于一些无法通过施工图和现场调研获取的参数，参照设计规范《严寒寒冷地区居住建筑节能规范》（JGJ26-2010）、《天津市居住建筑节能标准》（DB29-1-2013）、《全国民用建筑工程设计技术措施：暖通空调·动力》（2009 版）、《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）、《建筑围护结构图集》等相关标准进行设置。

行为面板中包括了建筑模板类型、人员密度、生活用水、冬夏季室内计算温度、室内照度、空调新风状况等与建筑能耗有关的因素。依据实地调研，三个年代老旧小区居民的生活方式基本没有区别，因此行为面板参数基本一致。根据规范，居住空间人员密度设为0.05 人/m2，楼梯间人员密度为0.02 人/m2，制冷和采暖设计温度分别为26℃和18℃，换气次数为0.5 次/h，生活热水依据不同使用空间活动时间表进行设置，表1 为三个年代类型老旧居住建筑的行为面板设置参数。

表1 三个年代类型老旧居住建筑行为面板设置参数

围护结构面板主要包括外墙、屋面和外窗部分。70 年代和80 年代的老旧居住建筑由于节能率标准要求低，外墙和屋顶未设保温层，外窗普遍采用普通6 mm 厚的单层玻璃窗，90 年代的建筑开始注重建筑保温性能，外墙和屋顶设有保温层，外窗采用双层13 mm 的玻璃窗。三个年代类型老旧居住建筑的围护结构构造、材质及K 值参数如表2 所示。

表2 三个年代类型老旧居住建筑围护结构面板设置参数

建筑照明方面，结合《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）和实地调研数据，70 年代的老旧居住建筑灯具设备老旧，居住空间照明功率密度达到了8 W/m2，楼梯间由于开敞未安装灯具；80 年代和90 年代的Ⅰ类建筑满足标准要求，室内照明功率密度为7 W/m2，90 年代的Ⅱ类建筑灯具光效较高，室内照明功率密度为6 W/m2。

通过Design Builder 能耗模拟，三个年代类型老旧居住建筑的建筑年能耗总值、建筑能耗综合值如表3 所示。由表3 可知，80 年代建筑的年能耗总值最低，为276033.267 kwh；90 年代的Ⅱ类建筑年能耗总值最高，为1463000.927 kwh。对于建筑能耗综合值，70 年代的建筑能耗综合值最高，为181.809 kwh/m2·a；90 年代的Ⅱ类建筑能耗综合值最低，为92.905 kwh/m2·a。

表3 三个年代类型老旧居住建筑年能耗总值和建筑能耗综合值

3 三个年代类型老旧居住建筑降碳潜力分析

3.1 碳排放计算结果

将模拟所得的能耗情况通过计算转化为碳排放量。天津市老旧居住建筑所使用的能源主要为电和天然气，依据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019），华北区域电网的平均CO2排放因子为0.8843 kgCO2/kwh，天然气的单位热值CO2排放因子为55.54 tCO2/TJ，根据以上因子将能耗模拟结果进行转化。三个年代类型老旧居住建筑年CO2排放量和单位建筑面积年CO2排放量结果如表4 所示。

表4 三个年代类型老旧居住建筑年CO2 排放量和单位建筑面积年CO2 排放量

由表4 可知，80 年代建筑的年CO2排放量最低，为117.476 t；90 年代的Ⅱ类建筑年CO2排放量最高，为716.056 t。对于单位建筑面积年CO2排放量，70年代建筑的单位建筑面积年CO2排放量最高，为66.712 kg/m2·a；90 年代Ⅱ类建筑的单位建筑面积年CO2排放量最低，为45.472 kg/m2·a。

3.2 降碳潜力分析

图2 为三个年代类型老旧居住建筑能耗综合值和单位建筑面积年CO2排放量数据图。由图2 得到以下规律：

图2 三个年代类型老旧居住建筑能耗综合值和单位建筑面积年CO2 排放量数据图

（1）三个年代类型老旧居住建筑的能耗综合值和单位建筑面积年CO2排放量呈下降趋势。

分析以上规律产生的原因如下：影响70、80、90年代老旧居住建筑能耗和碳排放值的最主要因素是围护结构构造方式、建筑形式和各类设备性能。70 和80 年代的老旧居住建筑相比于90 年代，由于建设年代久远，围护结构性能差，设备老旧，导致能耗和碳排放基量庞大；90 年代的Ⅰ类和Ⅱ类建筑的围护结构和各项设备都较为完善，因此其能耗综合值和单位建筑面积年CO2排放量相比于70、80 年代的建筑有所降低。

此外，通过查阅《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350-2019）可知，近零能耗居住建筑的能效指标应满足建筑能耗综合值≤55 kwh/m2·a；超低能耗居住建筑能效指标应满足建筑能耗综合值≤65 kwh/m2·a。可见，各年代建筑的建筑能耗综合值与规范中的能效指标相差甚远，70 年代和80 年代的老旧居住建筑，其建筑能耗综合值分别是规范中超低能耗建筑的3 倍和2 倍，即使是90 年代的Ⅱ类老旧居住建筑，其建筑能耗综合值也是规范中超低能耗建筑的1.5倍，老旧居住建筑的节能减排与低碳更新潜力巨大。

分析以上规律产生的原因如下：从70 年代发展到90 年代的老旧居住建筑，建筑围护结构、建筑形式和设备性能的提升潜力呈下降趋势。80 年代老旧居住建筑相比于70 年代，建筑形式和设备性能上有了很大的提升（平屋顶变为了坡屋顶，阳台封闭等），90 年代老旧居住建筑相比于80 年代，围护结构性能有了较大提升。而90 年代老旧居住建筑在50%的节能标准要求下，围护结构、建筑形式和各项设备的提升空间较小，导致建筑能耗综合值和单位面积年CO2排放量的下降幅度不断减小。

综上，70年代的老旧居住建筑通过改造外围护结构、完善灯具设备等一些基础措施即可达到降碳的效果，最具降碳潜力。而90 年代的Ⅱ类老旧居住建筑在50%的节能标准要求下，围护结构和各项设备都较为完善，降碳潜力低于70年代和80 年代的老旧居住建筑。就降低碳排放目标而言，可优先考虑改造降碳潜力大的70 年代的老旧居住建筑，其次改造80 年代和90 年代的Ⅰ类老旧居住建筑，90年代的Ⅱ类老旧居住建筑可最后考虑。

4 三个年代类型老旧居住建筑低碳改造策略降碳潜力

4.1 三个年代类型老旧居住建筑低碳改造策略

结合文献资料搜集和前期模拟，本文发现老旧居住建筑的建筑形式、围护结构构造、系统设备等因素都会影响建筑能耗和碳排放结果。表5 为三个年代类型老旧居住建筑的精准化低碳改造策略，在其中本文提出了围护结构、建筑形式、设备与可再生能源三方面的低碳改造策略，并规定了采取低碳改造策略后应达到的改造目标和规范要求。

表5 三个年代类型老旧居住建筑的精准化低碳改造策略

4.2 单项低碳改造策略降碳潜力分析

图3 和图4 为施加各项低碳改造策略后，三个年代类型老旧居住建筑的建筑能耗综合值和单位建筑面积年CO2排放量。图中横坐标字母表示各单项低碳改造策略，详细改造策略可对照表5。

图3 三个年代类型老旧居住建筑单项低碳改造策略对建筑能耗综合值的影响

图4 三个年代类型老旧居住建筑单项低碳改造策略对单位面积年CO2 排放量影响

对于70 年代的老旧居住建筑，改造后的建筑能耗综合值降为60.12 kwh/m2·a（节能率66.93%），单位建筑面积年CO2排放量降为16.36 kg/m2·a（减排率75.48%）。节能率贡献度最高的前三项低碳改造策略为外墙保温（24.24%），屋面保温（17.28%）和外窗改造（11.51%）；减排率贡献度最高的前三项改造策略为安装太阳能集热板（22.65%），外墙保温（16.13%）和安装太阳能光伏板（13.94%）。

对于80 年代的老旧居住建筑，改造后建筑能耗综合值降为54.49 kwh/m2·a（节能率59.61%），单位建筑面积年CO2排放量降为15.87 kg/m2·a（减排率72.36%）。节能率贡献度最高的前三项改造策略为外墙保温（18.90%），阳台安装太阳能集热板（11.72%）和分项计量、分室控温控制采暖（10.31%）；减排率贡献度最高的前三项策略为安装太阳能集热板（24.35%），更换LED 节能灯（20.41%）和安装太阳能光伏板（17.89%）。

对于90 年代Ⅰ类的老旧居住建筑，改造后的建筑能耗综合值降为51.47 kwh/m2·a（节能率54.37%），单位建筑面积年CO2排放量降为15.43 kg/m2·a（减排率69.77%）。节能率贡献度最高的前三项改造策略为阳台安装太阳能集热板（14.89%），分项计量、分室控温控制采暖（11.88%）和外墙保温（10.18%）；减排率贡献度最高的前三项策略为安装太阳能集热板（29.11%），安装太阳能光伏板（18.82%）和更换LED 节能灯（17.29%）。

对于90 年代Ⅱ类的老旧居住建筑，改造后的建筑能耗综合值降为45.540 kwh/m2·a（节能率50.98%），单位建筑面积年CO2排放量降为15.34 kg/m2·a（减排率66.26%）。节能率贡献度最高的前三项改造策略为安装太阳能集热器（16.39%），安装太阳能光伏板（11.79%）和更换LED 节能灯（9.61%）；减排率贡献度最高的前三项策略为安装太阳能集热板（29.60%），安装太阳能光伏板（21.31%）和更换LED 节能灯（16.12%）。

在网络学习环境下，教师一般可以自觉利用一些学习网站进行自主学习。阅读在线文章和观摩在线课程等形式的自主式学习均可以达到一定的学习目标。在学习和探究的过程中可以结合自己的教学科研活动，发现、提出和解决新问题。这种学习是以满足教师个人需求为目的的。

综合分析70、80、90 年代的三类老旧居住建筑低碳改造策略的节能率和减排率发现，70 年代建筑的围护结构改造策略减排贡献度最高，设备与可再生能源改造策略的减排贡献度最低；90 年代Ⅱ类老旧居住建筑围护结构改造策略的减排贡献度最低，设备与可再生能源改造策略的贡献度最高。

5 三个年代类型老旧居住建筑低碳改造策略优先级排序

5.1 低碳改造策略成本计算

老旧小区低碳改造的单次成本包括改造过程中所消耗的人力、物力和财力等。主要包括低碳改造材料费和人工施工费，可按式(1)计算：

式中：I0为改造成本；pi，ci为改造使用材料的单位价格和单位施工费用；si为材料工程量；k 为材料的种类。根据天津市市场调研获得的相关材料及人工费用，按式（1）计算得到三个年代老旧居住建筑各低碳改造策略的单次改造成本。

实际上，老旧小区低碳改造是一个长期的过程，所采用的低碳改造策略应服务于整个住宅使用年限，以70 年作为住宅的使用年限，70 年代、80 年代和90 年代的老旧居住建筑分别剩余20 年、30年和40 年的使用期限。在剩余的建筑使用期限内，外围护结构改造通常为一次改造，而建筑形式和设备与可再生能源方面的改造通常要进行多次，如每5年更换一次LED 灯，每15 年到20 年更换一次太阳能光伏板和集热器等。在计算建筑整个使用期的成本时，也应在单次成本的基础上，考虑整个使用年限过程中的拆除费、多次改造费、设备更换等费用。

综合考虑以上诸多要素，计算得到的三个年代类型老旧居住建筑低碳改造策略成本计算表如表6，其中包括了：三个年代老旧居住建筑各单项改造策略的一次改造成本、建筑使用期内的各项策略的改造次数、所有改造策略一次改造的总成本和建筑使用期内所有改造策略的总成本。

表6 三个年代类型老旧居住建筑低碳改造策略成本计算表

5.2 低碳改造策略优先级排序

通过图3、4 可计算出建筑使用期内各项改造策略的总节能量和总节碳量。结合表6，将总节能量和总节碳量与总成本相除，分别得到各项改造策略的单位成本节能量和单位成本节碳量。图5 为三个年代类型老旧居住建筑各项低碳改造策略单位成本节能量，图6 为三个年代类型老旧居住建筑各项低碳改造策略单位成本节碳量。单位成本节能量和单位成本节碳量高的低碳改造策略可在改造中优先采用：

图5 三个年代类型老旧居住建筑各项低碳改造策略单位成本节能量

图6 三个年代类型老旧居住建筑各项低碳改造策略单位成本节碳量

70 年代的老旧居住建筑可优先考虑屋面保温、外墙保温、更换LED 节能灯和东西墙垂直绿化的改造策略；80 年代的老旧居住建筑可优先考虑外墙保温、更换LED 节能灯、东西墙垂直绿化和阳台安装太阳能集热板的改造策略；90年代Ⅰ类型的老旧居住建筑可优先考虑更换LED 节能灯、铺设屋顶绿化、外墙保温和东西墙垂直绿化的改造策略；90年代Ⅱ类型的老旧居住建筑可优先考虑屋顶安装太阳能光伏板、更换LED 节能灯、阳台安装太阳能集热板和屋面保温的改造策略。

结语

本文综合考虑建成年代、建设科技水平等因素，将天津市中心城区的老旧居住建筑分为70 年代（1977～1985 年）、80 年代（1986～1995 年）和90 年代（1996～2005 年）三类，在Design Builder 软件中建立了典型模型，进行能耗模拟和碳排放计算，对比了不同年代类型老旧居住建筑的降碳潜力和改造重点，提出精准化的低碳改造策略，并计算了不同改造策略的降碳潜力和经济成本，进行建筑使用期内的优先度排序，结论如下：

（1）影响70、80、90 年代老旧居住建筑能耗和碳排放值的最主要因素是围护结构构造方式、建筑形式和各类设备性能，三个年代类型老旧居住建筑的能耗综合值和单位建筑面积年CO2排放量呈下降趋势。

（2）对比70、80、90 年代的三类老旧居住建筑，其建筑围护结构、建筑形式和设备性能的提升潜力呈下降趋势，导致其建筑能耗综合值和单位面积年CO2排放量的下降幅度不断减小。

（3）在改造时，可优先考虑改造降碳潜力大的70 年代建筑，其次改造80 年代和90 年代的Ⅰ类建筑，90 年代的Ⅱ类老旧居住建筑可最后考虑。

（4）从70 年代发展到90 年代的老旧居住建筑，围护结构改造策略的节能减排贡献度降低，系统与可再生能源改造策略的节能减排贡献度提升。对于70、80 年代的老旧居住建筑，节能率和减排率较高的单项改造策略为外墙屋面保温，外窗改造，分项计量分室控温控制采暖和屋面增设太阳能光伏板。对于90 年代的Ⅰ类和Ⅱ类老旧居住建筑，节能率和减排率较高的单项改造策略为阳台增设太阳能集热板，更换LED 节能灯和屋面增设太阳能光伏板。

（5）考虑建筑70年的使用期限并综合改造策略经济成本，70 年代的老旧居住建筑可优先考虑屋面保温、外墙保温、更换LED 节能灯和东西墙垂直绿化的改造策略；80 年代的老旧居住建筑可优先考虑外墙保温、更换LED 节能灯、东西墙垂直绿化和阳台安装太阳能集热板的改造策略；90 年代Ⅰ类型的老旧居住建筑可优先考虑更换LED 节能灯、铺设屋顶绿化、外墙保温和东西墙垂直绿化的改造策略；90 年代Ⅱ类型的老旧居住建筑可优先考虑屋顶安装太阳能光伏板、更换LED 节能灯、阳台安装太阳能集热板和屋面保温的改造策略。

图、表来源

图1：作者在Designbuilder 中建立模型得到；

图2～4：作者根据Designbuilder 能耗模拟结果绘制；

图5、6：作者根据计算结果绘制；

表1、2：作者基于施工图（竣工图）、实地调研和标准要求进行整理绘制；

表3、4：作者基于Designbuilder 能耗模拟结果绘制；

表5：作者基于模拟过程、资料搜集绘制；

表6：作者基于成本计算绘制。