上海住宅街區(qū)典型形態(tài)類型能耗模擬研究

■ 王 一 WANG Yi 常家寶 CHANG Jiabao

節(jié)能減排、建構(gòu)生態(tài)綠色的城市是城市發(fā)展的重要方向。在建筑能耗中，城鎮(zhèn)居住區(qū)的能耗占36%～40%，降低城鎮(zhèn)居住區(qū)能耗，對于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)來說有著巨大的潛力。居住區(qū)作為城市中最典型的建筑群體，其能耗不僅與單體建筑相關(guān)，還受到其群體形態(tài)特征的影響。由于建筑之間相互遮擋和局部微氣候的影響[1]，群體能耗不等于單體能耗的簡單相加（Anna L.P.等[2]）。大量研究表明，良好的群體形態(tài)設(shè)計(jì)能夠降低群體建筑能耗（Wong等[3]，2011；Salat等[4]，2009）。

上海市是我國夏熱冬冷地區(qū)的典型城市。自2000年以來，上海住宅每年房屋竣工面積占總房屋竣工面積的50%以上。近5年來，住宅竣工面積占比一直維持在60%以上（《上海統(tǒng)計(jì)年鑒2017》）。隨著大量建設(shè)，居住區(qū)呈現(xiàn)出比較豐富的形態(tài)。本文以上海市當(dāng)代居住區(qū)為例，通過對居住區(qū)群體形態(tài)類型化研究，分析不同類型的能耗表現(xiàn)，旨在從能耗的角度為夏熱冬冷地區(qū)的居住區(qū)規(guī)劃提供設(shè)計(jì)參考。

1 研究方法與研究工具

本文主要采用類型歸納和軟件數(shù)值模擬兩種方法。

為了從大量的上海當(dāng)代居住區(qū)樣本中提煉出類型，使模擬對象具有代表性，研究設(shè)定了一系列篩選標(biāo)準(zhǔn)，包括項(xiàng)目規(guī)模、建筑數(shù)量、形態(tài)多樣性等，使樣本能反映出群體形態(tài)特征，同時(shí)具有代表性和差異性。

容積率是住宅項(xiàng)目開發(fā)的首要條件，不同的容積率限制了街區(qū)形態(tài)的可能性，在同一容積率下，受到其它經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的約束，例如日照要求、住宅產(chǎn)品定位等，群體形態(tài)的可能性是相對有限的。本文在某一典型容積率的前提下，設(shè)定出“基本類型”和“亞類型”兩種形態(tài)類別?！盎绢愋汀斌w現(xiàn)各街區(qū)類型的主要特征， “亞類型”體現(xiàn)的是對“基本類型”的進(jìn)一步形態(tài)操作，例如建筑朝向、相互位置關(guān)系等。 “基本類型”和“亞類型”旨在概括當(dāng)代住宅街區(qū)的豐富形態(tài)特征，作為數(shù)值模擬的對象。

軟件數(shù)值模擬是能耗研究最常用的方法。它可根據(jù)研究目標(biāo)設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)情景，可以控制影響能耗的非群體形態(tài)因素（如建筑材料、人員使用方式、設(shè)備系統(tǒng)等）不變，僅通過改變形態(tài)，得出形態(tài)對能耗的影響作用（L. Adolphe，2002；黃雄[5]，2016； Zhengwei Li[6]，2016）。

在模擬工具上，本文選擇EnergyPlus軟 件。EnergyPlus軟 件是由美國能源部主持開發(fā)的，基于DOE-2和BLAST能耗模擬軟件，其中包括太陽輻射模型、陰影模型、日照模型、窗戶模型、通風(fēng)模型、空調(diào)系統(tǒng)模型、冷熱源模型等[7]。EnergyPlus軟件可以考慮到周圍建筑物、樹木或自身構(gòu)件相互反射的太陽輻射得熱，以及場地中的風(fēng)環(huán)境，能反映建筑群體形態(tài)對街區(qū)建筑能耗的影響作用。

同時(shí)，本文使用DIVA作為EnergyPlus軟件的操作界面。DIVA可將Rhino建模環(huán)境與EnergyPlus軟件能耗模擬環(huán)境連接，從而簡化使用者的操作。模擬流程如圖1所示，在Rhino和Grasshopper環(huán)境中建模實(shí)驗(yàn)對象、劃分熱工分區(qū)后，通過DIVA輸入?yún)?shù)，得到熱工模型，再結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，調(diào)用EnergyPlus運(yùn)算得到能耗模擬結(jié)果。

2 街區(qū)案例研究與形態(tài)歸納

在整個(gè)上海市選取研究樣本的過程如圖2所示。首先，以網(wǎng)絡(luò)公開資源中的上海市所有住宅項(xiàng)目作為數(shù)據(jù)源，初選出200個(gè)建設(shè)年代在1992年以后的住宅小區(qū)[8]，并在其中挑選出134個(gè)以路網(wǎng)或河網(wǎng)為明確邊界的街區(qū)。為了使這些街區(qū)具有明顯的群體特征，以建筑單體數(shù)量不少于5個(gè)為條件，再次進(jìn)行篩選，得到100個(gè)當(dāng)代住宅街區(qū)。其空間位置如圖3所示。經(jīng)過篩選的100個(gè)樣本在上海市空間分布均勻，涉及黃浦區(qū)、靜安區(qū)、閔行區(qū)、楊浦區(qū)、長寧區(qū)等行政區(qū)，既有高檔小區(qū)又有普通小區(qū)，基本代表了上海市當(dāng)代住宅街區(qū)的總體狀況。

對這100個(gè)樣本按照容積率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其容積率近似正態(tài)分布（圖4），容積率在1.4～1.9區(qū)間的住宅街區(qū)占50%，其中，容積率在1.6左右的住宅街區(qū)數(shù)量和類型最多。住宅群體形態(tài)類型可以歸納為六種：高層板式街區(qū)、高層塔式街區(qū)，高層板式+高層塔式、高層板式+多層板式、高層塔式+別墅以及高層板式+低層板式街區(qū)。

形態(tài)歸納建立在對上海樣本的總結(jié)上。本文設(shè)定地塊大小為200m×200m、容積率為1.6作為代表容積率生成類型，一是該容積率的小區(qū)在樣本中最多，二是在該容積率下街區(qū)群體形態(tài)可產(chǎn)生更豐富的類型，有助于研究的開展。同時(shí)，設(shè)定高層板式住宅為12層，高層塔式住宅為18層，多層板式住宅為6層，別墅和低層板式住宅均為3層（樣本中出現(xiàn)的高層板式住宅以11～13層居多，出現(xiàn)的高層塔式住宅以17～20層居多，出現(xiàn)多層板式住宅均為6層，出現(xiàn)別墅和低層板式住宅均為3層），對于兩種住宅形態(tài)混合的街區(qū)，基本類型設(shè)定兩種住宅的建設(shè)量比例為1:1。生成的基本類型如表1所示。

以上六種為街區(qū)形態(tài)的基本類型，對基本類型進(jìn)行進(jìn)一步變化得到亞類型（表2）。亞類型相對于基本類型的變化在于形體、朝向、相互位置和住宅形態(tài)類型占比。建筑形體、朝向和相互位置的變化僅在單種住宅形態(tài)的街區(qū)中體現(xiàn)。為了減少類型的復(fù)雜程度，在兩種住宅形態(tài)混合的街區(qū)中不考慮形體、朝向和空間位置的變化。在生成亞類型時(shí)，研究排除了兩種情況：建筑選型無法滿足地塊容積率要求，以及不能在上海100個(gè)居住街區(qū)樣本中找到現(xiàn)實(shí)參照。

圖1 使用DIVA模擬街區(qū)能耗的流程圖

圖2 上海市住宅街區(qū)樣本篩選流程圖

圖3 取樣得到的100個(gè)住宅街區(qū)樣本在上海市的空間位置圖

圖4 100個(gè)住宅街區(qū)樣本容積率分布圖

3 模擬參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、相關(guān)規(guī)范以及文獻(xiàn)資料，本文對氣候、人員、建筑、系統(tǒng)、照明和設(shè)備等方面進(jìn)行了設(shè)定，主要參數(shù)設(shè)定如表3所示。

4 能耗模擬

圖5、圖6分別為基本類型的全年制熱、制冷能耗強(qiáng)度模擬結(jié)果。在制熱能耗上，高層塔式+別墅街區(qū)制熱能耗強(qiáng)度最高，為6.3kWh/m2，高層板式街區(qū)制熱能耗強(qiáng)度最低，為4.09 kWh/m2，其他街區(qū)類型制熱能耗強(qiáng)度均在4.0～5.0 kWh/m2之間。在制冷能耗上，高層塔式+別墅街區(qū)仍然最高，為24.5 kWh/m2。高層板式與多層板式、低層板式的組合類型能耗最低，為22.47 kWh/m2。圖7反映了基本類型全年制熱制冷總能耗強(qiáng)度，可以看出，高層板式+多層板式街區(qū)最低（26.92 kWh/m2），比高層塔式+別墅街區(qū)（30.77 kWh/m2）少12.51%，為最節(jié)能的類型。高層板式街區(qū)（26.97 kWh/m2）與高層板式+低層板式街區(qū)（27.30 kWh/m2）緊隨其后，為第二和第三節(jié)能的類型。

亞類型（12個(gè)）的制熱能耗強(qiáng)度與基本類型（6個(gè)）對比如圖8、圖9所示。高層板式加裙房、相互錯(cuò)位、以及朝向變化對制熱能耗影響很小，可忽略。周邊式、周邊L型布局則分別使制熱能耗增加28.6%和33.74%。高層塔式相互錯(cuò)位、改變高層板式+高層塔式、高層板式+多層板式或高層板式+低層板式的比例對制熱能耗影響較小。在高層塔式+別墅街區(qū)中降低別墅的比例（從50%降至25%），可降低制熱能耗11.4%。

表1 住宅街區(qū)基本類型（6種）

表2 住宅街區(qū)基本類型和亞類型

制冷能耗上，增加裙房使高層板式的制冷能耗強(qiáng)度降低，相互錯(cuò)位以及周邊式使其制冷能耗強(qiáng)度增加，但影響均很小。改變朝向使制冷能耗強(qiáng)度增加4.3%。在高層板式+高層塔式街區(qū)中，將高層塔式的比例從50%降到25%，制冷能耗強(qiáng)度降低4.1%。高層板式+多層板式、高層塔式+別墅、高層板式+低層板式的亞類型相比基本類型變化不大。

亞類型和基本類型的制熱、制冷總能耗強(qiáng)度整體比較如圖10所示。增加裙房和相互錯(cuò)位布局，對街區(qū)能耗的影響基本可以忽略。改變朝向使街區(qū)總能耗強(qiáng)度增加3.4%。周邊式布局和周邊式L型布局分別使總能耗強(qiáng)度增加5.2%和6.3%。對組合住宅的街區(qū)來說，改變比例會(huì)對能耗產(chǎn)生影響，但影響在4.1%以內(nèi)。

整體來看，高層塔式+別墅街區(qū)和純高層塔式街區(qū)及它們的亞類型能耗較高，其中高層塔式+別墅（1:1）總能耗強(qiáng)度最高，為30.77 kWh/m2。高層板式及其加裙房或相互錯(cuò)位的亞類型、高層板式+多層板式及其亞類型、高層板式+低層板式及其亞類型總能耗強(qiáng)度較低。其中高層板式+多層板式（3:1）的總能耗強(qiáng)度最低，為26.78 kWh/m2。圖11為總能耗強(qiáng)度最低和最高的五種街區(qū)類型。

表3 本文使用的模擬參數(shù)輸入

5 結(jié)語

通過類型化的研究，本文得到了在容積率為1.6情況下能耗最低和最高的住宅街區(qū)形態(tài)類型。高層板式+多層板式在建設(shè)量3:1的情況下能耗強(qiáng)度最低，純高層板式能耗強(qiáng)度也較低。高層塔式+別墅街區(qū)能耗強(qiáng)度最高，純高層塔式街區(qū)能耗強(qiáng)度次之。綜上，在該情況下設(shè)計(jì)住宅街區(qū)時(shí)，推薦使用高層板式+多層板式的街區(qū)、純高層板式街區(qū)，避免使用高層塔式+別墅街區(qū)以及純高層塔式的街區(qū)。

在總體布局上，正南北朝向行列式布局的板式住宅街區(qū)有利于節(jié)能，改變建筑朝向使總能耗強(qiáng)度增加3.4%。周邊式布局和周邊式L型布局分別使總能耗強(qiáng)度增加5.2%和6.3%。增加裙房、相互錯(cuò)位等操作對能耗強(qiáng)度影響可忽略不計(jì)。

圖5 基本類型全年制熱能耗強(qiáng)度

圖6 基本類型全年制冷能耗強(qiáng)度

圖7 基本類型全年制熱、制冷總能耗強(qiáng)度

圖8 基本類型和亞類型全年制熱能耗強(qiáng)度

圖9 基本類型和亞類型全年制冷能耗強(qiáng)度

本文的結(jié)論可以供住宅街區(qū)設(shè)計(jì)實(shí)踐中作為方案比選的參考。但是，在未來至少有以下幾個(gè)可深化研究的方向。首先，本文考慮了單種和兩種住宅形態(tài)混合的居住街區(qū)，當(dāng)住宅形態(tài)變?yōu)槿N及以上時(shí)，形態(tài)與能耗關(guān)系的規(guī)律如何表現(xiàn)需要進(jìn)一步研究；第二，本文研究的是典型容積率（1.6）的居住街區(qū)形態(tài)，而城市居住區(qū)通常有更多的變量（如不同的容積率、街區(qū)組織方式），本文的研究結(jié)論是否還有效需要進(jìn)一步探討。

圖10 基本類型和亞類型全年制熱、制冷總能耗強(qiáng)度

圖11 總能耗強(qiáng)度最低和最高的街區(qū)類型