夏熱冬冷地區(qū)高容積率居住小區(qū)形態(tài)類型能耗績效研究＊
——以上海市為例

王一 王錦璇

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司

隨著能源消耗，全球變暖等多種城市環(huán)境問題日益突出，綠色建筑和生態(tài)城市的深入研究，凸顯了降低城市能耗的重要性。建筑在城市中并非孤立存在，它必然受到周邊環(huán)境及氣候（如建筑間的遮擋、陰影所影響的微氣候）的影響。居住區(qū)作為一系列居住建筑組成的群體空間，可以將建筑單體、城市環(huán)境、氣候等多方因素涵蓋其中，而高容積率居住區(qū)以其高土地利用率、低建筑能耗等優(yōu)勢，近年來在我國一、二線城市的新建小區(qū)中占比很大，是我國大城市中心城區(qū)未來的建造趨勢。

因此，本文通過EnergyPlus軟件對我國夏熱冬冷地區(qū)的高密度居住小區(qū)的多種形態(tài)類型進(jìn)行能耗模擬，探討該氣候區(qū)下各街區(qū)形態(tài)參數(shù)與能耗之間的關(guān)系，進(jìn)而提出節(jié)能型高密度居住小區(qū)的設(shè)計(jì)策略，為建設(shè)生態(tài)節(jié)能型城市提供借鑒。

1 居住小區(qū)類型提煉

影響街區(qū)能耗的形態(tài)因子包括建筑高度、建筑寬高比、建筑朝向、建筑窗墻比、容積率、街區(qū)布局形態(tài)、天空可見度等。為了充分、準(zhǔn)確地描述一個(gè)居住小區(qū)的形態(tài)特征，避免研究的街區(qū)形態(tài)參數(shù)過于冗雜，本文在確定的容積率和街區(qū)地塊的幾何特征下，重點(diǎn)關(guān)注以下三個(gè)形態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)——街區(qū)朝向、街區(qū)群體組合方式、建筑窗墻比。通過控制容積率和居住小區(qū)地塊幾何特征兩個(gè)因素，將居住小區(qū)的類型大幅減少，使上述三個(gè)參數(shù)足以描述居住小區(qū)的形態(tài)類型。又因?yàn)榻謪^(qū)群體組合方式難以用數(shù)字描述其特征，故引入街區(qū)群體體形系數(shù)與基底覆蓋率，用以后期量化分析街區(qū)群體組合方式對能耗的影響。同時(shí)，為了避免能耗模擬對象過多，使有限的模擬對象更具代表性，本文首先確定容積率和地塊幾何特征的取值。

1.1 容積率的確定

根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50180-93）和各城市的地方規(guī)定，居住區(qū)容積率根據(jù)不同住宅層數(shù)和不同氣候區(qū)，取值在1.1～3.5之間。近些年，以高層住宅為主的居住區(qū)的容積率指標(biāo)多集中在2.5～3.0之間（表1），而眾多國外特大型城市對居住區(qū)開發(fā)強(qiáng)度做出的規(guī)定是將容積率上限提高至5.0[1]（表2）。與此同時(shí)，國內(nèi)外諸多高容積率街區(qū)的成功也向大眾證明了高容積率并不代表生活品質(zhì)的下降。

從城市發(fā)展的客觀規(guī)律看，容積率會隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展而增加。目前，我國正處于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展階段，在較長一段時(shí)期內(nèi)城市的大規(guī)模建設(shè)還將繼續(xù)，充分挖掘土地潛力和實(shí)現(xiàn)土地資源集約利用至關(guān)重要。從城市發(fā)展的現(xiàn)狀來看，4.0是低容積率到高容積率的門檻。

因此，本文順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢，探索高容積率下的居住小區(qū)形態(tài)類型與能耗的關(guān)系，適當(dāng)突破目前國內(nèi)一、二線城市普遍的居住小區(qū)容積率在2.5～3.0的標(biāo)準(zhǔn)，將目標(biāo)聚焦在容積率4.0的居住小區(qū)。

1.2 地塊幾何特征的確定

為了順應(yīng)未來“窄馬路”“密路網(wǎng)”的小尺度街區(qū)發(fā)展趨勢，簡化理想模型，本文將能耗模擬的理想化街區(qū)地塊尺寸設(shè)定為200m×120m。這一尺寸是前期研究的現(xiàn)實(shí)街區(qū)樣本中出現(xiàn)過的最小街區(qū)尺度，不僅符合斯科納（Ag Siksna）提出的理想街區(qū)邊長尺寸80～110m、街區(qū)尺寸控制在200m以下有利于街區(qū)內(nèi)居民日常出行的理論[2]，而且與《城市規(guī)劃原理》提出的城市道路網(wǎng)在支路層級的間距相吻合（圖1）。

1 城市道路網(wǎng)劃分地塊示意圖

1.3 確定住區(qū)形態(tài)參數(shù)與建立理想化類型

在確定居住小區(qū)的容積率和街區(qū)地塊尺寸后，接下來探討街區(qū)群體組合方式、街區(qū)朝向、建筑窗墻比三者的取值，以建立理想化居住小區(qū)類型模型。其中將街區(qū)群體組合方式分成建筑形態(tài)類型和排布方式兩方面。

居住小區(qū)的建筑形態(tài)類型被分為點(diǎn)式、板式、板式雙排與三排混合（高層板式與多層板式混合）、點(diǎn)式與板式雙排混合（高層點(diǎn)式與高層板式混合）以及點(diǎn)式與板式三排混合（高層點(diǎn)式與多層板式混合）五種。研究借助天正日照分析軟件，驗(yàn)證了各個(gè)類型的建筑在冬至日的日照時(shí)間都達(dá)到了國家設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

街區(qū)的排布方式分為行列式和圍合式兩種。圍合式布局的特點(diǎn)是建筑沿基地邊緣布置，構(gòu)成的空間無明確的方向性，更強(qiáng)調(diào)城市街道界面；圍合式布局街區(qū)又可按照開口數(shù)量與開口寬度占街區(qū)邊長之比繼續(xù)細(xì)分（圖2）。按開口數(shù)量劃分，可分為全封閉式、一邊開口式、兩邊開口式、三邊開口式與四邊開口式，圍合程度依次遞減，其中各邊開口位置又分為中部開口與端部開口兩種；按開口寬度占街區(qū)邊長之比劃分，又可產(chǎn)生不同的圍合類型，圍合程度隨開口寬度占邊長比例的增加而遞減。為滿足消防疏散設(shè)計(jì)規(guī)范，居住小區(qū)開口至少為兩個(gè)，但開口過多又會破壞界面的連續(xù)性且不利于管制；開口寬度方面，參考巴塞羅那圍合式街區(qū)的開口寬度占街區(qū)邊長比在8%～12%之間。由此確定本文所研究的居住小區(qū)的圍合方式為兩邊開口式，開口寬度占街區(qū)邊長之比在10%左右。

2 圍合式街區(qū)類型細(xì)分圖

圍合部分的高度將通過街道寬高比的宜人尺度加以限定。本文將理想模型中的街道寬度設(shè)為28m，使街道兩側(cè)保持交流與對話[3]。28m的街道寬度作為城市街道的支路層級，包含四條機(jī)動車道、兩側(cè)非機(jī)動車道、人行道及街道綠化。方智果等基于視域范圍對街道寬高的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)寬高比為2:1時(shí)，街道空間相對緊湊，建筑與街道的關(guān)系也比較密切[4]（圖3）。寬高比增大會削弱街道的圍合感，寬高比減小時(shí)，天空可見度降低甚至為零，此時(shí)人會失去對建筑高度的判斷能力，進(jìn)而產(chǎn)生幽閉陰暗之感。因此采用寬高比為2:1的街道，圍合部分的層數(shù)為5層，高度約15m（圖4）。每一種形態(tài)類型根據(jù)排布方式劃分又可衍生出兩種亞類型，即行列式與圍合式，形成共10種類型（圖5）。為了方便對比不同街區(qū)類型對能耗的影響，模擬過程涉及到的周邊街區(qū)采用與能耗模擬街區(qū)相同的形態(tài)類型。

3 街道寬高比對人的視閾影響圖

4 圍合式住區(qū)街道示意圖

表1 我國部分城市居住用地容積率控制指標(biāo)

表2 國際案例城市居住用地容積率控制指標(biāo)

5 10 種街區(qū)形態(tài)類型的平面 立體及能耗模擬模型圖

根據(jù)《上海居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對各朝向窗墻比的限值要求，計(jì)算出上海高密度住宅建筑的窗墻比最大值約為0.4，再結(jié)合實(shí)際案例，最終確定窗墻比取值為0.2、0.3、0.4（圖6）；對建筑朝向的要求是在南北向的基礎(chǔ)上，偏東、偏西不超過30°。因此，本文討論高密度居住區(qū)的南北向，并在此基礎(chǔ)上分別增加偏東和偏西30°、60°和90°共7種朝向，旨在探究建筑朝向?qū)Ω呙芏染幼^(qū)能耗的具體影響及變化規(guī)律（圖7）。

6 三種窗墻比示意圖

7 各街區(qū)類型7 種朝向變化示意圖（以點(diǎn)式與板式三排混合式街區(qū)為例）

2 能耗模擬手段與模擬結(jié)果分析

2.1 能耗模擬手段

運(yùn)用EnergyPlus軟件進(jìn)行能耗模擬，該軟件是由美國能源部（Department of Energy，DOE）和Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）共同開發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件，在全球范圍內(nèi)被廣泛使用。它可以對建筑的采暖、制冷、照明、通風(fēng)以及其他能源消耗進(jìn)行全面有效的能耗模擬分析。EnergyPlus考慮到了周圍建筑物、樹木或其自身組件相互反射的太陽輻射得熱以及場地中的風(fēng)環(huán)境，以此反映遮擋和風(fēng)對建筑能耗的影響。

由于EnergyPlus的操作界面較為復(fù)雜，非系統(tǒng)專業(yè)的使用者應(yīng)用十分不便，輸出結(jié)果也無法可視化，因此本文使用DIVA（Archsim）作為EnergyPlus的操作插件，并借助Rhino與Grasshopper的操作平臺完成模擬過程。

2.2 三組能耗模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用Rhino建模，在Grasshopper中借助DIVA（Archsim）進(jìn)行能耗模擬，將理想化模型分成三組進(jìn)行能耗比較實(shí)驗(yàn)，從而了解高容積率居住小區(qū)的街區(qū)朝向、街區(qū)群體組合方式以及建筑窗墻比與年總制冷制熱能耗強(qiáng)度之間的關(guān)系。

2.2.1 居住小區(qū)朝向與能耗之間的關(guān)系

本文控制容積率=4、窗墻比=0.3，分別對10種理想化住區(qū)類型下的7種朝向（共70種街區(qū)亞類型）進(jìn)行能耗模擬，計(jì)算出這70個(gè)理想模型的總制冷制熱能耗強(qiáng)度，并制成圖表進(jìn)行分析（圖8～12）。結(jié)果如下：

8 14 種點(diǎn)式高密度住區(qū)的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

9 14 種板式高密度住區(qū)的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

10 14 種板式雙排與三排混合高密度住區(qū)的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

11 14 種點(diǎn)式與板式雙排混合高密度住區(qū)的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

12 14 種點(diǎn)式與板式三排混合高密度住區(qū)的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

13 窗墻比=0.2 的10 種高密度住區(qū)類型的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

14 窗墻比=0.3 的10 種高密度住區(qū)類型的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

15 窗墻比=0.4 的10 種高密度住區(qū)類型的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

16 窗墻比=0.3 的10 種正南北向基礎(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30。的高密度住區(qū)類型的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

17 窗墻比=0.3 的10 種正南北向基礎(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60。的高密度住區(qū)類型的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

18 窗墻比=0.3 的10 種正南北向基礎(chǔ)上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。的高密度住區(qū)類型的總制冷制熱能耗強(qiáng)度

（1）縱觀70種不同形態(tài)類型、街區(qū)朝向的居住區(qū)，總制冷制熱能耗強(qiáng)度的最小值出現(xiàn)在板式行列式南北向，其強(qiáng)度為17.419kW h/m2；總能耗強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在點(diǎn)式與板式三排混合行列式逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°朝向，其強(qiáng)度為19.175kW h/m2。

（2）針對容積率=4、窗墻比=0.3的各類街區(qū)，不同街區(qū)朝向的總能耗差異達(dá)到10.08%；針對容積率、窗墻比相同的同類型街區(qū)，不同街區(qū)朝向的總能耗差異達(dá)到9.43%，出現(xiàn)在板式行列式街區(qū)。

（3）10種形態(tài)類型的街區(qū)內(nèi)部各朝向亞類型與總能耗的總體關(guān)系如下：始終都是南北向的總能耗值最低；逆/順時(shí)針30°時(shí)的總能耗次之；逆/順時(shí)針90°時(shí)的總能耗與逆/順時(shí)針60°時(shí)的總能耗都較高，且差值不大。

（4）當(dāng)街區(qū)方向?yàn)橥耆媳毕蚧蚪颇媳毕驎r(shí)，同類型街區(qū)行列式比圍合式節(jié)能；非南北向或非近似南北向時(shí)，圍合式比行列式節(jié)能。

（5）無論是行列式或者圍合式，旋轉(zhuǎn)相同角度下的街區(qū)能耗逆時(shí)針總比順時(shí)針稍高。但總體來說，逆/順時(shí)針相同度數(shù)的街區(qū)總能耗差異十分接近，在0.6%以內(nèi)。

2.2.2 居住小區(qū)群體組合方式與能耗之間的關(guān)系

為了研究居住區(qū)的形態(tài)類型與能耗之間的關(guān)系，首先控制居住小區(qū)為正南北朝向，依次改變建筑窗墻比為0.2、0.3、0.4，對10種理想化居住區(qū)類型進(jìn)行能耗模擬，計(jì)算出這三組模型（共30個(gè)理想模型）的總制冷制熱能耗強(qiáng)度，并制成圖表（圖13～15）。

對于容積率=4、南北向排布、相同建筑窗墻比（本實(shí)驗(yàn)中分別取0.2、0.3、0.4）的10種街區(qū)類型。結(jié)果如下：

（1）總制冷制熱能耗強(qiáng)度的最小值始終是板式行列式街區(qū)；總能耗強(qiáng)度的最大值始終出現(xiàn)在點(diǎn)式與板式三排混合圍合式街區(qū)。街區(qū)的形態(tài)類型不同帶來的總制冷制熱能耗差異最高達(dá)到3.94%。

（2）相同主類型街區(qū)中，行列式與圍合式兩種亞類型的總能耗差異最高達(dá)到1.00%，始終出現(xiàn)在板式雙排與三排混合街區(qū)。由此可知，布局方式的不同（行列式與圍合式的差異）對街區(qū)總能耗的影響很小。

（3）同類街區(qū)中，除建筑窗墻比=0.4的點(diǎn)式街區(qū)外，行列式的總制冷制熱能耗始終低于圍合式，但差距很小。

（4）10種街區(qū)類型整體來看，板式行列式與圍合式二者的總能耗都比較低；板式雙排與三排混合的行列式與圍合式以及點(diǎn)式與板式雙排混合的行列式與圍合式的總能耗次之；點(diǎn)式與板式三排混合行列式與圍合式、點(diǎn)式行列式與圍合式四者的總能耗都很高且數(shù)值相近。

接下來控制窗墻比=0.3，探討非南北朝向下10種理想化住區(qū)類型的年總能耗強(qiáng)度（圖16～18）。結(jié)果如下：

（1）隨著街區(qū)朝向依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°、60°、90°，5種建筑形態(tài)類型內(nèi)部圍合式始終比行列式更節(jié)能，且圍合式的節(jié)能優(yōu)勢隨著角度的增大愈發(fā)明顯。

（2）當(dāng)街區(qū)朝向在逆時(shí)針60°～90°范圍時(shí)，布局方式對能耗的影響相比建筑形態(tài)類型對能耗的影響具有壓倒性優(yōu)勢，此時(shí)任一一種圍合式街區(qū)的能耗均小于任一一種行列式街區(qū)的能耗。

（3）隨著街區(qū)朝向逐漸偏離正南北向，10種居住小區(qū)群體組合方式中，點(diǎn)式圍合式逐漸顯露其節(jié)能優(yōu)勢，而板式雙排與三排混合圍合式則逐漸表現(xiàn)出其耗能劣勢。

2.2.3 居住小區(qū)建筑窗墻比與能耗之間的關(guān)系

本文在南北朝向下，分別調(diào)節(jié)10種理想化居住區(qū)類型的建筑窗墻比為0.2、0.3、0.4，進(jìn)行能耗模擬，并將30個(gè)理想模型的年總制冷制熱能耗強(qiáng)度制成圖表進(jìn)行比較分析（圖19）。結(jié)果如下：

19 10 種高密度住區(qū)類型在建筑窗墻比0.2、0.3、0.4 的年總制冷制熱能耗強(qiáng)度

（1）同種街區(qū)群體組合類型內(nèi)部的總制冷制熱能耗強(qiáng)度的最小值始終出現(xiàn)在建筑窗墻比為0.2時(shí)，總制冷制熱能耗強(qiáng)度的最大值則始終出現(xiàn)在建筑窗墻比為0.4時(shí)，即總制冷制熱能耗強(qiáng)度始終隨著建筑窗墻比的增加而增加。

（2）值得注意的是，總制冷制熱能耗強(qiáng)度的增加并非隨著窗墻比的增加而勻速增加。除板式圍合式街區(qū)以外，對于其他九種街區(qū)類型，總制冷制熱能耗強(qiáng)度增加的速度隨著窗墻比的增加而緩慢增加。

（3）針對容積率=4，南北朝向的同類型街區(qū)，建筑窗墻比的不同帶來的總制冷制熱能耗差異最高達(dá)到8.80%，出現(xiàn)在點(diǎn)式行列式街區(qū)；總能耗差異最低為7.68%，出現(xiàn)在板式圍合式街區(qū)。由此可以看出，建筑窗墻比對高密度居住區(qū)總制冷制熱能耗的影響十分顯著。另外，同形態(tài)類型的街區(qū)中（除板式雙排與三排混合式以外），行列式布局的街區(qū)建筑窗墻比對總制冷制熱能耗的影響始終大于圍合式街區(qū)。

3 街區(qū)形態(tài)參數(shù)與能耗強(qiáng)度關(guān)系量化分析

借助統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS對各個(gè)街區(qū)形態(tài)參數(shù)與總能耗進(jìn)行Pearson線性相關(guān)性分析。引入街區(qū)群體體形系數(shù)與基底覆蓋率，對街區(qū)群體組合方式進(jìn)行量化。其中，街區(qū)群體體形系數(shù)是建筑單體體形系數(shù)在街區(qū)尺度下的概念延伸，即居住小區(qū)內(nèi)所有建筑物與室外大氣接觸的外表面積之和與體積之和的比值。

從表3中可以看出，顯著性低于0.05的街區(qū)形態(tài)參數(shù)只有建筑窗墻比和街區(qū)群體體形系數(shù)。其中，總能耗強(qiáng)度與建筑窗墻比之間呈現(xiàn)強(qiáng)烈的線性相關(guān)關(guān)系；與街區(qū)群體體形系數(shù)之間則呈現(xiàn)較弱的線性相關(guān)關(guān)系。

表3 各街區(qū)形態(tài)參數(shù)——總制冷制熱能耗強(qiáng)度線性相關(guān)性分析

3.1 街區(qū)形態(tài)參數(shù)——能耗強(qiáng)度的多元線性回歸分析

本節(jié)試圖探究多個(gè)街區(qū)形態(tài)參數(shù)如何共同影響總制冷制熱能耗強(qiáng)度。表4～6分別展示了多元線性回歸的擬合度分析、ANOVA方差分析以及回歸系數(shù)。Durbin-Watson值=1.650＜2.000，表示變量內(nèi)部不存在自相關(guān)性。于是建筑窗墻比、街區(qū)群體體形系數(shù)——街區(qū)總能耗強(qiáng)度的多元線性回歸方程可寫為：z=12.271+0.07x（建筑窗墻比）+0.227y（街區(qū)群體體形系數(shù)）。其中，x代表建筑窗墻比，單位%；y代表街區(qū)群體體形系數(shù)，單位%；z代表街區(qū)總制冷制熱能耗強(qiáng)度，單位kW h/m2。

表4 街區(qū)形態(tài)參數(shù)——街區(qū)總制冷制熱能耗強(qiáng)度的多元線性回歸擬合度分析

表5 街區(qū)形態(tài)參數(shù)——街區(qū)總制冷制熱能耗強(qiáng)度的多元線性回歸ANOVA方差分析

表6 街區(qū)形態(tài)參數(shù)——街區(qū)總制冷制熱能耗強(qiáng)度的多元線性回歸系數(shù)

3.2 街區(qū)形態(tài)參數(shù)對能耗強(qiáng)度的影響權(quán)重分析

首先排除各自變量單位的大小差異對結(jié)果的影響，建筑窗墻比與街區(qū)群體體形系數(shù)相對街區(qū)總能耗強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Beta分別為0.538和0.194，故建筑窗墻比對總能耗強(qiáng)度的影響大于街區(qū)群體體形系數(shù)，其所占權(quán)重約是后者的2.77倍。

4 居住小區(qū)形態(tài)選型建議

基于上述分析，提出三條針對上海市夏熱冬冷氣候條件下的節(jié)能型高密度居住小區(qū)的形態(tài)選型建議，并制成選型圖譜供城市設(shè)計(jì)師和建筑師在未來的住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中參考（圖20）。

20 節(jié)能型高容積率住區(qū)設(shè)計(jì)選型圖譜

（1）居住小區(qū)朝向布局建議

在實(shí)際條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用正南北向或近似南北向。對于圍合式居住小區(qū)，街區(qū)朝向的合理取值范圍可以適當(dāng)增大。

（2）居住小區(qū)群體組合方式建議

在現(xiàn)實(shí)條件允許的情況下，應(yīng)首選高層板式；若希望豐富住區(qū)內(nèi)的戶型，可以選擇高層板式與多層板式混合，或者高層板式與高層點(diǎn)式混合；但不建議采用純點(diǎn)式，或者高層點(diǎn)式與多層板式混合的設(shè)計(jì)方案。同建筑形態(tài)類型下，行列式的總能耗要稍小于圍合式，但節(jié)能程度很有限；當(dāng)街區(qū)朝向無法做到正南北向或近似南北向時(shí)，圍合式更節(jié)能，此時(shí)建議選用圍合式類型。

（3）居住小區(qū)建筑窗墻比建議

若從節(jié)約能耗的角度出發(fā)，應(yīng)盡量減小建筑窗墻比。當(dāng)然還要綜合考慮室內(nèi)采光和立面的美觀等諸多因素。相同建筑形態(tài)類型的街區(qū)中，行列式街區(qū)建筑窗墻比對總能耗的影響始終大于圍合式街區(qū)。所以對于圍合式布局的居住小區(qū)，可以適當(dāng)放大建筑窗墻比。

圖表來源

表1，2 來源于文獻(xiàn)[1]；圖3 來源于文獻(xiàn)[4]；其他圖表均為作者自繪。