寒地城市居住區(qū)形態(tài)對住宅能耗影響

冷 紅，TP冷紅

(1.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150006；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，哈爾濱 150006)

相對于其他領(lǐng)域研究來說，綠色節(jié)能領(lǐng)域的研究以及設(shè)計(jì)需要有明確具體的指標(biāo)來反映節(jié)能的效果[1].目前國內(nèi)對于能耗的研究主要集中在對住宅單體節(jié)能措施的研究上，比如墻體和屋頂保溫隔熱等[2-4].在區(qū)域?qū)用嫔?，學(xué)者們從微氣候環(huán)境的調(diào)節(jié)、建筑排列和群體布局的科學(xué)合理規(guī)劃等方面來探討城市居住區(qū)規(guī)劃中的節(jié)能問題[5-7].但是，國內(nèi)居住區(qū)節(jié)能規(guī)劃的相關(guān)研究大多數(shù)仍為定性研究.近年來，為探究居住區(qū)形態(tài)與住宅能耗之間的具體關(guān)系，敏感性分析由于其定量分析的優(yōu)點(diǎn)而被越來越多地應(yīng)用于建筑形態(tài)參數(shù)與能耗關(guān)系的相關(guān)研究中，方便學(xué)者了解形態(tài)對能耗的具體影響.敏感性分析可以定量衡量包括朝向以及小區(qū)道路寬度等在內(nèi)的住宅形態(tài)參數(shù)變化對住宅能耗的影響[8].目前應(yīng)用在建筑領(lǐng)域的敏感性分析主要分為兩大類，分別為全局敏感性分析和局部敏感性分析[9-10].全局敏感性分析相對于局部敏感性分析而言可以從整體視角更全面地研究輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果之間的關(guān)系，學(xué)者能夠借此提出更可靠的建筑節(jié)能策略[11-12]，因此越來越多地被作為研究建筑能耗影響因素的手段.學(xué)者們通過利用動態(tài)能耗模擬和全局敏感性分析結(jié)合的方法發(fā)現(xiàn)，建筑布局對建筑的制冷、供熱和總能耗均有顯著的影響且各個(gè)建筑形態(tài)參數(shù)的變化對建筑能耗的影響程度也各不相同[13-14].

本文以典型寒地城市哈爾濱市為例，針對不同形態(tài)居住區(qū)理想模型的住宅能耗模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行全局敏感性分析，進(jìn)而從布局形態(tài)的角度對寒地城市居住區(qū)提出節(jié)能規(guī)劃建議.

1 方 法

本文研究采用全局敏感性分析方法中的基于回歸的敏感性分析方法來分析居住區(qū)的形態(tài)變化對住宅能耗的影響.

先假設(shè)居住區(qū)形態(tài)參數(shù)與住宅能耗符合線性模型，再通過修正決定系數(shù)(R2)來確定線性模型的擬合效果.一般來說，如果R2>0.7，即表示該線性模型的分析結(jié)果可靠[15].由于各個(gè)居住區(qū)形態(tài)參數(shù)的取值范圍均不相同，因此，根據(jù)本次數(shù)據(jù)樣本的特點(diǎn)，在基于回歸的全局敏感性分析方法中選擇了標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)法(SRC).利用該方法對實(shí)際變量數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析從而得到標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)(SRC)，SRC系數(shù)為正則表示輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果的關(guān)系為正相關(guān)，即輸出結(jié)果隨著輸入?yún)?shù)的增加而增加；負(fù)值則相反. SRC系數(shù)的絕對值代表住宅能耗受居住區(qū)形態(tài)系數(shù)變化影響的相對敏感性，絕對值越大，該居住區(qū)形態(tài)參數(shù)的變化對住宅能耗的影響就越大.SRC標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中:xi為第i個(gè)輸入?yún)?shù)；y為輸出結(jié)果(能耗)；Sxi為第i個(gè)輸入?yún)?shù)的回歸系數(shù)；Sxi和Sy則為輸出結(jié)果和第i個(gè)輸入?yún)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；SRC標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)表示各輸入?yún)?shù)對輸出結(jié)果的影響值.

2 步 驟

2.1 寒地城市住宅調(diào)研及分類

根據(jù)DB 23/1270―2018 《黑龍江省居住建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，哈爾濱市的氣候區(qū)屬為嚴(yán)寒地區(qū)(B)區(qū)，HDD18度日值為5 032.鑒于哈爾濱市既需要冬季供熱采暖又需要夏季空調(diào)制冷，因此是適用于此次對寒地城市住宅能耗研究的理想城市.

研究以哈爾濱市主城區(qū)內(nèi)的居住區(qū)為研究對象，采用分層抽樣的方法按照年代劃分從4個(gè)行政區(qū)中各抽取25個(gè)居住區(qū)，居住區(qū)的年代劃分為4個(gè)區(qū)段.4個(gè)行政區(qū)一共抽取100個(gè)居住區(qū)進(jìn)行住宅平面形態(tài)的研究.

研究對哈爾濱現(xiàn)有住宅的平面形態(tài)進(jìn)行分析歸類，并據(jù)此將哈爾濱市的住宅類型分為“一”字型、“L”型、“凹”字型和點(diǎn)式住宅4類住宅，并確定每類住宅的住宅標(biāo)準(zhǔn)層單元的長寬.住宅標(biāo)準(zhǔn)層單元根據(jù)住宅層數(shù)分為兩類，分別為多層和高層住宅標(biāo)準(zhǔn)層單元.表1為4類住宅及兩類住宅標(biāo)準(zhǔn)層單元的平面形態(tài)和尺寸.

表1 各區(qū)居住區(qū)按年代抽樣數(shù)量

2.2 寒地城市住宅能耗預(yù)測模擬

2.2.1 建立住宅能耗模擬模型

利用Openstudio和EnergyPlus軟件對不同形態(tài)居住區(qū)模型進(jìn)行動態(tài)能耗模擬.為了在Openstudio內(nèi)建立住宅模型，對4類典型住宅進(jìn)行實(shí)地調(diào)研后確定每類住宅標(biāo)準(zhǔn)層單元的窗墻面積比.圖1(a)為最終建立的多層和高層住宅的標(biāo)準(zhǔn)層單元模型和住宅單體模型. 為了限制模型中窗墻面積比對能耗模擬的影響，假設(shè)住宅單元東、西兩面和南、北兩面的開窗完全相同且對稱.其中，依據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果，多層住宅單元中南、北面的窗墻面積比為0.24，東、西面為0.075；點(diǎn)式高層住宅單元南、北面的窗墻面積比為0.24，東、西面為0.23，均滿足DB 23/1270-2018《黑龍江省居住建筑節(jié)能65%設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對嚴(yán)寒(B)區(qū)住宅的窗墻面積比的規(guī)定.圖1(b)為住宅單元模型基礎(chǔ)上建立的各類住宅單體模型.

圖1 住宅模型模擬示意

為了進(jìn)行能耗模擬時(shí)方便進(jìn)行變量控制，本研究建立一個(gè)3×3的行列式居住區(qū)理想模型，其中每棟住宅都完全相同，且相互之間距離相等，如圖2、3所示. 在該理想模型中，5號住宅所代表的住宅能耗為周圍均是相同住宅且間距相等情況下的理想住宅能耗[13-14].采用理想化模型進(jìn)行能耗模擬操作簡單且可重復(fù)，在面對真實(shí)城市居住區(qū)的復(fù)雜特征時(shí)可以排除其中的各種復(fù)雜因素，便于對于研究對象變量的控制以及研究，如圖4所示.

圖2 居住區(qū)三維模型模擬示意

圖3 居住區(qū)模型模擬平面示意

圖4 4類居住區(qū)理想化模型

2.2.2 居住區(qū)形態(tài)模擬范圍

本文在居住區(qū)常見的形態(tài)相關(guān)參數(shù)中挑選出4個(gè)形態(tài)參數(shù)，分別為住宅層數(shù)、住宅面寬、住宅間距和住宅朝向，并且將住宅類型分為多層和點(diǎn)式高層住宅兩類，具體取值范圍見表2.各個(gè)居住區(qū)形態(tài)參數(shù)的取值在每一個(gè)模型中均呈均勻分布.

表2 居住區(qū)形態(tài)參數(shù)取值范圍

結(jié)合哈爾濱市住宅實(shí)際情況，依據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的建筑參數(shù)分類對住宅層數(shù)進(jìn)行分類，模型模擬時(shí)多層住宅層數(shù)按5、6、7和8層分別進(jìn)行能耗模擬；點(diǎn)式高層住宅層數(shù)按9、18和27層分別進(jìn)行模擬.住宅面寬則以每個(gè)組成單元的面寬15 m為單位，各類型多層住宅的住宅面寬取值區(qū)間為30～90 m.由于點(diǎn)式高層住宅的住宅面寬在模擬中一直保持不變，因此對于點(diǎn)式高層住宅來說，住宅面寬這一變量不做考慮.在理想化的居住區(qū)模型中，住宅的前后左右間距等距，因此可以統(tǒng)一用一個(gè)數(shù)值代表住宅間距.多層和點(diǎn)式高層住宅間的住宅間距取值區(qū)間分別為6～30 m和13～65 m.在進(jìn)行不同朝向的住宅能耗模擬時(shí)，在研究朝向?qū)ψ≌芎牡挠绊懩M時(shí)，每個(gè)模型選取0°、45°和90°這3個(gè)具有代表性的角度進(jìn)行模擬.各形態(tài)參數(shù)的具體模擬數(shù)值如圖5中所示.

圖5 各形態(tài)參數(shù)模擬示意

2.2.3 住宅能耗模擬參數(shù)設(shè)置

住宅能耗模擬所用的氣象文件來自EnergyPlus官網(wǎng)，將氣象年數(shù)據(jù)導(dǎo)入ecotect進(jìn)行形象化表示.建筑、居住、HVAC和模擬的主要設(shè)置參數(shù)均從相關(guān)的規(guī)范和數(shù)據(jù)調(diào)研中獲得(見圖6). 哈爾濱市采用集中供暖. 研究為了排除供暖方式對模擬結(jié)果的影響，沒有設(shè)定特定的供暖方式，僅假設(shè)每戶住宅內(nèi)為100%效率的熱源.

2.2.4 哈爾濱市住宅能耗模擬結(jié)果

住宅能耗模擬總共模擬了585個(gè)理想居住區(qū)模型，其中有540個(gè)多層住宅居住區(qū)模型，3類多層住宅各為180個(gè)；此外還模擬了45個(gè)點(diǎn)式高層住宅的居住區(qū)模型.圖7為各類住宅的制冷、供熱和總能耗分布頻率圖.

圖6 模型能耗模擬參數(shù)設(shè)置

圖7 4類住宅能耗分布頻率圖

2.3 寒地城市居住區(qū)形態(tài)對住宅能耗影響敏感性分析

本次研究的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)法(SRC)分析通過SimLab2.2軟件完成.具體的SRC標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)結(jié)果見表3，各項(xiàng)數(shù)值的置信度均為95%.

2.3.1 居住區(qū)形態(tài)對不同類型住宅總能耗影響

從表3可以看出，住宅層數(shù)對點(diǎn)式住宅能耗的影響最大，“凹”字型和“L”型其次，對“一”字型住宅能耗的影響值最?。皇茏≌鎸捰绊懽畲蟮臑椤耙弧弊中妥≌?，而影響最小的是“凹”字形住宅；住宅間距對能耗的影響從大到小依次為點(diǎn)式住宅、“一”字型、“凹”字形、“L”型住宅；最后，住宅朝向的變化對“一”字型住宅能耗的影響最大，“L”型和“凹”字型其次，點(diǎn)式住宅最小.

2.3.2 不同季節(jié)下居住區(qū)形態(tài)對住宅制冷和供暖能耗影響

圖8顯示各類住宅的制冷能耗受住宅層數(shù)變化的影響不如供熱能耗敏感，即相較于夏季而言，冬季的住宅能耗受層數(shù)變化影響較大；除了“一”字型住宅，住宅面寬的變化在夏季對其他3類住宅的影響均比在冬季大；住宅間距的變化對住宅能耗的影響與住宅面寬類似，同樣也是在夏季比冬季大，且在冬季對供熱能耗基本沒有影響；最后，研究結(jié)果表明各類住宅的制冷能耗對朝向變化的敏感度均大于供熱能耗，且供熱能耗對朝向變化的敏感度近乎為0，也就是說在冬季住宅的不同朝向?qū)δ芎幕緵]有影響.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因與哈爾濱市供暖期間的太陽輻射值較低有關(guān).因此，住宅能耗在冬季受住宅朝向變化(即受太陽輻射面積的變化)影響較小.

表3 SRC方法下各形態(tài)變量的敏感度及R2值

圖8 各形態(tài)參數(shù)對4類住宅能耗影響值

3 寒地城市居住區(qū)節(jié)能布局規(guī)劃建議

3.1 居住區(qū)形態(tài)與住宅能耗關(guān)系

3.1.1 住宅類型

通過對比多層住宅的各類型住宅單位體積的供熱、制冷和總能耗平均值可知，“一”字型住宅的總能耗平均值最低，為24.79 W/m3，“凹”字型住宅是最高的，為37.69 W/m3，如圖9所示.因此，在多層住宅類型的選擇上，應(yīng)該以“一”字型為主，且住宅的造型宜對稱簡潔.

3.1.2 住宅體形系數(shù)

研究引入住宅的體形系數(shù)來研究住宅能耗與住宅形態(tài)之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明各類住宅的體形系數(shù)均與住宅單位體積總能耗成正比(如圖10所示).

因此，在進(jìn)行寒地城市居住區(qū)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該在滿足各項(xiàng)規(guī)范的基礎(chǔ)上盡可能地使住宅體形系數(shù)最小化即在同“一”類型住宅層數(shù)不變時(shí)盡可能讓住宅單元數(shù)最多，這樣即滿足了開發(fā)商的收益需求又有利于實(shí)現(xiàn)住宅總能耗的最小化.

圖9 多層住宅單位體積制冷、供熱及總能耗分布

圖10 住宅體形系數(shù)與各類住宅能耗關(guān)系圖

3.1.3 住宅間距

住宅間距與住宅高度的比值(簡稱W/H系數(shù))與住宅能耗存在一定關(guān)系(如圖11所示).在同一朝向并且體形系數(shù)保持不變時(shí)，住宅總能耗與W/H系數(shù)的關(guān)系成正比.因此，當(dāng)住宅高度不變時(shí)，隨著W/H系數(shù)的增加即住宅間距的增大，住宅的總能耗也隨之增加.

因此，在對寒地城市居住區(qū)的住宅日照間距進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該取寒地城市住宅日照間距的最小值(多層住宅高度的1.8倍和點(diǎn)式高層高度的1.0倍)，以緊湊的布局為主，避免松散的住區(qū)規(guī)劃，從而可以減少居住區(qū)住宅總能耗.

3.1.4 住宅朝向

在冬季，住宅朝向?qū)ψ≌墓崮芎幕緵]有影響，但是在夏季，住宅朝向?qū)ψ≌闹评淠芎臅杏绊?本研究主要考慮住宅形態(tài)(體形系數(shù)和W/H系數(shù))和住宅間距對不同朝向的住宅總能耗的影響.

從圖11～圖13可以看出，當(dāng)W/H系數(shù)大于0.5時(shí)，“一”字型和點(diǎn)式住宅的朝向應(yīng)以正南正北為主，盡量避免朝向?yàn)?0°的情況發(fā)生；當(dāng)“L”型住宅面寬大于60 m時(shí)，朝向應(yīng)以正南正北為主，減少住宅朝向?yàn)?0°的布局規(guī)劃；對于“凹”字型住宅來說，當(dāng)其住宅面寬大于90 m時(shí)朝向應(yīng)盡量為正南正北，避免朝向?yàn)?0°的情況，而當(dāng)長度小于90 m時(shí)，朝向應(yīng)以90°為主，避免45°的朝向.“一”字型住宅、“L”型住宅、“凹”字型住宅和點(diǎn)式住宅在布局規(guī)劃時(shí)的朝向均應(yīng)該以正南正北為主，且“凹”字型住宅在布局規(guī)劃時(shí)要盡量避免朝向?yàn)?5°，而其他3類住宅要盡量避免朝向?yàn)?0°.

3.2 住宅最低能耗參數(shù)組合

住宅類型中已經(jīng)論證了“一”字型住宅為能耗最低多層住宅類型，因此多層住宅組合中僅由“一”字型住宅的不同形態(tài)組成.高層住宅類型為本次研究中僅有的點(diǎn)式高層.

首先，將住宅分為多層Ⅰ類、Ⅱ類、高層Ⅰ類和Ⅱ類，對應(yīng)住宅用地容積率范圍按照GB50180—2018《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定.

圖11 4類住宅總能耗與W/H系數(shù)和朝向關(guān)系圖

圖12 “L”型住宅總能耗與朝向和面寬關(guān)系

其次，根據(jù)本文的住宅間距分析，住宅的間距取符合規(guī)范的最小值，側(cè)間距根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定取數(shù)值10 m和13 m，多層和高層住宅的日照間距則在滿足GB50180—2018《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定前提下，取《哈爾濱市城市規(guī)劃管理?xiàng)l例》中規(guī)定日照間距系數(shù)最小值1.8和1.0.此外，在上述有關(guān)住宅朝向的研究中已經(jīng)論證，“一”字型和點(diǎn)式高層住宅在日照間距系數(shù)為1.8和1.0的情況下均在住宅朝向?yàn)?°時(shí)能耗最小.建筑退讓用地紅線距離按照住宅建筑用地紅線退讓距離指標(biāo)規(guī)范進(jìn)行取值.

在規(guī)定的容積率范圍內(nèi)，按照住宅用地內(nèi)住宅的側(cè)間距、日照間距和用地紅線退讓距離這3項(xiàng)取值對各個(gè)住宅形態(tài)參數(shù)組合進(jìn)行篩選.其中，為了更直觀地表達(dá)住宅形態(tài)參數(shù)組合的取值范圍，將之前研究中的“住宅面寬”參數(shù)替換為“住宅單元數(shù)”.

根據(jù)本文的住宅體形系數(shù)分析，多層住宅的最低能耗參數(shù)組合是同一住宅層數(shù)下挑選住宅單元數(shù)最多的參數(shù)組合；而點(diǎn)式高層的最低能耗組合為住宅層數(shù)最高的形態(tài)參數(shù)組合.表4為在3×3的行列式小區(qū)中5～6層住宅在低容積率要求下的最低能耗參數(shù)組合模型示意圖以及4項(xiàng)基本形態(tài)參數(shù)值.由于在高容積率下，在3×3的行列式小區(qū)中住宅層數(shù)為7層時(shí)住宅單元數(shù)沒有最大值，住宅層數(shù)為8層時(shí)住宅單元數(shù)最大值為15個(gè)超出了常規(guī)值，因此在常規(guī)情況下7、8層的住宅最低能耗參數(shù)組合中住宅單元數(shù)分別大于4和3即可，沒有最低能耗參數(shù)組合，但住宅單元數(shù)越多能耗越低.表5中左、右兩個(gè)示意圖分別為低和高容積率要求下的點(diǎn)式高層住宅最低能耗參數(shù)組合.多層和高層住宅的最低能耗形態(tài)參數(shù)組合中的詳細(xì)各項(xiàng)參數(shù)值在表6中進(jìn)行總結(jié).

表4 多層住宅低容積率下最低能耗參數(shù)組合模型示意

表5 點(diǎn)式高層住宅最低能耗參數(shù)組合模型示意

表6 住宅能耗最低參數(shù)組合結(jié)果

綜上所述，本文所得出的住宅最低參數(shù)能耗組合結(jié)論，可作為寒地城市居住區(qū)平面規(guī)劃布局的一種設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)者可參照表6中多層和點(diǎn)式高層的最低能耗參數(shù)組合進(jìn)行節(jié)能規(guī)劃.

4 結(jié) 論

1)本次研究設(shè)計(jì)了定性與定量相結(jié)合的方法從住宅類型、住宅體形系數(shù)、住宅間距以及住宅朝向4個(gè)方面對居住區(qū)形態(tài)與住宅能耗的關(guān)系進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)對住宅能耗的影響最大的形態(tài)參數(shù)為層數(shù)和面寬，而住宅間距和朝向?qū)ψ≌芎牡挠绊戄^小.

2)通過對住宅類型、住宅體形系數(shù)、住宅間距以及住宅朝向這4個(gè)布局形態(tài)方面的研究探討了如何進(jìn)行節(jié)能規(guī)劃并提出了住宅最低能耗形態(tài)參數(shù)組合.

3)由于本文采用理想模型的研究方法，在研究結(jié)論以及建議方面尚有許多限制條件，在日后的研究中將會逐步進(jìn)行優(yōu)化完善.