袁 青，趙 妍，冷 紅

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，哈爾濱 150001；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150001)

建設(shè)具有地域特色的低碳小城鎮(zhèn)是現(xiàn)階段中國發(fā)展的重要方向.居住街區(qū)作為城鎮(zhèn)中最典型且占地面積最大的街區(qū)類型，降低其能耗對于低碳小城鎮(zhèn)建設(shè)有重要的意義.由于群體建筑間的相互遮擋和街區(qū)內(nèi)局部微氣候的作用[1-5]，建筑群體能耗并非單體建筑能耗的簡單相加[5-6].大量研究表明，居住街區(qū)群體形態(tài)布局的調(diào)控能夠一定程度上降低群體建筑能耗[3,5].同時，小城鎮(zhèn)居住街區(qū)具有較為多樣的形態(tài)，在建設(shè)規(guī)模、空間布局、建筑組合等方面與城市都有一定區(qū)別.在保留小城鎮(zhèn)形態(tài)特征基礎(chǔ)上進行低碳規(guī)劃研究尤為重要.

形態(tài)類型學(xué)(typo-morphology)源于對康澤恩(Conzen)城市形態(tài)學(xué)(urban morphology)和卡尼吉亞(Caniggia)建筑類型學(xué)(architectual typology)的集成，其核心是以城市形態(tài)學(xué)的認(rèn)知框架來理解形態(tài)的結(jié)構(gòu)與特征，配合建筑類型學(xué)的演進觀點來審視各種形態(tài)之間的邏輯關(guān)系[7-8].其研究方法兼顧城市形態(tài)學(xué)關(guān)注的街區(qū)形態(tài)和建筑類型學(xué)關(guān)注的建筑類型[8-10]，對研究群體建筑能耗中的建筑群體形態(tài)識別與衍生均有較高的指導(dǎo)作用.形態(tài)類型學(xué)對于探討小城鎮(zhèn)居住街區(qū)建筑群體形態(tài)特征方面有突出作用.

本文以浙江省長興縣為例，以形態(tài)類型學(xué)理論方法為基礎(chǔ)，通過對居住街區(qū)空間形態(tài)特征的研究，模擬分析不同類型建筑群體形態(tài)對能耗的影響，為小城鎮(zhèn)的居住街區(qū)低碳規(guī)劃提供設(shè)計指引.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

長興縣位于浙江省湖州市，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，具有典型的夏熱冬冷地區(qū)氣候特征.該地區(qū)的建筑節(jié)能方法既要解決夏季隔熱問題，又要解決冬季保溫問題，目前主要采用針對建筑單體的外墻保溫技術(shù)的方法.居住建筑用能與北方采暖地區(qū)有明顯區(qū)別，以居民自發(fā)購買的空調(diào)進行制熱制冷為主，且夏季制冷為主，冬季制熱為輔.能耗主要受到室內(nèi)居民類型及居民行為活動的影響，空調(diào)多采用間歇式用能模式，由各戶自主調(diào)節(jié)用能時間，具有明顯的不確定性.長興縣居民用電以低、中消費為主，用電習(xí)慣較城市居民更加節(jié)能.

1.2 研究方法

1.2.1 類型歸納

研究從形態(tài)類型學(xué)理論的角度設(shè)定識別標(biāo)準(zhǔn)，提煉出具有代表性的典型形態(tài)類型.識別標(biāo)準(zhǔn)包括項目規(guī)模、空間布局、建筑數(shù)量、建筑形態(tài)類型等幾個方面，使樣本能反映出小城鎮(zhèn)典型的群體形態(tài)特征，體現(xiàn)小城鎮(zhèn)的特色，同時具有代表性和差異性.

類型歸納時采用控制容積率的方式進行分類歸納.容積率是居住街區(qū)開發(fā)建設(shè)的首要條件，容積率會限制居住街區(qū)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)類型.本文通過對長興縣實際住宅數(shù)據(jù)研究，依托形態(tài)類型學(xué)的理論與方法，提取出“基本形態(tài)”以及“衍生形態(tài)”兩種空間形態(tài)類別.“基本形態(tài)”是對長興縣居住街區(qū)的空間形態(tài)主要特征的體現(xiàn)，“衍生形態(tài)”是對“基本形態(tài)”基于形態(tài)類型學(xué)做出的形態(tài)改變.

1.2.2 軟件數(shù)值模擬

無論是建筑單體還是建筑群體能耗的研究，軟件數(shù)值模擬都是一個極為常用的方式.在進行模擬時，可以采取控制變量的方法，根據(jù)研究內(nèi)容與目標(biāo)設(shè)定不同的實驗情景，控制影響能耗的非形態(tài)因素不變，僅進行形態(tài)的改變，從而得出形態(tài)對能耗的影響作用[11].

本研究選擇OpenStudio軟件進行數(shù)值模擬.OpenStudio是由美國能源部可再生能源實驗室領(lǐng)導(dǎo)下開發(fā)的集成EnergyPlus和Radiance的建筑能耗模擬軟件，該軟件以EnergyPlus為內(nèi)核進行能耗模擬，可以考慮到建筑物之間的相互影響以及場地中的微氣候，反映建筑群體形態(tài)對街區(qū)建筑能耗的影響作用.

2 小城鎮(zhèn)居住街區(qū)樣本研究與特征分析

2.1 樣本研究

本文在長興縣中心城區(qū)范圍內(nèi)抽樣80個由道路、綠地或河流等自然邊界圍合，且有5個以上建筑組成的居住街區(qū)(見圖1).所選居住街區(qū)類型多樣，基本概括了長興縣居住街區(qū)的總體情況.通過計算，樣本居住街區(qū)的容積率范圍在以下3個區(qū)間較多且形態(tài)類型較為豐富：1.16～1.21，0.55～0.61，1.56～1.69.住區(qū)類型可分為4類：城郊村、城中村、小城鎮(zhèn)型住區(qū)以及城市型住區(qū).居住街區(qū)形態(tài)類型可歸納為8種：低層板式、低層獨棟式、多層板式、高層板式、高層板式+多層板式、多層板式+低層板式、高層點式.

圖1 中心城區(qū)居住街區(qū)樣本選取

2.2 特征分析

居住街區(qū)形態(tài)從其本質(zhì)來看是包含物質(zhì)形態(tài)與非物質(zhì)形態(tài)的雙重組合，物質(zhì)形態(tài)主要表現(xiàn)為居住街區(qū)的區(qū)位條件、單體建筑的類型、形狀、群體組合特征[12]，非物質(zhì)形態(tài)則主要表現(xiàn)為住區(qū)內(nèi)居住的人群特征，包括居民類型、職業(yè)、經(jīng)濟情況以及生活方式等方面的差異.本文主要分析小城鎮(zhèn)居住街區(qū)這兩方面的特征(見表1)，作為能耗模擬參數(shù)設(shè)置的研究基礎(chǔ).

表1 小城鎮(zhèn)居住街區(qū)形態(tài)特征分析表

3 小城鎮(zhèn)典型居住街區(qū)形態(tài)類型的識別分析

3.1 典型居住街區(qū)識別

基于形態(tài)類型學(xué)及小城鎮(zhèn)居住街區(qū)特征分析，在典型容積率區(qū)間內(nèi)從樣本中識別具有代表性的典型居住街區(qū)(見圖2)，并進行空間形態(tài)提取.典型居住街區(qū)的識別原則包括：1)地塊空間布局：群體建筑的組合布局形式；2)建筑類型：街區(qū)內(nèi)的住宅建筑構(gòu)成類型；3)居住人群經(jīng)濟情況：居住人群的人口結(jié)構(gòu)及消費水平；4)空間形態(tài)要素：街區(qū)空間形態(tài)構(gòu)成具有小城鎮(zhèn)典型的形態(tài)類型學(xué)要素.

圖2 典型居住街區(qū)識別

3.2 “基本形態(tài)”提取

“基本形態(tài)”的提取建立在對長興縣居住街區(qū)的總結(jié)上，各項數(shù)據(jù)基于前期樣本研究、特征分析以及識別出的典型居住街區(qū)的現(xiàn)狀情況進行控制.據(jù)調(diào)研，長興縣高層居住街區(qū)規(guī)模較小且多為新開發(fā)的城市型住區(qū)，缺乏小城鎮(zhèn)特征，因此單一的高層居住街區(qū)不作為長興縣典型居住街區(qū)類型研究.最終提取出5種 “基本形態(tài)”類型：低層板式、低層獨棟式、低層板式+多層板式、多層板式、多層板式+高層板式.

由于本文主要探討建筑群體形態(tài)布局對能耗的影響，在形態(tài)提取時控制各類型住宅建筑的平面特征、體形系數(shù)、層高等建筑單體特征(見表2).生成“基本形態(tài)”類型居住街區(qū)時(見表3)，依據(jù)樣本數(shù)據(jù)設(shè)定地塊大小為150 m×150 m；地塊容積率控制為低層板式0.55，低層獨棟式0.6，低層板式+多層板式1.21，多層板式1.44，多層板式+高層板式1.69.

表2 典型居住街區(qū)建筑單體特征表

表3 “基本形態(tài)”提取

3.3 “衍生形態(tài)”生成

“衍生形態(tài)”是在保證建筑單體形態(tài)特征不變的情況下，依據(jù)形態(tài)類型學(xué)對“基本形態(tài)”在街區(qū)建筑朝向、相互位置和建筑類型占比等物質(zhì)形態(tài)要素上的改變.建筑朝向和建筑相互位置的變化僅在單種住宅類型的街區(qū)中體現(xiàn).研究兩種住宅類型混合的街區(qū)時僅考慮各類建筑配比及相互位置的變化.在生成“衍生形態(tài)”時，排除了以下兩種情況：1)建筑選型無法滿足地塊容積率要求；2)不能在長興縣居住街區(qū)樣本中找到現(xiàn)實參照.最終形態(tài)衍生方式為：低層居住街區(qū)通過改變建筑山墻間距改變街區(qū)緊湊度，多層板式居住街區(qū)改變建筑朝向及建筑錯位擺放，兩類混合式居住街區(qū)改變不同住宅類型配比及相互位置(見表4).

表4 “衍生形態(tài)”生成

4 能耗模擬

研究進行兩步能耗模擬：第1步是物質(zhì)形態(tài)能耗模擬，各形態(tài)類型采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，探討形態(tài)改變對群體建筑能耗的影響；第2步是非物質(zhì)形態(tài)能耗模擬，參數(shù)中加入各形態(tài)類型的家庭結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣及用能行為等因素，探討非物質(zhì)形態(tài)對群體建筑能耗的影響.模擬對象為上文中的5個“基本形態(tài)”和17個“衍生形態(tài)”.為更準(zhǔn)確地探討群體形態(tài)布局對群體建筑能耗的影響，本文控制了建筑單體的體形系數(shù)、建筑圍護結(jié)構(gòu)、窗墻比等變量，避免建筑單體因素對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響.此外，能耗模擬的人員、設(shè)備等參數(shù)設(shè)置均來源于長興縣居住街區(qū)樣本研究、問卷調(diào)查與訪談以及查閱文獻資料[12-15].

4.1 物質(zhì)形態(tài)能耗模擬

4.1.1 模擬參數(shù)設(shè)定

物質(zhì)形態(tài)能耗模擬僅討論居住街區(qū)的建筑群體布局形態(tài)對街區(qū)單位建筑面積能耗的影響，參數(shù)設(shè)置中人員在室情況均采用家庭模式(4～5人)，照明和設(shè)備使用情況為標(biāo)準(zhǔn)能耗模式，空調(diào)類型為家用分體式空調(diào).該標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)依據(jù)長興縣實地勘察獲得的現(xiàn)場資料、相關(guān)規(guī)范以及調(diào)研問卷和文獻資料[11,16-18]設(shè)置(見表5).

表5 物質(zhì)形態(tài)能耗模擬參數(shù)表

4.1.2 模擬結(jié)果分析

在5種基本形態(tài)類型模擬結(jié)果中(見圖3)，低層獨棟式居住街區(qū)能耗強度最高，為23.62 kWh/m2；多層板式居住街區(qū)能耗強度最低，為20.92 kWh/m2.而多層板式+高層板式制冷能耗強度最高，為14.51 kWh/m2；低層獨棟式制熱能耗強度最高，為17.96 kWh/m2(見圖4).通過不同類型住宅建筑的混合布局可以起到節(jié)能效果，低層板式+多層板式居住街區(qū)容積率增加了0.66，但能耗強度比低層板式降低了3.4%.多層板式居住街區(qū)為最節(jié)能的類型，其次為低層板式+多層板式、多層板式+高層板式.

圖3 基本形態(tài)(5個)全年單位建筑面積總能耗強度

圖4 基本形態(tài)(5個)單位建筑面積制冷、制熱能耗強度

低層居住街區(qū)模擬結(jié)果中，緊湊布局更利于低層居住街區(qū)節(jié)能，且會降低低層板式居住街區(qū)制冷能耗強度以及低層獨棟式居住街區(qū)的制熱能耗強度(見圖5～7).此外，當(dāng)?shù)蛯营殫澥阶≌ㄖ山M行列式布置時，組間山墻間距為5 m時單位建筑面積總能耗強度最低.改變居住街區(qū)朝向?qū)δ芎挠绊戄^小，改變朝向僅使總能耗上下浮動約0.29%，正南正北布局是最節(jié)能的方式.錯位擺放雖對街區(qū)能耗強度影響較小，但會使制冷、供暖以及總能耗強度均有少量增加.

圖5 基本形態(tài)(5個)與衍生形態(tài)(17個)制冷能耗強度

圖6 基本形態(tài)(5個)與衍生形態(tài)(17個)制熱能耗強度

圖7 基本形態(tài)(5個)與衍生形態(tài)(17個)全年單位建筑面積總能耗強度

在兩類混合式居住街區(qū)中，多層住宅占比高時更利于節(jié)能，低層板式+多層板式(1∶4)在低多混合式中總能耗強度最低，為21.23 kWh/m2；多層板式+高層板式(2∶1)時在多高混合式中總能耗強度最低，為20.99 kWh/m2.同樣配比下由于較高樓層布置于東側(cè)或西側(cè)時會對較低樓層的住宅產(chǎn)生遮擋，在通風(fēng)與采光兩方面發(fā)生影響，改變局部微氣候環(huán)境.因此多層住宅布置在低層住宅北側(cè)能耗強度更低，較高樓層的住宅布置于較低樓層的住宅東側(cè)時對制冷能耗有所增加，制熱能耗有所降低，總能耗強度與置于西側(cè)區(qū)別不大.根據(jù)以往研究表明，高層住宅的布置方位可以調(diào)節(jié)居住街區(qū)局部微氣候，影響居民用能行為，從而起到節(jié)能效果[19].

4.2 非物質(zhì)形態(tài)能耗模擬

4.2.1 模擬參數(shù)設(shè)定

非物質(zhì)形態(tài)能耗模擬旨在探討長興縣的現(xiàn)狀情況下典型居住街區(qū)的非物質(zhì)形態(tài)對群體建筑能耗影響表現(xiàn).家庭人口數(shù)、用能情況、經(jīng)濟條件等對于小城鎮(zhèn)建筑能耗的模擬影響較大，因此本次模擬參數(shù)(見表6)以物質(zhì)形態(tài)模擬的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為基礎(chǔ)，加入人員及用能行為參數(shù)，基于長興縣的綜合調(diào)研情況、相關(guān)規(guī)范以及文獻資料設(shè)置[18,20].

表6 非物質(zhì)形態(tài)能耗模擬參數(shù)表

根據(jù)長興縣問卷調(diào)查(實發(fā)2 000份，有效問卷1 627份)及訪談情況得出：低層住區(qū)居民類型為中老年夫婦(2～3人)，人員在室時間較長且時間、人數(shù)固定，空調(diào)使用率較低，日常生活非常注重節(jié)能，插座設(shè)備不使用時會關(guān)閉電源.低多混合式住區(qū)和多層住區(qū)居民類型為家庭模式(4～5人)，人員在室時間最長，但全員在室時間較短，空調(diào)正常使用，日常生活較注重節(jié)能.多高混合式住區(qū)居民類型多為年輕夫婦(2～3人)，該類家庭往往白天孩子上學(xué)、父母上班，全員在室時間較短，空調(diào)使用率偏高，日常生活能耗雖然偏高，但依然在城市居民標(biāo)準(zhǔn)水平之下.

4.2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)兩次模擬結(jié)果對比(見圖8、9)，基本形態(tài)(5個)在制冷、制熱以及總能耗強度上都有所下降，其中低層板式與低層獨棟式的總能耗強度下降約23.2%，低層板式+多層板式下降約7.0%，多層板式下降約7.5%，多層板式+高層板式下降約8.8%.變化主要源于居民類型變化及居民能耗水平下降，這兩項變化通過影響居民的用能時間及空調(diào)設(shè)備使用方式影響了總能耗強度.

圖8 兩次模擬的基本形態(tài)(5個)單位建筑面積總能耗強度對比

圖9 兩次模擬基本形態(tài)(5個)與衍生形態(tài)(17個)單位建筑面積總能耗強度對比

雖然非物質(zhì)形態(tài)模擬結(jié)果整體數(shù)據(jù)下降，但物質(zhì)形態(tài)對能耗的影響規(guī)律幾乎沒有受到影響，僅多層板式+高層板式的模擬結(jié)果與物質(zhì)形態(tài)模擬結(jié)果有所不同.依據(jù)單位建筑面積總能耗數(shù)據(jù)，居住模式參數(shù)調(diào)整后多層板式+高層板式(1∶2)為多高混合式居住街區(qū)中最節(jié)能的類型，多層板式+高層板式(2∶1)為能耗強度最高的街區(qū)類型；但制冷制熱分項能耗趨勢均沒有發(fā)生變化.這是由于多高混合式的居民類型調(diào)整為年輕夫婦，人員在室時間發(fā)生了變化，19:00至7:00期間全員在室，而家庭模式人員在室時間為22:00后全員在室.依據(jù)能耗模擬結(jié)果，在空調(diào)及設(shè)備能耗趨勢未變的情況下，照明能耗趨勢與總能耗趨勢變化相同，因此照明能耗的變化起到了較大的影響，從而導(dǎo)致總能耗的趨勢變化.

居民類型與用能行為也是影響居住街區(qū)能耗強度的重要因素.居民類型的改變也將直接導(dǎo)致用能行為和用能時間的變化，從而影響居住街區(qū)能耗強度.并且在非物質(zhì)形態(tài)中，用能行為是影響最大的因素，其次是居住模式.因此在小城鎮(zhèn)建設(shè)過程中不僅要在街區(qū)物質(zhì)形態(tài)方面進行調(diào)控，同時也要考慮非物質(zhì)形態(tài)因素.

5 結(jié) 論

本文以浙江省長興縣為例，基于住區(qū)尺度，通過軟件數(shù)值模擬的方式在控制各類街區(qū)容積率及建筑單體特征的情況下進行兩步全年能耗模擬，探討小城鎮(zhèn)典型居住街區(qū)形態(tài)類型在物質(zhì)形態(tài)和非物質(zhì)形態(tài)兩方面對建筑能耗的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

1)多層板式居住街區(qū)能耗強度最低，低層獨棟式居住街區(qū)能耗強度最高.

2)在小城鎮(zhèn)占比最大的混合式居住街區(qū)有較好的節(jié)能表現(xiàn)，兩類住宅混合布局可以大幅度地降低能耗，可根據(jù)小城鎮(zhèn)氣候條件通過合理布局較高樓層的位置改善局部微氣候，起到節(jié)能效果.多層住宅與其他類型住宅進行混合布局時，適當(dāng)增加多層住宅的比例更利于節(jié)能，且將較高樓層的住宅置于較低樓層北側(cè)也可以降低能耗.

3)緊湊布局更利于低層居住街區(qū)節(jié)能，當(dāng)?shù)蛯营殫澥阶≌ㄖ?棟為一排成組布置時，組間山墻間距為5 m時單位建筑面積總能耗強度最低.

4)正南正北行列式布局為最節(jié)能的布局方式，如果在規(guī)劃建設(shè)過程中需要改變建筑朝向，應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱侠砀淖兂?

5)非物質(zhì)形態(tài)因素會通過影響人的行為而影響建筑能耗，其中居民類型及居民的消費習(xí)慣、用能行為對能耗產(chǎn)生的影響最大.

本文認(rèn)為規(guī)劃師在進行小城鎮(zhèn)低碳規(guī)劃時，應(yīng)考慮到小城鎮(zhèn)的地域特征，從街區(qū)尺度考慮切實方案，降低占比更大的住區(qū)能耗.居住街區(qū)作為居民生活的載體，在規(guī)劃時應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡赜蛱卣饕约皻夂驐l件對物質(zhì)形態(tài)合理調(diào)控，采用適應(yīng)小城鎮(zhèn)地域特征的低能耗居住街區(qū)類型、布局方式以及建筑朝向等.同時，由于非物質(zhì)形態(tài)因素的重要性，應(yīng)通過一些物質(zhì)形態(tài)調(diào)控策略間接調(diào)控街區(qū)非物質(zhì)形態(tài)要素達到節(jié)能效果.

必須承認(rèn)影響居住街區(qū)能耗的因素有很多，本文的研究尚有局限性，需要今后進一步探索.在研究中我們也發(fā)現(xiàn)居民類型、居住模式、家庭收入、消費觀念等因素對居住街區(qū)群體建筑能耗十分重要，今后應(yīng)找到更合適的方法對這些因素進行深入研究.此外，本文僅在長興縣的5種典型容積率下討論居住街區(qū)形態(tài)的研究，城鎮(zhèn)住區(qū)容積率還有更多變量，街區(qū)形態(tài)也有更多的可能性，未來將會針對以上問題進行深入的探討，以期為小城鎮(zhèn)低碳建設(shè)提出更有力的規(guī)劃指引.