上海住宅街區典型形態類型能耗模擬研究

■ 王 一 WANG Yi 常家寶 CHANG Jiabao

節能減排、建構生態綠色的城市是城市發展的重要方向。在建筑能耗中，城鎮居住區的能耗占36%～40%，降低城鎮居住區能耗，對于實現節能減排目標來說有著巨大的潛力。居住區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，還受到其群體形態特征的影響。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，良好的群體形態設計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（《上海統計年鑒2017》）。隨著大量建設，居住區呈現出比較豐富的形態。本文以上海市當代居住區為例，通過對居住區群體形態類型化研究，分析不同類型的能耗表現，旨在從能耗的角度為夏熱冬冷地區的居住區規劃提供設計參考。

1 研究方法與研究工具

本文主要采用類型歸納和軟件數值模擬兩種方法。

為了從大量的上海當代居住區樣本中提煉出類型，使模擬對象具有代表性，研究設定了一系列篩選標準，包括項目規模、建筑數量、形態多樣性等，使樣本能反映出群體形態特征，同時具有代表性和差異性。

容積率是住宅項目開發的首要條件，不同的容積率限制了街區形態的可能性，在同一容積率下，受到其它經濟技術指標的約束，例如日照要求、住宅產品定位等，群體形態的可能性是相對有限的。本文在某一典型容積率的前提下，設定出“基本類型”和“亞類型”兩種形態類別?！盎绢愋汀斌w現各街區類型的主要特征， “亞類型”體現的是對“基本類型”的進一步形態操作，例如建筑朝向、相互位置關系等。 “基本類型”和“亞類型”旨在概括當代住宅街區的豐富形態特征，作為數值模擬的對象。

軟件數值模擬是能耗研究最常用的方法。它可根據研究目標設置不同的實驗情景，可以控制影響能耗的非群體形態因素（如建筑材料、人員使用方式、設備系統等）不變，僅通過改變形態，得出形態對能耗的影響作用（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、通風模型、空調系統模型、冷熱源模型等[7]。EnergyPlus軟件可以考慮到周圍建筑物、樹木或自身構件相互反射的太陽輻射得熱，以及場地中的風環境，能反映建筑群體形態對街區建筑能耗的影響作用。

同時，本文使用DIVA作為EnergyPlus軟件的操作界面。DIVA可將Rhino建模環境與EnergyPlus軟件能耗模擬環境連接，從而簡化使用者的操作。模擬流程如圖1所示，在Rhino和Grasshopper環境中建模實驗對象、劃分熱工分區后，通過DIVA輸入參數，得到熱工模型，再結合氣象數據，調用EnergyPlus運算得到能耗模擬結果。

2 街區案例研究與形態歸納

在整個上海市選取研究樣本的過程如圖2所示。首先，以網絡公開資源中的上海市所有住宅項目作為數據源，初選出200個建設年代在1992年以后的住宅小區[8]，并在其中挑選出134個以路網或河網為明確邊界的街區。為了使這些街區具有明顯的群體特征，以建筑單體數量不少于5個為條件，再次進行篩選，得到100個當代住宅街區。其空間位置如圖3所示。經過篩選的100個樣本在上海市空間分布均勻，涉及黃浦區、靜安區、閔行區、楊浦區、長寧區等行政區，既有高檔小區又有普通小區，基本代表了上海市當代住宅街區的總體狀況。

對這100個樣本按照容積率進行統計，其容積率近似正態分布（圖4），容積率在1.4～1.9區間的住宅街區占50%，其中，容積率在1.6左右的住宅街區數量和類型最多。住宅群體形態類型可以歸納為六種：高層板式街區、高層塔式街區，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。

形態歸納建立在對上海樣本的總結上。本文設定地塊大小為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在樣本中最多，二是在該容積率下街區群體形態可產生更豐富的類型，有助于研究的開展。同時，設定高層板式住宅為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（樣本中出現的高層板式住宅以11～13層居多，出現的高層塔式住宅以17～20層居多，出現多層板式住宅均為6層，出現別墅和低層板式住宅均為3層），對于兩種住宅形態混合的街區，基本類型設定兩種住宅的建設量比例為1:1。生成的基本類型如表1所示。

以上六種為街區形態的基本類型，對基本類型進行進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的街區中體現。為了減少類型的復雜程度，在兩種住宅形態混合的街區中不考慮形體、朝向和空間位置的變化。在生成亞類型時，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個居住街區樣本中找到現實參照。

圖1 使用DIVA模擬街區能耗的流程圖

圖2 上海市住宅街區樣本篩選流程圖

圖3 取樣得到的100個住宅街區樣本在上海市的空間位置圖

圖4 100個住宅街區樣本容積率分布圖

3 模擬參數設定

根據現場數據、相關規范以及文獻資料，本文對氣候、人員、建筑、系統、照明和設備等方面進行了設定，主要參數設定如表3所示。

4 能耗模擬

圖5、圖6分別為基本類型的全年制熱、制冷能耗強度模擬結果。在制熱能耗上，高層塔式+別墅街區制熱能耗強度最高，為6.3kWh/m2，高層板式街區制熱能耗強度最低，為4.09 kWh/m2，其他街區類型制熱能耗強度均在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度，可以看出，高層板式+多層板式街區最低（26.92 kWh/m2），比高層塔式+別墅街區（30.77 kWh/m2）少12.51%，為最節能的類型。高層板式街區（26.97 kWh/m2）與高層板式+低層板式街區（27.30 kWh/m2）緊隨其后，為第二和第三節能的類型。

亞類型（12個）的制熱能耗強度與基本類型（6個）對比如圖8、圖9所示。高層板式加裙房、相互錯位、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 住宅街區基本類型（6種）

表2 住宅街區基本類型和亞類型

制冷能耗上，增加裙房使高層板式的制冷能耗強度降低，相互錯位以及周邊式使其制冷能耗強度增加，但影響均很小。改變朝向使制冷能耗強度增加4.3%。在高層板式+高層塔式街區中，將高層塔式的比例從50%降到25%，制冷能耗強度降低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、制冷總能耗強度整體比較如圖10所示。增加裙房和相互錯位布局，對街區能耗的影響基本可以忽略。改變朝向使街區總能耗強度增加3.4%。周邊式布局和周邊式L型布局分別使總能耗強度增加5.2%和6.3%。對組合住宅的街區來說，改變比例會對能耗產生影響，但影響在4.1%以內。

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

表3 本文使用的模擬參數輸入

5 結語

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形態類型。高層板式+多層板式在建設量3:1的情況下能耗強度最低，純高層板式能耗強度也較低。高層塔式+別墅街區能耗強度最高，純高層塔式街區能耗強度次之。綜上，在該情況下設計住宅街區時，推薦使用高層板式+多層板式的街區、純高層板式街區，避免使用高層塔式+別墅街區以及純高層塔式的街區。

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

圖5 基本類型全年制熱能耗強度

圖6 基本類型全年制冷能耗強度

圖7 基本類型全年制熱、制冷總能耗強度

圖8 基本類型和亞類型全年制熱能耗強度

圖9 基本類型和亞類型全年制冷能耗強度

本文的結論可以供住宅街區設計實踐中作為方案比選的參考。但是，在未來至少有以下幾個可深化研究的方向。首先，本文考慮了單種和兩種住宅形態混合的居住街區，當住宅形態變為三種及以上時，形態與能耗關系的規律如何表現需要進一步研究；第二，本文研究的是典型容積率（1.6）的居住街區形態，而城市居住區通常有更多的變量（如不同的容積率、街區組織方式），本文的研究結論是否還有效需要進一步探討。

圖10 基本類型和亞類型全年制熱、制冷總能耗強度

圖11 總能耗強度最低和最高的街區類型