形態類型學視角下小城鎮居住街區能耗模擬

袁 青，趙 妍，冷 紅

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院，哈爾濱 150001；2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150001)

建設具有地域特色的低碳小城鎮是現階段中國發展的重要方向.居住街區作為城鎮中最典型且占地面積最大的街區類型，降低其能耗對于低碳小城鎮建設有重要的意義.由于群體建筑間的相互遮擋和街區內局部微氣候的作用[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，居住街區群體形態布局的調控能夠一定程度上降低群體建筑能耗[3,5].同時，小城鎮居住街區具有較為多樣的形態，在建設規模、空間布局、建筑組合等方面與城市都有一定區別.在保留小城鎮形態特征基礎上進行低碳規劃研究尤為重要.

形態類型學(typo-morphology)源于對康澤恩(Conzen)城市形態學(urban morphology)和卡尼吉亞(Caniggia)建筑類型學(architectual typology)的集成，其核心是以城市形態學的認知框架來理解形態的結構與特征，配合建筑類型學的演進觀點來審視各種形態之間的邏輯關系[7-8].其研究方法兼顧城市形態學關注的街區形態和建筑類型學關注的建筑類型[8-10]，對研究群體建筑能耗中的建筑群體形態識別與衍生均有較高的指導作用.形態類型學對于探討小城鎮居住街區建筑群體形態特征方面有突出作用.

本文以浙江省長興縣為例，以形態類型學理論方法為基礎，通過對居住街區空間形態特征的研究，模擬分析不同類型建筑群體形態對能耗的影響，為小城鎮的居住街區低碳規劃提供設計指引.

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

長興縣位于浙江省湖州市，屬亞熱帶季風氣候，具有典型的夏熱冬冷地區氣候特征.該地區的建筑節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的方法.居住建筑用能與北方采暖地區有明顯區別，以居民自發購買的空調進行制熱制冷為主，且夏季制冷為主，冬季制熱為輔.能耗主要受到室內居民類型及居民行為活動的影響，空調多采用間歇式用能模式，由各戶自主調節用能時間，具有明顯的不確定性.長興縣居民用電以低、中消費為主，用電習慣較城市居民更加節能.

1.2 研究方法

1.2.1 類型歸納

研究從形態類型學理論的角度設定識別標準，提煉出具有代表性的典型形態類型.識別標準包括項目規模、空間布局、建筑數量、建筑形態類型等幾個方面，使樣本能反映出小城鎮典型的群體形態特征，體現小城鎮的特色，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.容積率是居住街區開發建設的首要條件，容積率會限制居住街區呈現出不同的形態類型.本文通過對長興縣實際住宅數據研究，依托形態類型學的理論與方法，提取出“基本形態”以及“衍生形態”兩種空間形態類別.“基本形態”是對長興縣居住街區的空間形態主要特征的體現，“衍生形態”是對“基本形態”基于形態類型學做出的形態改變.

1.2.2 軟件數值模擬

無論是建筑單體還是建筑群體能耗的研究，軟件數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，根據研究內容與目標設定不同的實驗情景，控制影響能耗的非形態因素不變，僅進行形態的改變，從而得出形態對能耗的影響作用[11].

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

2 小城鎮居住街區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范圍內抽樣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(見圖1).所選居住街區類型多樣，基本概括了長興縣居住街區的總體情況.通過計算，樣本居住街區的容積率范圍在以下3個區間較多且形態類型較為豐富：1.16～1.21，0.55～0.61，1.56～1.69.住區類型可分為4類：城郊村、城中村、小城鎮型住區以及城市型住區.居住街區形態類型可歸納為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 中心城區居住街區樣本選取

2.2 特征分析

居住街區形態從其本質來看是包含物質形態與非物質形態的雙重組合，物質形態主要表現為居住街區的區位條件、單體建筑的類型、形狀、群體組合特征[12]，非物質形態則主要表現為住區內居住的人群特征，包括居民類型、職業、經濟情況以及生活方式等方面的差異.本文主要分析小城鎮居住街區這兩方面的特征(見表1)，作為能耗模擬參數設置的研究基礎.

表1 小城鎮居住街區形態特征分析表

3 小城鎮典型居住街區形態類型的識別分析

3.1 典型居住街區識別

基于形態類型學及小城鎮居住街區特征分析，在典型容積率區間內從樣本中識別具有代表性的典型居住街區(見圖2)，并進行空間形態提取.典型居住街區的識別原則包括：1)地塊空間布局：群體建筑的組合布局形式；2)建筑類型：街區內的住宅建筑構成類型；3)居住人群經濟情況：居住人群的人口結構及消費水平；4)空間形態要素：街區空間形態構成具有小城鎮典型的形態類型學要素.

圖2 典型居住街區識別

3.2 “基本形態”提取

“基本形態”的提取建立在對長興縣居住街區的總結上，各項數據基于前期樣本研究、特征分析以及識別出的典型居住街區的現狀情況進行控制.據調研，長興縣高層居住街區規模較小且多為新開發的城市型住區，缺乏小城鎮特征，因此單一的高層居住街區不作為長興縣典型居住街區類型研究.最終提取出5種 “基本形態”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布局對能耗的影響，在形態提取時控制各類型住宅建筑的平面特征、體形系數、層高等建筑單體特征(見表2).生成“基本形態”類型居住街區時(見表3)，依據樣本數據設定地塊大小為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 典型居住街區建筑單體特征表

表3 “基本形態”提取

3.3 “衍生形態”生成

“衍生形態”是在保證建筑單體形態特征不變的情況下，依據形態類型學對“基本形態”在街區建筑朝向、相互位置和建筑類型占比等物質形態要素上的改變.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中體現.研究兩種住宅類型混合的街區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”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樣本中找到現實參照.最終形態衍生方式為：低層居住街區通過改變建筑山墻間距改變街區緊湊度，多層板式居住街區改變建筑朝向及建筑錯位擺放，兩類混合式居住街區改變不同住宅類型配比及相互位置(見表4).

表4 “衍生形態”生成

4 能耗模擬

研究進行兩步能耗模擬：第1步是物質形態能耗模擬，各形態類型采用同樣的標準參數，探討形態改變對群體建筑能耗的影響；第2步是非物質形態能耗模擬，參數中加入各形態類型的家庭結構、生活習慣及用能行為等因素，探討非物質形態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”和17個“衍生形態”.為更準確地探討群體形態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、建筑圍護結構、窗墻比等變量，避免建筑單體因素對模擬結果產生影響.此外，能耗模擬的人員、設備等參數設置均來源于長興縣居住街區樣本研究、問卷調查與訪談以及查閱文獻資料[12-15].

4.1 物質形態能耗模擬

4.1.1 模擬參數設定

物質形態能耗模擬僅討論居住街區的建筑群體布局形態對街區單位建筑面積能耗的影響，參數設置中人員在室情況均采用家庭模式(4～5人)，照明和設備使用情況為標準能耗模式，空調類型為家用分體式空調.該標準參數依據長興縣實地勘察獲得的現場資料、相關規范以及調研問卷和文獻資料[11,16-18]設置(見表5).

表5 物質形態能耗模擬參數表

4.1.2 模擬結果分析

在5種基本形態類型模擬結果中(見圖3)，低層獨棟式居住街區能耗強度最高，為23.62 kWh/m2；多層板式居住街區能耗強度最低，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能效果，低層板式+多層板式居住街區容積率增加了0.66，但能耗強度比低層板式降低了3.4%.多層板式居住街區為最節能的類型，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(5個)全年單位建筑面積總能耗強度

圖4 基本形態(5個)單位建筑面積制冷、制熱能耗強度

低層居住街區模擬結果中，緊湊布局更利于低層居住街區節能，且會降低低層板式居住街區制冷能耗強度以及低層獨棟式居住街區的制熱能耗強度(見圖5～7).此外，當低層獨棟式住宅建筑成組行列式布置時，組間山墻間距為5 m時單位建筑面積總能耗強度最低.改變居住街區朝向對能耗影響較小，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能的方式.錯位擺放雖對街區能耗強度影響較小，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(5個)與衍生形態(17個)制冷能耗強度

圖6 基本形態(5個)與衍生形態(17個)制熱能耗強度

圖7 基本形態(5個)與衍生形態(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中，多層住宅占比高時更利于節能，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或西側時會對較低樓層的住宅產生遮擋，在通風與采光兩方面發生影響，改變局部微氣候環境.因此多層住宅布置在低層住宅北側能耗強度更低，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區別不大.根據以往研究表明，高層住宅的布置方位可以調節居住街區局部微氣候，影響居民用能行為，從而起到節能效果[19].

4.2 非物質形態能耗模擬

4.2.1 模擬參數設定

非物質形態能耗模擬旨在探討長興縣的現狀情況下典型居住街區的非物質形態對群體建筑能耗影響表現.家庭人口數、用能情況、經濟條件等對于小城鎮建筑能耗的模擬影響較大，因此本次模擬參數(見表6)以物質形態模擬的標準參數為基礎，加入人員及用能行為參數，基于長興縣的綜合調研情況、相關規范以及文獻資料設置[18,20].

表6 非物質形態能耗模擬參數表

根據長興縣問卷調查(實發2 000份，有效問卷1 627份)及訪談情況得出：低層住區居民類型為中老年夫婦(2～3人)，人員在室時間較長且時間、人數固定，空調使用率較低，日常生活非常注重節能，插座設備不使用時會關閉電源.低多混合式住區和多層住區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，空調正常使用，日常生活較注重節能.多高混合式住區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、父母上班，全員在室時間較短，空調使用率偏高，日常生活能耗雖然偏高，但依然在城市居民標準水平之下.

4.2.2 模擬結果分析

根據兩次模擬結果對比(見圖8、9)，基本形態(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設備使用方式影響了總能耗強度.

圖8 兩次模擬的基本形態(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(5個)與衍生形態(17個)單位建筑面積總能耗強度對比

雖然非物質形態模擬結果整體數據下降，但物質形態對能耗的影響規律幾乎沒有受到影響，僅多層板式+高層板式的模擬結果與物質形態模擬結果有所不同.依據單位建筑面積總能耗數據，居住模式參數調整后多層板式+高層板式(1∶2)為多高混合式居住街區中最節能的類型，多層板式+高層板式(2∶1)為能耗強度最高的街區類型；但制冷制熱分項能耗趨勢均沒有發生變化.這是由于多高混合式的居民類型調整為年輕夫婦，人員在室時間發生了變化，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.依據能耗模擬結果，在空調及設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能耗強度的重要因素.居民類型的改變也將直接導致用能行為和用能時間的變化，從而影響居住街區能耗強度.并且在非物質形態中，用能行為是影響最大的因素，其次是居住模式.因此在小城鎮建設過程中不僅要在街區物質形態方面進行調控，同時也要考慮非物質形態因素.

5 結 論

本文以浙江省長興縣為例，基于住區尺度，通過軟件數值模擬的方式在控制各類街區容積率及建筑單體特征的情況下進行兩步全年能耗模擬，探討小城鎮典型居住街區形態類型在物質形態和非物質形態兩方面對建筑能耗的影響，研究發現：

1)多層板式居住街區能耗強度最低，低層獨棟式居住街區能耗強度最高.

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

3)緊湊布局更利于低層居住街區節能，當低層獨棟式住宅建筑每3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能的布局方式，如果在規劃建設過程中需要改變建筑朝向，應依據當地氣候特征合理改變朝向.

5)非物質形態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慣、用能行為對能耗產生的影響最大.

本文認為規劃師在進行小城鎮低碳規劃時，應考慮到小城鎮的地域特征，從街區尺度考慮切實方案，降低占比更大的住區能耗.居住街區作為居民生活的載體，在規劃時應依據當地的地域特征以及氣候條件對物質形態合理調控，采用適應小城鎮地域特征的低能耗居住街區類型、布局方式以及建筑朝向等.同時，由于非物質形態因素的重要性，應通過一些物質形態調控策略間接調控街區非物質形態要素達到節能效果.

必須承認影響居住街區能耗的因素有很多，本文的研究尚有局限性，需要今后進一步探索.在研究中我們也發現居民類型、居住模式、家庭收入、消費觀念等因素對居住街區群體建筑能耗十分重要，今后應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形態的研究，城鎮住區容積率還有更多變量，街區形態也有更多的可能性，未來將會針對以上問題進行深入的探討，以期為小城鎮低碳建設提出更有力的規劃指引.