縣域城鎮空間形態與居住建筑能耗關聯性的連續尺度研究
——以浙江長興、福建連江為例

范小利,羅 濤,張雪葳,吳良龍

福州大學建筑與城鄉規劃學院,福州 350108

建筑與工業、交通并列為全球能源消耗的三大領域[1—2]。據統計,2000至2017年,我國城鎮居住建筑能耗占建筑能耗總量的38%至42%[3],城鎮居住建筑節能已成為我國實現碳達峰、碳中和目標的重要途徑[4]。但隨著我國現代化的推進,居住建筑用能需求將進一步提升[5]。因此,在新型城鎮化存量更新與高質量發展背景下,從建筑外部空間即城市設計視角,探討居住建筑能耗的可持續發展問題,將為我國城鎮物質空間的有序發展與精細管理提供重要參考。

開展城鎮空間形態與居住建筑能耗的相關性研究,涉及3方面問題：(1)建筑運行能耗的測算與分析。建筑運行能耗是為居住、使用者提供供暖、通風、照明及其為了實現建筑各項服務功能所產生的能源消耗[6],與居民用能需求息息相關。目前,建筑運行能耗的測算方法主要有3種：基于能耗強度、終端能耗模型及統計年鑒的計算方法[7]。對建筑能耗影響要素進行綜合論證的研究方法,主要有：方差分析、回歸分析、協整分析、面板數據和系統動力學等測算[8—10],以上分析方法適用范疇略有差異,但均具有一定深度。(2)空間形態與建筑能耗的關系。該領域已是國際研究的熱點,但國內相關研究才剛剛起步[1]。已有研究表明,城鎮空間形態主要通過改變建筑物理特征、用戶用能行為、地域氣候特征等方式,影響居住建筑能耗[11]。已被學者證實對建筑能耗存在影響的城鎮空間形態指標可劃分為空間形體、城市綠化、建設強度以及土地利用等類別[1]。其代表性研究為菲利普·羅德 (Philipp Rode)等人開展的城市形態因素對建筑能耗影響的系列研究[12—13]。(3)研究尺度。城鎮空間形態具有連續性。現有研究在尺度上往往依循“宏觀-中觀-微觀”的塔式模型,并主要聚焦于建筑周邊50—200m中微觀形態分析[1],缺乏適應于城鎮形態整體性的連續尺度空間計量分析與驗證[14]。

本文以浙江省長興縣、福建省連江縣為我國浙閩地區縣域城鎮典型代表,聚焦居住建筑與縣域城鎮空間形態的關聯性,采用GIS分析與數理統計相結合的方式,篩選影響建筑能耗的關鍵空間形態指標,識別其低碳效應的最佳尺度。旨在從城市設計角度,為實現我國浙閩地區縣域城鎮低碳轉型、居住建筑節能減排提供理論依據。

1 研究樣本與數據處理

1.1 研究區概況

浙閩地區縣域城鎮以丘陵、臺地及濱海平原地形為主,氣候溫暖濕潤,是我國人口密集、城鎮化發展迅速的經濟核心區,也是我國新型城鎮化建設的重要陣地。為較好代表浙閩地區縣域城鎮整體特征,并兼顧夏熱冬冷、夏熱冬暖建筑氣候區類型差異,本文選取浙江省長興縣、福建省連江縣為案例區,其具體概況如下(圖1、表1)：

圖1 研究區位圖Fig.1 Location of the study area來源：http://map.ps123.net/china/74.html地之圖改繪

表1 案例區概況Table 1 Overview of the study area

1.2 居住建筑樣本選取

本文居住建筑樣本選取綜合考慮了空間分布、建筑高度及周邊建成環境等因素。

選取步驟：首先,考慮樣本分布,均衡選取老城、新城區及產業區周邊建成區的居住建筑；其次,考慮建筑在街區中位置,均衡選取臨街、街區內部建筑；而后,考慮建筑樣本的樓體建筑形式(中高層、低層建筑)占比；最后,考慮建筑周邊環境因素,分為臨水、不臨水兩類。綜上,選取長興縣建筑樣本16棟(中高層(單元式)10棟、低層6棟),選取連江縣建筑樣本33棟(中高層(單元式)21棟、低層12棟),共49棟(圖2)。

圖2 居住建筑樣本空間分布圖Fig.2 Distribution of residential building samples

1.3 空間形態指標選取與量化

基于學界證實的與建筑能耗相關的形態類別及代表性指標分析[1,15],本文進一步結合案例區生態、文化背景與空間形態特征,選取以下指標展開量化研究(表2)。并利用GIS 10.2軟件平臺,在居住建筑樣本周邊1800m半徑范圍內,以200m為間隔建立緩沖區。需說明的是,本文以200m為間隔,展開居住建筑所處約16hm2至1000hm2用地規模范圍內連續尺度量化分析,能夠較好覆蓋長興、連江縣中心城區,為節能導向下全尺度城市設計提供指標管理依據,同時有效簡化計算機運算處理過程。

表2 空間形態指標說明Table 2 Description of spatial morphology indicators

1.4 居住建筑能耗整理與分析

據統計,城鎮居住建筑單位面積電耗呈現逐年增長態勢,電力在家庭用能中的比重增大[3]。近年來,已有不少研究論證了單位建筑面積用電量作為能耗強度指標的可信度與可靠度[16—18]。考慮到長興、連江縣在經濟水平、自然條件與社會文化背景方面較為相似,單位建筑面積用能人數具有統計學上的一致性。因此,本文采用單位建筑面積用電量作為居住建筑能耗強度指標。

電力數據依托長興縣供電局、國網福建省電力有限公司連江縣供電公司提供的平臺獲取。數據獲取過程：首先,明確建筑詳細地址信息,在電力系統內部平臺檢索居民用電戶號及2018年逐月用電數據,刪除無效樣本后,共收集1500戶左右居民12個月用電數據。而后,采用隨機抽樣的方式,分別抽取長興、連江縣234戶、349戶居民用電數據,共583戶居民全年用電數據。由于多戶居民隸屬于同一棟建筑,因此該583戶居民全年用電數據準確覆蓋本文49棟建筑樣本。最后,戶用電量除以戶居住套內建筑面積得出戶單位建筑面積用電量。其中,居住套內建筑面積是以1:500地形圖為基準獲取建筑信息,以網絡調查與實地勘查相結合方式完善與修正。中高層(單元式)居住建筑以建筑內總住戶95%置信區間的戶單位建筑面積用電量均值作為居住建筑能耗強度。單一住戶的低層住宅則采用該住戶單位面積用電量作為該居住建筑能耗強度,樣本單位用電詳情如下(圖3)。

圖3 居住建筑用電能耗強度情況Fig.3 Electricity consumption intensity of residential buildings

由于居民建筑逐月用電量具有顯著季節性,其中1、2月份為當地最冷月份,7、8月份為當地最熱月份,因此,本文以1、2月電耗均值2.12kWh m-2月-1為最冷月份能耗期能耗強度,以7、8月電耗均值3.19kWh m-2月-1為最熱月份能耗期能耗強度,以12個月電耗均值2.10kWh m-2月-1為全年能耗強度。

2 研究結果

2.1 浙閩地區縣域城鎮空間形態與居住建筑能耗的相關性分析

浙閩地區縣域城鎮空間形態(不分地區)與居住建筑能耗的Spearman相關性分析結果如下(表3),為簡化表格,僅注明各空間形態指標與建筑能耗具有相關性的時期與對應緩沖區半徑。具體如下：

表3 浙閩地區縣域城鎮(不分地區)空間形態與各時段建筑能耗相關性檢驗Table 3 Correlation test of spatial morphology and building energy consumption in various periods of county-level cities and towns (regardless of region)in Zhejiang and Fujian

(1)在200—1800m半徑范圍內,均有空間形態指標與最熱月份能耗期能耗呈現相關性,指標有道路密度、開發密度、開放空間率、水面率、綠地率、土地利用混合度。僅有水面率在600—800m半徑范圍內與最冷月份能耗期能耗呈現相關性。

(2)在與最熱月份能耗期能耗具有相關性的指標中,道路密度與其相關性最為密切,在400—1800m半徑范圍內均與最熱月份能耗期能耗呈正相關；綠地率與開放空間率分別在200—800m、1400—1800m半徑范圍內與最熱月份能耗期能耗呈負相關；土地利用混合度、開發密度、水面率分別在在1600—1800m、1400m、800m半徑范圍內與最熱月份能耗期能耗呈正相關。

(3)水面率在800m半徑范圍內同時與最熱、最冷月份能耗期能耗呈正相關。

2.2 長興縣、連江縣空間形態與居住建筑能耗的相關性分析

為進一步明確地區差異的影響,分別開展長興、連江縣空間形態指標與居住建筑能耗的Spearman相關性分析,結果如下。

長興縣空間形態指標與居住建筑能耗的相關性分析(表4)：

表4 長興縣空間形態與各時段建筑能耗相關性檢驗Table 4 Correlation test between the spatial form of Changxing County and the building energy consumption in each period

(1)在200—1800m半徑范圍內均有空間形態指標與能耗相關,指標包括道路密度、開發密度、容積率、水面率、綠地率、水岸密度、土地利用混合度。

(2)同類型空間形態指標對能耗具有相同的正負效應,且不同時期段敏感性不同。空間形態、建設強度類指標,如道路密度、開發密度、容積率均與能耗呈正相關,且容積率與能耗呈正相關時期為全年、最冷月份能耗期,開發密度則較多出現在最熱月份能耗期；城市綠化類、土地利用類指標,如水面率、綠地率、水岸密度、土地利用混合度均與能耗呈負相關,且水面率、水岸密度與能耗呈負相關時段分別為最冷、最熱月份能耗期。

(3)開發密度、綠地率與建筑能耗相關性結果較為顯著。即在400—1800m半徑范圍內,開發密度與最熱月份能耗期能耗呈正相關,綠地率與全年、最熱月份能耗期能耗均為負相關。

(4)容積率、水岸密度、土地利用混合度均只在一個特定尺度上顯示出與建筑能耗的相關性,其尺度范圍分別為200m、1000m和1200m。

連江縣空間形態指標與居住建筑能耗的Spearman相關性分析(表5)：

表5 連江縣空間形態與各時段建筑能耗相關性檢驗Table 5 Correlation test of Lianjiang County′s spatial form and building energy consumption in each period

(1)空間形態指標與能耗相關的尺度集中于200m、800—1000m、1400—1600m半徑范圍內,具有非連續性。

(2)涉及空間形態指標較少,僅包括水面率、土地利用混合度2個指標。其中,水面率與建筑能耗呈相關性的尺度限定在800m半徑范圍內。土地利用混合度與建筑能耗呈相關性的尺度限定在200m、1000m、1400—1600m半徑范圍內。

(3)水面率、土地利用混合度均與全年、最冷月份能耗期能耗呈正相關。

2.3 地區差異與相關性隨尺度變化規律分析

結合2.1、2.2分析,得出浙閩地區縣域城鎮(不分地區)與長興、連江空間形態指標與建筑能耗的相關性具有以下地區差異：

(1)水面率、土地利用混合度為共性指標。但在不同地區呈現相關性的尺度不同。在浙閩地區縣域城鎮(不分地區)分析中,以上兩個指標與能耗相關性尺度限定分別在600—800m、1600—1800m半徑范圍內；在長興縣分析中,以上兩個指標與建筑能耗相關性尺度分別在1200—1800m、1200m半徑范圍內,在連江縣分析中,以上兩指標與建筑能耗相關性尺度分別在800m和200m、1000m、1400—1600m半徑范圍內。

(2)開放空間率為浙閩地區縣域城鎮(不分地區)的特性指標,在1400—1800m半徑范圍內與居住建筑能耗呈負相關。該相關性在長興、連江相關性比較中均未體現。

(3)浙閩地區縣域城鎮(不分地區)與能耗相關的指標中,雖然部分指標也分別與長興、連江居住建筑能耗具有相同正負效應,但在呈現相關性的尺度、能耗時期上具有差異。以道路密度為例,道路密度是浙閩地區縣域城鎮(不分地區)與長興的共性指標。在浙閩地區縣域城鎮(不分地區)中,道路密度在400—1800m與最熱月份能耗期能耗呈正相關,在長興中,道路密度在400m、800—1000m半徑范圍內分別與最熱月份能耗期、全年能耗呈正相關。

為進一步探討空間形態與能耗相關性隨尺度變化規律,整理200—1800m半徑緩沖區內空間形態指標與最熱、最冷月份能耗期及全年居住建筑能耗相關性(圖4),具體如下：

圖4 不同尺度建筑能耗強度相關性變化趨勢圖 Fig.4 Correlation trend diagram of building energy intensity of different scales

(1)浙閩地區縣域城鎮(不分地區)時,空間形態指標在800m半徑范圍內與能耗具有相關性的結果最多,能耗對空間形態最為敏感性。

(2)獨立整理長興、連江空間形態與能耗相關性結果,發現長興、連江分別在1000—1200m和800—1000m、1400m半徑范圍內出現相關性結果較多。

2.4 空間形態與居住建筑能耗的強度分析

為了進一步分析空間形態對居住建筑能耗強度的影響,本文將建筑能耗與空間形態指標在SPSS 22.0中進行逐步多元線性回歸分析。其中,以最冷、最熱月份能耗期和全年能耗強度作為3組因變量,將與其具有相關性的空間形態指標作為自變量,引入回歸模型。逐步線性回歸模型不僅可以解決共線性問題,且可以篩選出關鍵形態因子。根據共線性診斷,當自變量的容忍度(容許值)>0.1,VIF<10的范圍,表明自變量之間沒有共線性問題。模型具體如下(表6)：

表6 回歸模型分析表Table 6 Regression model analysis table

(1)浙閩地區縣域城鎮(不分地區)空間形態與最熱月份能耗期能耗強度線性回歸方程的顯著性(P<0.05),方程為：

Y1=12.905X1+9.476X2-12.321X3+11.141

式中,Y1為最熱月份能耗期能耗強度,X1為1000m-道路密度；X2為800m-水面率；X3為1600m-開放空間率；

(2)連江空間形態與最冷月份能耗期能耗強度線性回歸方程的顯著性(P<0.05),方程為：

Y2=4.187X1+1.809

式中,Y2為最冷月份能耗期能耗強度(連江),X1為800m-水面率；

3 討論

3.1 空間形態對居住建筑能耗影響的最佳尺度選擇

目前,相關研究已證實城市形態可影響約10%—30%的建筑能耗[20—21]。但已有研究主要集中街區尺度[22],未能驗證空間形態對居住建筑能耗影響的最佳尺度選擇。

相關城市風、熱環境研究表明,城市開發密度、道路密度可表征城市建設強度,開發密度、道路密度越大的區域,往往是城市建設完善性高、人流密集的中心地段,是熱島效應的高發區,聚集的居民生活行為方式所消耗的能耗較大[23—24],因此,開發密度、道路密度與最熱月份能耗期能耗呈正相關；開放空間率可表征建筑周邊開放程度,其值越大,越易于熱空氣的自由交換[23],因此,開放空間率往往與最冷、最熱月份能耗期能耗分別呈正、負相關。綠化、水體有利于降低建筑外環境溫度[25—30]。本文進一步明確其低碳效應的最佳尺度選擇(表7)。

表7 最佳尺度選擇表Table 7 Selection of the valid scale

值得注意的是,浙閩地區縣域城鎮(不分地區)分析中,所識別的指標及其最佳尺度具有一定普適意義,與學界普遍認識也較為吻合。以綠地率為例,綠地率在200—800m半徑范圍內與能耗具有相關性,800m半徑范圍為其低碳效應空間臨界值。究其原因,600m為我國城市街區長度臨界值[31]。一般而言,街區具有較高的綠化水平。而50—200m為浙閩地區植被、水體增濕降溫的有效影響距離[32—33],因此,綠地率以800m為其低碳效應空間臨界值有一定科學依據。同時,由于浙閩地區夏季普遍高溫,隨著緩沖區半徑增大,綠地率對居住建筑室內用能的影響將逐漸減弱。

長興、連江相關性分析中,所識別的指標及其最佳尺度則與縣域城鎮地區特色密切相關。

首先,就長興縣而言：綠地率、開發密度兩個指標與長興縣建筑能耗相關性較為顯著。究其原因,作為2008年“國際花園城市”、2019年中國旅游百強縣市之一、2020年中國工業百強縣之一,長興縣城鎮綠化水平較高、土地開發利用整體性強。并且,由于長興縣位于低山丘陵向平原過渡地區,地勢平坦,具有平原城市相對均質的空間特征[34]。因此,綠地率與開發密度能夠在400—1800m這一連續尺度范圍中呈現與建筑能耗的相關性。

其次,就長興、連江共有指標水面率、土地利用混合度的不同表現而言：

水面率與長興縣建筑能耗在較大尺度(1200—1800m)相關,與連江縣建筑能耗在較小尺度(800m)相關。究其原因,首先,筆者在比較兩縣水文環境后發現,長興縣水文連通度與河流總長較高,其水體連續性、暢通能力較好[35—36],城鎮整體水文環境優勢明顯；其次,長興位于夏熱冬冷地區,具有冬季防寒的建筑設計要求[37],建筑氣候區的差異有可能使長興建筑保溫層效果優于連江。因此,長興居住建筑能耗更多受到大尺度建成區環境的影響,而連江居住建筑能耗更多與微氣候相關。

土地利用混合度與長興縣(1200m)、連江縣(1000m、1400—1600m)均在較大尺度上具有相關性,但分別呈負、正相關。一般認為,土地利用混合度越高的地區,土地開發強度越大、基礎設施越完善,越有利于鼓勵居民綠色出行,降低居家用能時長；但這些地區的居民往往也具有相對高能耗的行為模式,具有更高的居家用能頻率[38—39]。因此,土地利用混合度對長興、連江居住能耗相關性的正負差異,有可能表現了兩縣居民生活方式的差異。且目前土地利用混合度測度方式多樣[40],本文計算方法聚焦用地類型多樣性,對于土地利用可達性、兼容性的解析尚有不足,將在后續研究中進一步討論。

3.2 空間形態與居住建筑能耗相關性的地域共性與地區特性

本文研究結果表明,浙閩地區縣域城鎮(不分地區)空間形態與長興、連江空間形態的低碳效應,具有地域共性與地區特性。

地域共性表現為：在相關性分析中,識別出水面率、土地利用混合度共性指標。但也識別出開放空間率這一在浙閩地區縣域城鎮分析中呈現相關性,在長興、連江分析時均不具有相關性的指標。而根據強度分析結果,水面率、開放空間率直接影響浙閩地區縣域城鎮最熱月份能耗期能耗強度。

地區特性表現為3方面：(1)水面率、土地利用混合度這兩共性指標,在長興、連江呈現相關性結果與尺度不同。在長興分析中,具有相關性尺度分別為1200—1800m、1200m半徑范圍內；在連江分析中,具有相關性尺度分別為800m和200m、1000m、1400—1600m半徑范圍內。(2)除上述兩個指標外,不分地區分析中識別出的指標,與長興或連江識別出的指標均有重疊,但在具有相關性的尺度上也不盡相同。(3)在長興相關性分析中,特性指標為容積率、水岸密度。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)浙閩地區縣域城鎮中,與能耗強度有關聯的空間形態指標為道路密度、開發密度、開放空間率、水面率、綠地率、土地利用混合度。其中,道路密度在400—1800m半徑范圍內均呈現與建筑能耗相關性特征。1000m-道路密度、800m-水面率、1600m-開放空間率為影響最熱月份能耗期能耗強度的關鍵形態因子。

(2)有助于實現長興縣低碳發展的指標為：道路密度、開發密度、容積率、水面率、綠地率、水岸密度、土地利用混合度,其最佳尺度選擇分別為400m、400—1800m、200m、1200—1800m、400—1800m、1000m、1200m。在一定程度上反映了長興縣地勢平坦、水系發達、城鎮化進程快、經濟與綠化水平高的基本特征。

(3)有助于實現連江縣低碳發展的指標為水面率、土地利用混合度。其最佳尺度選擇分別為800m和200m、1000m、1400—1600m。800m-水面率為影響連江最冷月份能耗期能耗強度的關鍵形態因子。

(4)空間形態指標與建筑能耗相關性的數量峰值出現在建筑周邊800m半徑范圍內。其中,長興縣側重1000—1200m半徑范圍,連江縣側重800—1000m和1400m半徑范圍。

4.2 建議

基于以上發現,提出3個建議：

(1)關注15 min社區生活圈的低碳規劃設計,探索不同尺度下的空間形態碳效益影響機制及相互關系。本文識別出建筑周邊800—1000m半徑范圍是通過城市設計改善居住建筑能耗的最佳尺度。該范圍大致對應于15 min社區生活圈尺度。而我國低碳領域的法規、技術研究主要圍繞城區與街區尺度,因此在15分鐘社區生活圈規劃建設中突出低碳評價與管理內容,將有利于城鎮形態的整體優化。并建議選用道路密度、開發密度、水面率、綠地率等指標進行建設引導。

(2)提升綠地率是居住建筑節能減排的有效途徑,水面率對居住建筑能耗的影響具有明顯的地域差異。本文發現,水面率與長興縣建筑能耗在較大尺度(1200—1800m)呈負相關,與連江縣建筑能耗在較小尺度(800m)呈正相關。即在連江縣,居住建筑周邊水面規模越大,建筑能耗越高。出現這一結果,可能是由于城鎮自然環境不同,導致水體維護的成本不同,尤其是中小尺度景觀水體維護的耗電量有差異。換言之,即使是應用水面率這類學界公認可行的控碳指標進行碳效益評估,也應結合當地自然、社會、經濟背景,確定控碳指標的適用尺度與正負性。

(3)土地利用混合度可用于評估場地的節能減排潛力。土地利用混合度被視為衡量綠色出行意愿的重要指標,土地利用混合度越高,越有利于降低交通能耗。但本文與相關系列研究均發現,目前我國土地利用混合度較高的區域往往也是城市建設水平較好的區域,其居民具有高收入、高消費的特征與相對高碳行為模式,土地利用混合度更多呈現與居住建筑能耗的正相關關系。因此,可以考慮應用土地利用混合度指標評估場地節能減排潛力。并且,可嘗試在土地利用混合度較高的建成區域,設立低碳生活先行示范區,通過引進節能電器、優化建筑材料、推廣家庭能源可視化、精細化管控等方式[41—42],提高居民低碳生活意識,從而降低建筑運行能耗。