上海住宅街区典型形态类型能耗模拟研究

■ 王 一 WANG Yi 常家宝 CHANG Jiabao

节能减排、建构生态绿色的城市是城市发展的重要方向。在建筑能耗中，城镇居住区的能耗占36%～40%，降低城镇居住区能耗，对于实现节能减排目标来说有着巨大的潜力。居住区作为城市中最典型的建筑群体，其能耗不仅与单体建筑相关，还受到其群体形态特征的影响。由于建筑之间相互遮挡和局部微气候的影响[1]，群体能耗不等于单体能耗的简单相加（Anna L.P.等[2]）。大量研究表明，良好的群体形态设计能够降低群体建筑能耗（Wong等[3]，2011；Salat等[4]，2009）。

上海市是我国夏热冬冷地区的典型城市。自2000年以来，上海住宅每年房屋竣工面积占总房屋竣工面积的50%以上。近5年来，住宅竣工面积占比一直维持在60%以上（《上海统计年鉴2017》）。随着大量建设，居住区呈现出比较丰富的形态。本文以上海市当代居住区为例，通过对居住区群体形态类型化研究，分析不同类型的能耗表现，旨在从能耗的角度为夏热冬冷地区的居住区规划提供设计参考。

1 研究方法与研究工具

本文主要采用类型归纳和软件数值模拟两种方法。

为了从大量的上海当代居住区样本中提炼出类型，使模拟对象具有代表性，研究设定了一系列筛选标准，包括项目规模、建筑数量、形态多样性等，使样本能反映出群体形态特征，同时具有代表性和差异性。

容积率是住宅项目开发的首要条件，不同的容积率限制了街区形态的可能性，在同一容积率下，受到其它经济技术指标的约束，例如日照要求、住宅产品定位等，群体形态的可能性是相对有限的。本文在某一典型容积率的前提下，设定出“基本类型”和“亚类型”两种形态类别。“基本类型”体现各街区类型的主要特征， “亚类型”体现的是对“基本类型”的进一步形态操作，例如建筑朝向、相互位置关系等。 “基本类型”和“亚类型”旨在概括当代住宅街区的丰富形态特征，作为数值模拟的对象。

软件数值模拟是能耗研究最常用的方法。它可根据研究目标设置不同的实验情景，可以控制影响能耗的非群体形态因素（如建筑材料、人员使用方式、设备系统等）不变，仅通过改变形态，得出形态对能耗的影响作用（L. Adolphe，2002；黄雄[5]，2016； Zhengwei Li[6]，2016）。

在模拟工具上，本文选择EnergyPlus软 件。EnergyPlus软 件是由美国能源部主持开发的，基于DOE-2和BLAST能耗模拟软件，其中包括太阳辐射模型、阴影模型、日照模型、窗户模型、通风模型、空调系统模型、冷热源模型等[7]。EnergyPlus软件可以考虑到周围建筑物、树木或自身构件相互反射的太阳辐射得热，以及场地中的风环境，能反映建筑群体形态对街区建筑能耗的影响作用。

同时，本文使用DIVA作为EnergyPlus软件的操作界面。DIVA可将Rhino建模环境与EnergyPlus软件能耗模拟环境连接，从而简化使用者的操作。模拟流程如图1所示，在Rhino和Grasshopper环境中建模实验对象、划分热工分区后，通过DIVA输入参数，得到热工模型，再结合气象数据，调用EnergyPlus运算得到能耗模拟结果。

2 街区案例研究与形态归纳

在整个上海市选取研究样本的过程如图2所示。首先，以网络公开资源中的上海市所有住宅项目作为数据源，初选出200个建设年代在1992年以后的住宅小区[8]，并在其中挑选出134个以路网或河网为明确边界的街区。为了使这些街区具有明显的群体特征，以建筑单体数量不少于5个为条件，再次进行筛选，得到100个当代住宅街区。其空间位置如图3所示。经过筛选的100个样本在上海市空间分布均匀，涉及黄浦区、静安区、闵行区、杨浦区、长宁区等行政区，既有高档小区又有普通小区，基本代表了上海市当代住宅街区的总体状况。

对这100个样本按照容积率进行统计，其容积率近似正态分布（图4），容积率在1.4～1.9区间的住宅街区占50%，其中，容积率在1.6左右的住宅街区数量和类型最多。住宅群体形态类型可以归纳为六种：高层板式街区、高层塔式街区，高层板式+高层塔式、高层板式+多层板式、高层塔式+别墅以及高层板式+低层板式街区。

形态归纳建立在对上海样本的总结上。本文设定地块大小为200m×200m、容积率为1.6作为代表容积率生成类型，一是该容积率的小区在样本中最多，二是在该容积率下街区群体形态可产生更丰富的类型，有助于研究的开展。同时，设定高层板式住宅为12层，高层塔式住宅为18层，多层板式住宅为6层，别墅和低层板式住宅均为3层（样本中出现的高层板式住宅以11～13层居多，出现的高层塔式住宅以17～20层居多，出现多层板式住宅均为6层，出现别墅和低层板式住宅均为3层），对于两种住宅形态混合的街区，基本类型设定两种住宅的建设量比例为1:1。生成的基本类型如表1所示。

以上六种为街区形态的基本类型，对基本类型进行进一步变化得到亚类型（表2）。亚类型相对于基本类型的变化在于形体、朝向、相互位置和住宅形态类型占比。建筑形体、朝向和相互位置的变化仅在单种住宅形态的街区中体现。为了减少类型的复杂程度，在两种住宅形态混合的街区中不考虑形体、朝向和空间位置的变化。在生成亚类型时，研究排除了两种情况：建筑选型无法满足地块容积率要求，以及不能在上海100个居住街区样本中找到现实参照。

图1 使用DIVA模拟街区能耗的流程图

图2 上海市住宅街区样本筛选流程图

图3 取样得到的100个住宅街区样本在上海市的空间位置图

图4 100个住宅街区样本容积率分布图

3 模拟参数设定

根据现场数据、相关规范以及文献资料，本文对气候、人员、建筑、系统、照明和设备等方面进行了设定，主要参数设定如表3所示。

4 能耗模拟

图5、图6分别为基本类型的全年制热、制冷能耗强度模拟结果。在制热能耗上，高层塔式+别墅街区制热能耗强度最高，为6.3kWh/m2，高层板式街区制热能耗强度最低，为4.09 kWh/m2，其他街区类型制热能耗强度均在4.0～5.0 kWh/m2之间。在制冷能耗上，高层塔式+别墅街区仍然最高，为24.5 kWh/m2。高层板式与多层板式、低层板式的组合类型能耗最低，为22.47 kWh/m2。图7反映了基本类型全年制热制冷总能耗强度，可以看出，高层板式+多层板式街区最低（26.92 kWh/m2），比高层塔式+别墅街区（30.77 kWh/m2）少12.51%，为最节能的类型。高层板式街区（26.97 kWh/m2）与高层板式+低层板式街区（27.30 kWh/m2）紧随其后，为第二和第三节能的类型。

亚类型（12个）的制热能耗强度与基本类型（6个）对比如图8、图9所示。高层板式加裙房、相互错位、以及朝向变化对制热能耗影响很小，可忽略。周边式、周边L型布局则分别使制热能耗增加28.6%和33.74%。高层塔式相互错位、改变高层板式+高层塔式、高层板式+多层板式或高层板式+低层板式的比例对制热能耗影响较小。在高层塔式+别墅街区中降低别墅的比例（从50%降至25%），可降低制热能耗11.4%。

表1 住宅街区基本类型（6种）

表2 住宅街区基本类型和亚类型

制冷能耗上，增加裙房使高层板式的制冷能耗强度降低，相互错位以及周边式使其制冷能耗强度增加，但影响均很小。改变朝向使制冷能耗强度增加4.3%。在高层板式+高层塔式街区中，将高层塔式的比例从50%降到25%，制冷能耗强度降低4.1%。高层板式+多层板式、高层塔式+别墅、高层板式+低层板式的亚类型相比基本类型变化不大。

亚类型和基本类型的制热、制冷总能耗强度整体比较如图10所示。增加裙房和相互错位布局，对街区能耗的影响基本可以忽略。改变朝向使街区总能耗强度增加3.4%。周边式布局和周边式L型布局分别使总能耗强度增加5.2%和6.3%。对组合住宅的街区来说，改变比例会对能耗产生影响，但影响在4.1%以内。

整体来看，高层塔式+别墅街区和纯高层塔式街区及它们的亚类型能耗较高，其中高层塔式+别墅（1:1）总能耗强度最高，为30.77 kWh/m2。高层板式及其加裙房或相互错位的亚类型、高层板式+多层板式及其亚类型、高层板式+低层板式及其亚类型总能耗强度较低。其中高层板式+多层板式（3:1）的总能耗强度最低，为26.78 kWh/m2。图11为总能耗强度最低和最高的五种街区类型。

表3 本文使用的模拟参数输入

5 结语

通过类型化的研究，本文得到了在容积率为1.6情况下能耗最低和最高的住宅街区形态类型。高层板式+多层板式在建设量3:1的情况下能耗强度最低，纯高层板式能耗强度也较低。高层塔式+别墅街区能耗强度最高，纯高层塔式街区能耗强度次之。综上，在该情况下设计住宅街区时，推荐使用高层板式+多层板式的街区、纯高层板式街区，避免使用高层塔式+别墅街区以及纯高层塔式的街区。

在总体布局上，正南北朝向行列式布局的板式住宅街区有利于节能，改变建筑朝向使总能耗强度增加3.4%。周边式布局和周边式L型布局分别使总能耗强度增加5.2%和6.3%。增加裙房、相互错位等操作对能耗强度影响可忽略不计。

图5 基本类型全年制热能耗强度

图6 基本类型全年制冷能耗强度

图7 基本类型全年制热、制冷总能耗强度

图8 基本类型和亚类型全年制热能耗强度

图9 基本类型和亚类型全年制冷能耗强度

本文的结论可以供住宅街区设计实践中作为方案比选的参考。但是，在未来至少有以下几个可深化研究的方向。首先，本文考虑了单种和两种住宅形态混合的居住街区，当住宅形态变为三种及以上时，形态与能耗关系的规律如何表现需要进一步研究；第二，本文研究的是典型容积率（1.6）的居住街区形态，而城市居住区通常有更多的变量（如不同的容积率、街区组织方式），本文的研究结论是否还有效需要进一步探讨。

图10 基本类型和亚类型全年制热、制冷总能耗强度

图11 总能耗强度最低和最高的街区类型