夏热冬冷地区高容积率居住小区形态类型能耗绩效研究＊——以上海市为例

王一 王锦璇

1 同济大学建筑与城市规划学院

2 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

随着能源消耗，全球变暖等多种城市环境问题日益突出，绿色建筑和生态城市的深入研究，凸显了降低城市能耗的重要性。建筑在城市中并非孤立存在，它必然受到周边环境及气候（如建筑间的遮挡、阴影所影响的微气候）的影响。居住区作为一系列居住建筑组成的群体空间，可以将建筑单体、城市环境、气候等多方因素涵盖其中，而高容积率居住区以其高土地利用率、低建筑能耗等优势，近年来在我国一、二线城市的新建小区中占比很大，是我国大城市中心城区未来的建造趋势。

因此，本文通过EnergyPlus软件对我国夏热冬冷地区的高密度居住小区的多种形态类型进行能耗模拟，探讨该气候区下各街区形态参数与能耗之间的关系，进而提出节能型高密度居住小区的设计策略，为建设生态节能型城市提供借鉴。

1 居住小区类型提炼

影响街区能耗的形态因子包括建筑高度、建筑宽高比、建筑朝向、建筑窗墙比、容积率、街区布局形态、天空可见度等。为了充分、准确地描述一个居住小区的形态特征，避免研究的街区形态参数过于冗杂，本文在确定的容积率和街区地块的几何特征下，重点关注以下三个形态设计参数——街区朝向、街区群体组合方式、建筑窗墙比。通过控制容积率和居住小区地块几何特征两个因素，将居住小区的类型大幅减少，使上述三个参数足以描述居住小区的形态类型。又因为街区群体组合方式难以用数字描述其特征，故引入街区群体体形系数与基底覆盖率，用以后期量化分析街区群体组合方式对能耗的影响。同时，为了避免能耗模拟对象过多，使有限的模拟对象更具代表性，本文首先确定容积率和地块几何特征的取值。

1.1 容积率的确定

根据我国国家标准《城市居住区规划设计规范》（GB 50180-93）和各城市的地方规定，居住区容积率根据不同住宅层数和不同气候区，取值在1.1～3.5之间。近些年，以高层住宅为主的居住区的容积率指标多集中在2.5～3.0之间（表1），而众多国外特大型城市对居住区开发强度做出的规定是将容积率上限提高至5.0[1]（表2）。与此同时，国内外诸多高容积率街区的成功也向大众证明了高容积率并不代表生活品质的下降。

从城市发展的客观规律看，容积率会随着城镇化的发展而增加。目前，我国正处于城镇化的快速发展阶段，在较长一段时期内城市的大规模建设还将继续，充分挖掘土地潜力和实现土地资源集约利用至关重要。从城市发展的现状来看，4.0是低容积率到高容积率的门槛。

因此，本文顺应时代发展趋势，探索高容积率下的居住小区形态类型与能耗的关系，适当突破目前国内一、二线城市普遍的居住小区容积率在2.5～3.0的标准，将目标聚焦在容积率4.0的居住小区。

1.2 地块几何特征的确定

为了顺应未来“窄马路”“密路网”的小尺度街区发展趋势，简化理想模型，本文将能耗模拟的理想化街区地块尺寸设定为200m×120m。这一尺寸是前期研究的现实街区样本中出现过的最小街区尺度，不仅符合斯科纳（Ag Siksna）提出的理想街区边长尺寸80～110m、街区尺寸控制在200m以下有利于街区内居民日常出行的理论[2]，而且与《城市规划原理》提出的城市道路网在支路层级的间距相吻合（图1）。

1 城市道路网划分地块示意图

1.3 确定住区形态参数与建立理想化类型

在确定居住小区的容积率和街区地块尺寸后，接下来探讨街区群体组合方式、街区朝向、建筑窗墙比三者的取值，以建立理想化居住小区类型模型。其中将街区群体组合方式分成建筑形态类型和排布方式两方面。

居住小区的建筑形态类型被分为点式、板式、板式双排与三排混合（高层板式与多层板式混合）、点式与板式双排混合（高层点式与高层板式混合）以及点式与板式三排混合（高层点式与多层板式混合）五种。研究借助天正日照分析软件，验证了各个类型的建筑在冬至日的日照时间都达到了国家设计规范的要求。

街区的排布方式分为行列式和围合式两种。围合式布局的特点是建筑沿基地边缘布置，构成的空间无明确的方向性，更强调城市街道界面；围合式布局街区又可按照开口数量与开口宽度占街区边长之比继续细分（图2）。按开口数量划分，可分为全封闭式、一边开口式、两边开口式、三边开口式与四边开口式，围合程度依次递减，其中各边开口位置又分为中部开口与端部开口两种；按开口宽度占街区边长之比划分，又可产生不同的围合类型，围合程度随开口宽度占边长比例的增加而递减。为满足消防疏散设计规范，居住小区开口至少为两个，但开口过多又会破坏界面的连续性且不利于管制；开口宽度方面，参考巴塞罗那围合式街区的开口宽度占街区边长比在8%～12%之间。由此确定本文所研究的居住小区的围合方式为两边开口式，开口宽度占街区边长之比在10%左右。

2 围合式街区类型细分图

围合部分的高度将通过街道宽高比的宜人尺度加以限定。本文将理想模型中的街道宽度设为28m，使街道两侧保持交流与对话[3]。28m的街道宽度作为城市街道的支路层级，包含四条机动车道、两侧非机动车道、人行道及街道绿化。方智果等基于视域范围对街道宽高的研究发现，当宽高比为2:1时，街道空间相对紧凑，建筑与街道的关系也比较密切[4]（图3）。宽高比增大会削弱街道的围合感，宽高比减小时，天空可见度降低甚至为零，此时人会失去对建筑高度的判断能力，进而产生幽闭阴暗之感。因此采用宽高比为2:1的街道，围合部分的层数为5层，高度约15m（图4）。每一种形态类型根据排布方式划分又可衍生出两种亚类型，即行列式与围合式，形成共10种类型（图5）。为了方便对比不同街区类型对能耗的影响，模拟过程涉及到的周边街区采用与能耗模拟街区相同的形态类型。

3 街道宽高比对人的视阈影响图

4 围合式住区街道示意图

表1 我国部分城市居住用地容积率控制指标

表2 国际案例城市居住用地容积率控制指标

5 10 种街区形态类型的平面 立体及能耗模拟模型图

根据《上海居住建筑节能设计标准》对各朝向窗墙比的限值要求，计算出上海高密度住宅建筑的窗墙比最大值约为0.4，再结合实际案例，最终确定窗墙比取值为0.2、0.3、0.4（图6）；对建筑朝向的要求是在南北向的基础上，偏东、偏西不超过30°。因此，本文讨论高密度居住区的南北向，并在此基础上分别增加偏东和偏西30°、60°和90°共7种朝向，旨在探究建筑朝向对高密度居住区能耗的具体影响及变化规律（图7）。

6 三种窗墙比示意图

7 各街区类型7 种朝向变化示意图（以点式与板式三排混合式街区为例）

2 能耗模拟手段与模拟结果分析

2.1 能耗模拟手段

运用EnergyPlus软件进行能耗模拟，该软件是由美国能源部（Department of Energy，DOE）和Lawrence Berkeley国家实验室（LBNL）共同开发的一款建筑能耗模拟软件，在全球范围内被广泛使用。它可以对建筑的采暖、制冷、照明、通风以及其他能源消耗进行全面有效的能耗模拟分析。EnergyPlus考虑到了周围建筑物、树木或其自身组件相互反射的太阳辐射得热以及场地中的风环境，以此反映遮挡和风对建筑能耗的影响。

由于EnergyPlus的操作界面较为复杂，非系统专业的使用者应用十分不便，输出结果也无法可视化，因此本文使用DIVA（Archsim）作为EnergyPlus的操作插件，并借助Rhino与Grasshopper的操作平台完成模拟过程。

2.2 三组能耗模拟实验结果分析

应用Rhino建模，在Grasshopper中借助DIVA（Archsim）进行能耗模拟，将理想化模型分成三组进行能耗比较实验，从而了解高容积率居住小区的街区朝向、街区群体组合方式以及建筑窗墙比与年总制冷制热能耗强度之间的关系。

2.2.1 居住小区朝向与能耗之间的关系

本文控制容积率=4、窗墙比=0.3，分别对10种理想化住区类型下的7种朝向（共70种街区亚类型）进行能耗模拟，计算出这70个理想模型的总制冷制热能耗强度，并制成图表进行分析（图8～12）。结果如下：

8 14 种点式高密度住区的总制冷制热能耗强度

9 14 种板式高密度住区的总制冷制热能耗强度

10 14 种板式双排与三排混合高密度住区的总制冷制热能耗强度

11 14 种点式与板式双排混合高密度住区的总制冷制热能耗强度

12 14 种点式与板式三排混合高密度住区的总制冷制热能耗强度

13 窗墙比=0.2 的10 种高密度住区类型的总制冷制热能耗强度

14 窗墙比=0.3 的10 种高密度住区类型的总制冷制热能耗强度

15 窗墙比=0.4 的10 种高密度住区类型的总制冷制热能耗强度

16 窗墙比=0.3 的10 种正南北向基础上逆时针旋转30。的高密度住区类型的总制冷制热能耗强度

17 窗墙比=0.3 的10 种正南北向基础上逆时针旋转60。的高密度住区类型的总制冷制热能耗强度

18 窗墙比=0.3 的10 种正南北向基础上逆时针旋转90。的高密度住区类型的总制冷制热能耗强度

（1）纵观70种不同形态类型、街区朝向的居住区，总制冷制热能耗强度的最小值出现在板式行列式南北向，其强度为17.419kW h/m2；总能耗强度的最大值出现在点式与板式三排混合行列式逆时针旋转60°朝向，其强度为19.175kW h/m2。

（2）针对容积率=4、窗墙比=0.3的各类街区，不同街区朝向的总能耗差异达到10.08%；针对容积率、窗墙比相同的同类型街区，不同街区朝向的总能耗差异达到9.43%，出现在板式行列式街区。

（3）10种形态类型的街区内部各朝向亚类型与总能耗的总体关系如下：始终都是南北向的总能耗值最低；逆/顺时针30°时的总能耗次之；逆/顺时针90°时的总能耗与逆/顺时针60°时的总能耗都较高，且差值不大。

（4）当街区方向为完全南北向或近似南北向时，同类型街区行列式比围合式节能；非南北向或非近似南北向时，围合式比行列式节能。

（5）无论是行列式或者围合式，旋转相同角度下的街区能耗逆时针总比顺时针稍高。但总体来说，逆/顺时针相同度数的街区总能耗差异十分接近，在0.6%以内。

2.2.2 居住小区群体组合方式与能耗之间的关系

为了研究居住区的形态类型与能耗之间的关系，首先控制居住小区为正南北朝向，依次改变建筑窗墙比为0.2、0.3、0.4，对10种理想化居住区类型进行能耗模拟，计算出这三组模型（共30个理想模型）的总制冷制热能耗强度，并制成图表（图13～15）。

对于容积率=4、南北向排布、相同建筑窗墙比（本实验中分别取0.2、0.3、0.4）的10种街区类型。结果如下：

（1）总制冷制热能耗强度的最小值始终是板式行列式街区；总能耗强度的最大值始终出现在点式与板式三排混合围合式街区。街区的形态类型不同带来的总制冷制热能耗差异最高达到3.94%。

（2）相同主类型街区中，行列式与围合式两种亚类型的总能耗差异最高达到1.00%，始终出现在板式双排与三排混合街区。由此可知，布局方式的不同（行列式与围合式的差异）对街区总能耗的影响很小。

（3）同类街区中，除建筑窗墙比=0.4的点式街区外，行列式的总制冷制热能耗始终低于围合式，但差距很小。

（4）10种街区类型整体来看，板式行列式与围合式二者的总能耗都比较低；板式双排与三排混合的行列式与围合式以及点式与板式双排混合的行列式与围合式的总能耗次之；点式与板式三排混合行列式与围合式、点式行列式与围合式四者的总能耗都很高且数值相近。

接下来控制窗墙比=0.3，探讨非南北朝向下10种理想化住区类型的年总能耗强度（图16～18）。结果如下：

（1）随着街区朝向依次逆时针旋转30°、60°、90°，5种建筑形态类型内部围合式始终比行列式更节能，且围合式的节能优势随着角度的增大愈发明显。

（2）当街区朝向在逆时针60°～90°范围时，布局方式对能耗的影响相比建筑形态类型对能耗的影响具有压倒性优势，此时任一一种围合式街区的能耗均小于任一一种行列式街区的能耗。

（3）随着街区朝向逐渐偏离正南北向，10种居住小区群体组合方式中，点式围合式逐渐显露其节能优势，而板式双排与三排混合围合式则逐渐表现出其耗能劣势。

2.2.3 居住小区建筑窗墙比与能耗之间的关系

本文在南北朝向下，分别调节10种理想化居住区类型的建筑窗墙比为0.2、0.3、0.4，进行能耗模拟，并将30个理想模型的年总制冷制热能耗强度制成图表进行比较分析（图19）。结果如下：

19 10 种高密度住区类型在建筑窗墙比0.2、0.3、0.4 的年总制冷制热能耗强度

（1）同种街区群体组合类型内部的总制冷制热能耗强度的最小值始终出现在建筑窗墙比为0.2时，总制冷制热能耗强度的最大值则始终出现在建筑窗墙比为0.4时，即总制冷制热能耗强度始终随着建筑窗墙比的增加而增加。

（2）值得注意的是，总制冷制热能耗强度的增加并非随着窗墙比的增加而匀速增加。除板式围合式街区以外，对于其他九种街区类型，总制冷制热能耗强度增加的速度随着窗墙比的增加而缓慢增加。

（3）针对容积率=4，南北朝向的同类型街区，建筑窗墙比的不同带来的总制冷制热能耗差异最高达到8.80%，出现在点式行列式街区；总能耗差异最低为7.68%，出现在板式围合式街区。由此可以看出，建筑窗墙比对高密度居住区总制冷制热能耗的影响十分显著。另外，同形态类型的街区中（除板式双排与三排混合式以外），行列式布局的街区建筑窗墙比对总制冷制热能耗的影响始终大于围合式街区。

3 街区形态参数与能耗强度关系量化分析

借助统计学软件SPSS对各个街区形态参数与总能耗进行Pearson线性相关性分析。引入街区群体体形系数与基底覆盖率，对街区群体组合方式进行量化。其中，街区群体体形系数是建筑单体体形系数在街区尺度下的概念延伸，即居住小区内所有建筑物与室外大气接触的外表面积之和与体积之和的比值。

从表3中可以看出，显著性低于0.05的街区形态参数只有建筑窗墙比和街区群体体形系数。其中，总能耗强度与建筑窗墙比之间呈现强烈的线性相关关系；与街区群体体形系数之间则呈现较弱的线性相关关系。

表3 各街区形态参数——总制冷制热能耗强度线性相关性分析

3.1 街区形态参数——能耗强度的多元线性回归分析

本节试图探究多个街区形态参数如何共同影响总制冷制热能耗强度。表4～6分别展示了多元线性回归的拟合度分析、ANOVA方差分析以及回归系数。Durbin-Watson值=1.650＜2.000，表示变量内部不存在自相关性。于是建筑窗墙比、街区群体体形系数——街区总能耗强度的多元线性回归方程可写为：z=12.271+0.07x（建筑窗墙比）+0.227y（街区群体体形系数）。其中，x代表建筑窗墙比，单位%；y代表街区群体体形系数，单位%；z代表街区总制冷制热能耗强度，单位kW h/m2。

表4 街区形态参数——街区总制冷制热能耗强度的多元线性回归拟合度分析

表5 街区形态参数——街区总制冷制热能耗强度的多元线性回归ANOVA方差分析

表6 街区形态参数——街区总制冷制热能耗强度的多元线性回归系数

3.2 街区形态参数对能耗强度的影响权重分析

首先排除各自变量单位的大小差异对结果的影响，建筑窗墙比与街区群体体形系数相对街区总能耗强度的标准化系数Beta分别为0.538和0.194，故建筑窗墙比对总能耗强度的影响大于街区群体体形系数，其所占权重约是后者的2.77倍。

4 居住小区形态选型建议

基于上述分析，提出三条针对上海市夏热冬冷气候条件下的节能型高密度居住小区的形态选型建议，并制成选型图谱供城市设计师和建筑师在未来的住区规划设计中参考（图20）。

20 节能型高容积率住区设计选型图谱

（1）居住小区朝向布局建议

在实际条件允许的情况下，应尽量采用正南北向或近似南北向。对于围合式居住小区，街区朝向的合理取值范围可以适当增大。

（2）居住小区群体组合方式建议

在现实条件允许的情况下，应首选高层板式；若希望丰富住区内的户型，可以选择高层板式与多层板式混合，或者高层板式与高层点式混合；但不建议采用纯点式，或者高层点式与多层板式混合的设计方案。同建筑形态类型下，行列式的总能耗要稍小于围合式，但节能程度很有限；当街区朝向无法做到正南北向或近似南北向时，围合式更节能，此时建议选用围合式类型。

（3）居住小区建筑窗墙比建议

若从节约能耗的角度出发，应尽量减小建筑窗墙比。当然还要综合考虑室内采光和立面的美观等诸多因素。相同建筑形态类型的街区中，行列式街区建筑窗墙比对总能耗的影响始终大于围合式街区。所以对于围合式布局的居住小区，可以适当放大建筑窗墙比。

图表来源

表1，2 来源于文献[1]；图3 来源于文献[4]；其他图表均为作者自绘。