县域城镇空间形态与居住建筑能耗关联性的连续尺度研究——以浙江长兴、福建连江为例

范小利,罗 涛,张雪葳,吴良龙

福州大学建筑与城乡规划学院,福州 350108

建筑与工业、交通并列为全球能源消耗的三大领域[1—2]。据统计,2000至2017年,我国城镇居住建筑能耗占建筑能耗总量的38%至42%[3],城镇居住建筑节能已成为我国实现碳达峰、碳中和目标的重要途径[4]。但随着我国现代化的推进,居住建筑用能需求将进一步提升[5]。因此,在新型城镇化存量更新与高质量发展背景下,从建筑外部空间即城市设计视角,探讨居住建筑能耗的可持续发展问题,将为我国城镇物质空间的有序发展与精细管理提供重要参考。

开展城镇空间形态与居住建筑能耗的相关性研究,涉及3方面问题：(1)建筑运行能耗的测算与分析。建筑运行能耗是为居住、使用者提供供暖、通风、照明及其为了实现建筑各项服务功能所产生的能源消耗[6],与居民用能需求息息相关。目前,建筑运行能耗的测算方法主要有3种：基于能耗强度、终端能耗模型及统计年鉴的计算方法[7]。对建筑能耗影响要素进行综合论证的研究方法,主要有：方差分析、回归分析、协整分析、面板数据和系统动力学等测算[8—10],以上分析方法适用范畴略有差异,但均具有一定深度。(2)空间形态与建筑能耗的关系。该领域已是国际研究的热点,但国内相关研究才刚刚起步[1]。已有研究表明,城镇空间形态主要通过改变建筑物理特征、用户用能行为、地域气候特征等方式,影响居住建筑能耗[11]。已被学者证实对建筑能耗存在影响的城镇空间形态指标可划分为空间形体、城市绿化、建设强度以及土地利用等类别[1]。其代表性研究为菲利普·罗德 (Philipp Rode)等人开展的城市形态因素对建筑能耗影响的系列研究[12—13]。(3)研究尺度。城镇空间形态具有连续性。现有研究在尺度上往往依循“宏观-中观-微观”的塔式模型,并主要聚焦于建筑周边50—200m中微观形态分析[1],缺乏适应于城镇形态整体性的连续尺度空间计量分析与验证[14]。

本文以浙江省长兴县、福建省连江县为我国浙闽地区县域城镇典型代表,聚焦居住建筑与县域城镇空间形态的关联性,采用GIS分析与数理统计相结合的方式,筛选影响建筑能耗的关键空间形态指标,识别其低碳效应的最佳尺度。旨在从城市设计角度,为实现我国浙闽地区县域城镇低碳转型、居住建筑节能减排提供理论依据。

1 研究样本与数据处理

1.1 研究区概况

浙闽地区县域城镇以丘陵、台地及滨海平原地形为主,气候温暖湿润,是我国人口密集、城镇化发展迅速的经济核心区,也是我国新型城镇化建设的重要阵地。为较好代表浙闽地区县域城镇整体特征,并兼顾夏热冬冷、夏热冬暖建筑气候区类型差异,本文选取浙江省长兴县、福建省连江县为案例区,其具体概况如下(图1、表1)：

图1 研究区位图Fig.1 Location of the study area来源：http://map.ps123.net/china/74.html地之图改绘

表1 案例区概况Table 1 Overview of the study area

1.2 居住建筑样本选取

本文居住建筑样本选取综合考虑了空间分布、建筑高度及周边建成环境等因素。

选取步骤：首先,考虑样本分布,均衡选取老城、新城区及产业区周边建成区的居住建筑；其次,考虑建筑在街区中位置,均衡选取临街、街区内部建筑；而后,考虑建筑样本的楼体建筑形式(中高层、低层建筑)占比；最后,考虑建筑周边环境因素,分为临水、不临水两类。综上,选取长兴县建筑样本16栋(中高层(单元式)10栋、低层6栋),选取连江县建筑样本33栋(中高层(单元式)21栋、低层12栋),共49栋(图2)。

图2 居住建筑样本空间分布图Fig.2 Distribution of residential building samples

1.3 空间形态指标选取与量化

基于学界证实的与建筑能耗相关的形态类别及代表性指标分析[1,15],本文进一步结合案例区生态、文化背景与空间形态特征,选取以下指标展开量化研究(表2)。并利用GIS 10.2软件平台,在居住建筑样本周边1800m半径范围内,以200m为间隔建立缓冲区。需说明的是,本文以200m为间隔,展开居住建筑所处约16hm2至1000hm2用地规模范围内连续尺度量化分析,能够较好覆盖长兴、连江县中心城区,为节能导向下全尺度城市设计提供指标管理依据,同时有效简化计算机运算处理过程。

表2 空间形态指标说明Table 2 Description of spatial morphology indicators

1.4 居住建筑能耗整理与分析

据统计,城镇居住建筑单位面积电耗呈现逐年增长态势,电力在家庭用能中的比重增大[3]。近年来,已有不少研究论证了单位建筑面积用电量作为能耗强度指标的可信度与可靠度[16—18]。考虑到长兴、连江县在经济水平、自然条件与社会文化背景方面较为相似,单位建筑面积用能人数具有统计学上的一致性。因此,本文采用单位建筑面积用电量作为居住建筑能耗强度指标。

电力数据依托长兴县供电局、国网福建省电力有限公司连江县供电公司提供的平台获取。数据获取过程：首先,明确建筑详细地址信息,在电力系统内部平台检索居民用电户号及2018年逐月用电数据,删除无效样本后,共收集1500户左右居民12个月用电数据。而后,采用随机抽样的方式,分别抽取长兴、连江县234户、349户居民用电数据,共583户居民全年用电数据。由于多户居民隶属于同一栋建筑,因此该583户居民全年用电数据准确覆盖本文49栋建筑样本。最后,户用电量除以户居住套内建筑面积得出户单位建筑面积用电量。其中,居住套内建筑面积是以1:500地形图为基准获取建筑信息,以网络调查与实地勘查相结合方式完善与修正。中高层(单元式)居住建筑以建筑内总住户95%置信区间的户单位建筑面积用电量均值作为居住建筑能耗强度。单一住户的低层住宅则采用该住户单位面积用电量作为该居住建筑能耗强度,样本单位用电详情如下(图3)。

图3 居住建筑用电能耗强度情况Fig.3 Electricity consumption intensity of residential buildings

由于居民建筑逐月用电量具有显著季节性,其中1、2月份为当地最冷月份,7、8月份为当地最热月份,因此,本文以1、2月电耗均值2.12kWh m-2月-1为最冷月份能耗期能耗强度,以7、8月电耗均值3.19kWh m-2月-1为最热月份能耗期能耗强度,以12个月电耗均值2.10kWh m-2月-1为全年能耗强度。

2 研究结果

2.1 浙闽地区县域城镇空间形态与居住建筑能耗的相关性分析

浙闽地区县域城镇空间形态(不分地区)与居住建筑能耗的Spearman相关性分析结果如下(表3),为简化表格,仅注明各空间形态指标与建筑能耗具有相关性的时期与对应缓冲区半径。具体如下：

表3 浙闽地区县域城镇(不分地区)空间形态与各时段建筑能耗相关性检验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半径范围内,均有空间形态指标与最热月份能耗期能耗呈现相关性,指标有道路密度、开发密度、开放空间率、水面率、绿地率、土地利用混合度。仅有水面率在600—800m半径范围内与最冷月份能耗期能耗呈现相关性。

(2)在与最热月份能耗期能耗具有相关性的指标中,道路密度与其相关性最为密切,在400—1800m半径范围内均与最热月份能耗期能耗呈正相关；绿地率与开放空间率分别在200—800m、1400—1800m半径范围内与最热月份能耗期能耗呈负相关；土地利用混合度、开发密度、水面率分别在在1600—1800m、1400m、800m半径范围内与最热月份能耗期能耗呈正相关。

(3)水面率在800m半径范围内同时与最热、最冷月份能耗期能耗呈正相关。

2.2 长兴县、连江县空间形态与居住建筑能耗的相关性分析

为进一步明确地区差异的影响,分别开展长兴、连江县空间形态指标与居住建筑能耗的Spearman相关性分析,结果如下。

长兴县空间形态指标与居住建筑能耗的相关性分析(表4)：

表4 长兴县空间形态与各时段建筑能耗相关性检验Table 4 Correlation test between the spatial form of Changxing County and the building energy consumption in each period

(1)在200—1800m半径范围内均有空间形态指标与能耗相关,指标包括道路密度、开发密度、容积率、水面率、绿地率、水岸密度、土地利用混合度。

(2)同类型空间形态指标对能耗具有相同的正负效应,且不同时期段敏感性不同。空间形态、建设强度类指标,如道路密度、开发密度、容积率均与能耗呈正相关,且容积率与能耗呈正相关时期为全年、最冷月份能耗期,开发密度则较多出现在最热月份能耗期；城市绿化类、土地利用类指标,如水面率、绿地率、水岸密度、土地利用混合度均与能耗呈负相关,且水面率、水岸密度与能耗呈负相关时段分别为最冷、最热月份能耗期。

(3)开发密度、绿地率与建筑能耗相关性结果较为显著。即在400—1800m半径范围内,开发密度与最热月份能耗期能耗呈正相关,绿地率与全年、最热月份能耗期能耗均为负相关。

(4)容积率、水岸密度、土地利用混合度均只在一个特定尺度上显示出与建筑能耗的相关性,其尺度范围分别为200m、1000m和1200m。

连江县空间形态指标与居住建筑能耗的Spearman相关性分析(表5)：

表5 连江县空间形态与各时段建筑能耗相关性检验Table 5 Correlation test of Lianjiang County′s spatial form and building energy consumption in each period

(1)空间形态指标与能耗相关的尺度集中于200m、800—1000m、1400—1600m半径范围内,具有非连续性。

(2)涉及空间形态指标较少,仅包括水面率、土地利用混合度2个指标。其中,水面率与建筑能耗呈相关性的尺度限定在800m半径范围内。土地利用混合度与建筑能耗呈相关性的尺度限定在200m、1000m、1400—1600m半径范围内。

(3)水面率、土地利用混合度均与全年、最冷月份能耗期能耗呈正相关。

2.3 地区差异与相关性随尺度变化规律分析

结合2.1、2.2分析,得出浙闽地区县域城镇(不分地区)与长兴、连江空间形态指标与建筑能耗的相关性具有以下地区差异：

(1)水面率、土地利用混合度为共性指标。但在不同地区呈现相关性的尺度不同。在浙闽地区县域城镇(不分地区)分析中,以上两个指标与能耗相关性尺度限定分别在600—800m、1600—1800m半径范围内；在长兴县分析中,以上两个指标与建筑能耗相关性尺度分别在1200—1800m、1200m半径范围内,在连江县分析中,以上两指标与建筑能耗相关性尺度分别在800m和200m、1000m、1400—1600m半径范围内。

(2)开放空间率为浙闽地区县域城镇(不分地区)的特性指标,在1400—1800m半径范围内与居住建筑能耗呈负相关。该相关性在长兴、连江相关性比较中均未体现。

(3)浙闽地区县域城镇(不分地区)与能耗相关的指标中,虽然部分指标也分别与长兴、连江居住建筑能耗具有相同正负效应,但在呈现相关性的尺度、能耗时期上具有差异。以道路密度为例,道路密度是浙闽地区县域城镇(不分地区)与长兴的共性指标。在浙闽地区县域城镇(不分地区)中,道路密度在400—1800m与最热月份能耗期能耗呈正相关,在长兴中,道路密度在400m、800—1000m半径范围内分别与最热月份能耗期、全年能耗呈正相关。

为进一步探讨空间形态与能耗相关性随尺度变化规律,整理200—1800m半径缓冲区内空间形态指标与最热、最冷月份能耗期及全年居住建筑能耗相关性(图4),具体如下：

图4 不同尺度建筑能耗强度相关性变化趋势图 Fig.4 Correlation trend diagram of building energy intensity of different scales

(1)浙闽地区县域城镇(不分地区)时,空间形态指标在800m半径范围内与能耗具有相关性的结果最多,能耗对空间形态最为敏感性。

(2)独立整理长兴、连江空间形态与能耗相关性结果,发现长兴、连江分别在1000—1200m和800—1000m、1400m半径范围内出现相关性结果较多。

2.4 空间形态与居住建筑能耗的强度分析

为了进一步分析空间形态对居住建筑能耗强度的影响,本文将建筑能耗与空间形态指标在SPSS 22.0中进行逐步多元线性回归分析。其中,以最冷、最热月份能耗期和全年能耗强度作为3组因变量,将与其具有相关性的空间形态指标作为自变量,引入回归模型。逐步线性回归模型不仅可以解决共线性问题,且可以筛选出关键形态因子。根据共线性诊断,当自变量的容忍度(容许值)>0.1,VIF<10的范围,表明自变量之间没有共线性问题。模型具体如下(表6)：

表6 回归模型分析表Table 6 Regression model analysis table

(1)浙闽地区县域城镇(不分地区)空间形态与最热月份能耗期能耗强度线性回归方程的显著性(P<0.05),方程为：

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

式中,Y1为最热月份能耗期能耗强度,X1为1000m-道路密度；X2为800m-水面率；X3为1600m-开放空间率；

(2)连江空间形态与最冷月份能耗期能耗强度线性回归方程的显著性(P<0.05),方程为：

Y2=4.187X1+1.809

式中,Y2为最冷月份能耗期能耗强度(连江),X1为800m-水面率；

3 讨论

3.1 空间形态对居住建筑能耗影响的最佳尺度选择

目前,相关研究已证实城市形态可影响约10%—30%的建筑能耗[20—21]。但已有研究主要集中街区尺度[22],未能验证空间形态对居住建筑能耗影响的最佳尺度选择。

相关城市风、热环境研究表明,城市开发密度、道路密度可表征城市建设强度,开发密度、道路密度越大的区域,往往是城市建设完善性高、人流密集的中心地段,是热岛效应的高发区,聚集的居民生活行为方式所消耗的能耗较大[23—24],因此,开发密度、道路密度与最热月份能耗期能耗呈正相关；开放空间率可表征建筑周边开放程度,其值越大,越易于热空气的自由交换[23],因此,开放空间率往往与最冷、最热月份能耗期能耗分别呈正、负相关。绿化、水体有利于降低建筑外环境温度[25—30]。本文进一步明确其低碳效应的最佳尺度选择(表7)。

表7 最佳尺度选择表Table 7 Selection of the valid scale

值得注意的是,浙闽地区县域城镇(不分地区)分析中,所识别的指标及其最佳尺度具有一定普适意义,与学界普遍认识也较为吻合。以绿地率为例,绿地率在200—800m半径范围内与能耗具有相关性,800m半径范围为其低碳效应空间临界值。究其原因,600m为我国城市街区长度临界值[31]。一般而言,街区具有较高的绿化水平。而50—200m为浙闽地区植被、水体增湿降温的有效影响距离[32—33],因此,绿地率以800m为其低碳效应空间临界值有一定科学依据。同时,由于浙闽地区夏季普遍高温,随着缓冲区半径增大,绿地率对居住建筑室内用能的影响将逐渐减弱。

长兴、连江相关性分析中,所识别的指标及其最佳尺度则与县域城镇地区特色密切相关。

首先,就长兴县而言：绿地率、开发密度两个指标与长兴县建筑能耗相关性较为显著。究其原因,作为2008年“国际花园城市”、2019年中国旅游百强县市之一、2020年中国工业百强县之一,长兴县城镇绿化水平较高、土地开发利用整体性强。并且,由于长兴县位于低山丘陵向平原过渡地区,地势平坦,具有平原城市相对均质的空间特征[34]。因此,绿地率与开发密度能够在400—1800m这一连续尺度范围中呈现与建筑能耗的相关性。

其次,就长兴、连江共有指标水面率、土地利用混合度的不同表现而言：

水面率与长兴县建筑能耗在较大尺度(1200—1800m)相关,与连江县建筑能耗在较小尺度(800m)相关。究其原因,首先,笔者在比较两县水文环境后发现,长兴县水文连通度与河流总长较高,其水体连续性、畅通能力较好[35—36],城镇整体水文环境优势明显；其次,长兴位于夏热冬冷地区,具有冬季防寒的建筑设计要求[37],建筑气候区的差异有可能使长兴建筑保温层效果优于连江。因此,长兴居住建筑能耗更多受到大尺度建成区环境的影响,而连江居住建筑能耗更多与微气候相关。

土地利用混合度与长兴县(1200m)、连江县(1000m、1400—1600m)均在较大尺度上具有相关性,但分别呈负、正相关。一般认为,土地利用混合度越高的地区,土地开发强度越大、基础设施越完善,越有利于鼓励居民绿色出行,降低居家用能时长；但这些地区的居民往往也具有相对高能耗的行为模式,具有更高的居家用能频率[38—39]。因此,土地利用混合度对长兴、连江居住能耗相关性的正负差异,有可能表现了两县居民生活方式的差异。且目前土地利用混合度测度方式多样[40],本文计算方法聚焦用地类型多样性,对于土地利用可达性、兼容性的解析尚有不足,将在后续研究中进一步讨论。

3.2 空间形态与居住建筑能耗相关性的地域共性与地区特性

本文研究结果表明,浙闽地区县域城镇(不分地区)空间形态与长兴、连江空间形态的低碳效应,具有地域共性与地区特性。

地域共性表现为：在相关性分析中,识别出水面率、土地利用混合度共性指标。但也识别出开放空间率这一在浙闽地区县域城镇分析中呈现相关性,在长兴、连江分析时均不具有相关性的指标。而根据强度分析结果,水面率、开放空间率直接影响浙闽地区县域城镇最热月份能耗期能耗强度。

地区特性表现为3方面：(1)水面率、土地利用混合度这两共性指标,在长兴、连江呈现相关性结果与尺度不同。在长兴分析中,具有相关性尺度分别为1200—1800m、1200m半径范围内；在连江分析中,具有相关性尺度分别为800m和200m、1000m、1400—1600m半径范围内。(2)除上述两个指标外,不分地区分析中识别出的指标,与长兴或连江识别出的指标均有重叠,但在具有相关性的尺度上也不尽相同。(3)在长兴相关性分析中,特性指标为容积率、水岸密度。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)浙闽地区县域城镇中,与能耗强度有关联的空间形态指标为道路密度、开发密度、开放空间率、水面率、绿地率、土地利用混合度。其中,道路密度在400—1800m半径范围内均呈现与建筑能耗相关性特征。1000m-道路密度、800m-水面率、1600m-开放空间率为影响最热月份能耗期能耗强度的关键形态因子。

(2)有助于实现长兴县低碳发展的指标为：道路密度、开发密度、容积率、水面率、绿地率、水岸密度、土地利用混合度,其最佳尺度选择分别为400m、400—1800m、200m、1200—1800m、400—1800m、1000m、1200m。在一定程度上反映了长兴县地势平坦、水系发达、城镇化进程快、经济与绿化水平高的基本特征。

(3)有助于实现连江县低碳发展的指标为水面率、土地利用混合度。其最佳尺度选择分别为800m和200m、1000m、1400—1600m。800m-水面率为影响连江最冷月份能耗期能耗强度的关键形态因子。

(4)空间形态指标与建筑能耗相关性的数量峰值出现在建筑周边800m半径范围内。其中,长兴县侧重1000—1200m半径范围,连江县侧重800—1000m和1400m半径范围。

4.2 建议

基于以上发现,提出3个建议：

(1)关注15 min社区生活圈的低碳规划设计,探索不同尺度下的空间形态碳效益影响机制及相互关系。本文识别出建筑周边800—1000m半径范围是通过城市设计改善居住建筑能耗的最佳尺度。该范围大致对应于15 min社区生活圈尺度。而我国低碳领域的法规、技术研究主要围绕城区与街区尺度,因此在15分钟社区生活圈规划建设中突出低碳评价与管理内容,将有利于城镇形态的整体优化。并建议选用道路密度、开发密度、水面率、绿地率等指标进行建设引导。

(2)提升绿地率是居住建筑节能减排的有效途径,水面率对居住建筑能耗的影响具有明显的地域差异。本文发现,水面率与长兴县建筑能耗在较大尺度(1200—1800m)呈负相关,与连江县建筑能耗在较小尺度(800m)呈正相关。即在连江县,居住建筑周边水面规模越大,建筑能耗越高。出现这一结果,可能是由于城镇自然环境不同,导致水体维护的成本不同,尤其是中小尺度景观水体维护的耗电量有差异。换言之,即使是应用水面率这类学界公认可行的控碳指标进行碳效益评估,也应结合当地自然、社会、经济背景,确定控碳指标的适用尺度与正负性。

(3)土地利用混合度可用于评估场地的节能减排潜力。土地利用混合度被视为衡量绿色出行意愿的重要指标,土地利用混合度越高,越有利于降低交通能耗。但本文与相关系列研究均发现,目前我国土地利用混合度较高的区域往往也是城市建设水平较好的区域,其居民具有高收入、高消费的特征与相对高碳行为模式,土地利用混合度更多呈现与居住建筑能耗的正相关关系。因此,可以考虑应用土地利用混合度指标评估场地节能减排潜力。并且,可尝试在土地利用混合度较高的建成区域,设立低碳生活先行示范区,通过引进节能电器、优化建筑材料、推广家庭能源可视化、精细化管控等方式[41—42],提高居民低碳生活意识,从而降低建筑运行能耗。