晁 軍 馬子茹

(北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，北京 100044)

化石能源的利用給人類的經(jīng)濟(jì)和生活帶來(lái)了較大的便利，但與此同時(shí)，也導(dǎo)致了溫室效應(yīng)。我國(guó)的二氧化碳排放量更是久居不下。目前城市方面的相關(guān)研究多為宏觀的城市層面的低碳目標(biāo)管理性指標(biāo)研究和微觀單體建筑層面的低碳技術(shù)研究。缺乏中觀層面的低碳街區(qū)設(shè)計(jì)研究。城市街區(qū)尺度是建設(shè)低碳城市的關(guān)鍵層面，是微觀層面建筑低碳技術(shù)研究的綜合和提升,也是宏觀層面城市低碳戰(zhàn)略的具體實(shí)施,起著承上啟下的關(guān)鍵作用[1]。

1 街區(qū)尺度和空間形態(tài)對(duì)碳排放的影響

1.1 街區(qū)尺度的限定

城市街區(qū)作為城市建設(shè)的關(guān)鍵層面，是落實(shí)城市建設(shè)目標(biāo)的基本單元。對(duì)于街區(qū)的解釋，未有明確的定義，維基百科將其定義為是城市規(guī)劃的一個(gè)重要元素，一個(gè)街區(qū)是四周由街道所圍繞的最小區(qū)塊，其內(nèi)涵蓋建地、建筑物等。也有學(xué)者通過(guò)道路交叉口和街區(qū)邊長(zhǎng)對(duì)其進(jìn)行定義。本文所指的街區(qū)為城市街區(qū)，是指由城市街道(或者道路)圍合而成的城市用地集合，內(nèi)部包含建筑、綠化、設(shè)施等。城市道路包括城市主干道、次干道、支路，以及一切城市級(jí)別的能夠構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的道路。

不同的城市尺度關(guān)注的能耗問(wèn)題不同，大的城市層面更注重理論和整體把控，社區(qū)街區(qū)層面更注重一些規(guī)劃指標(biāo)的把控來(lái)從設(shè)計(jì)層面影響能耗。具體的建筑單體層面更注重通過(guò)建筑節(jié)能技術(shù)和設(shè)備來(lái)達(dá)到降低能耗的目的。

1.2 街區(qū)空間形態(tài)對(duì)碳排放的影響

街區(qū)空間形態(tài)通過(guò)氣候?qū)謪^(qū)能耗產(chǎn)生影響包含直接和間接兩個(gè)過(guò)程，直接影響過(guò)程，主要是建筑表面可達(dá)的日照情況，城市區(qū)域高聳的建筑物相互遮擋，使建筑被一定程度剝奪了獲得太陽(yáng)得熱的權(quán)利；另外作為障礙物，建筑對(duì)風(fēng)的滲透產(chǎn)生了直接影響。即考慮太陽(yáng)輻射和風(fēng)對(duì)建筑采暖和制冷負(fù)荷的直接影響。街區(qū)微氣候?qū)δ芎漠a(chǎn)生影響是間接影響過(guò)程。主要考慮城市表面通過(guò)太陽(yáng)輻射被加熱，表面溫度發(fā)生變化加熱空氣，引起的微氣候環(huán)境中的流體變化，以及空氣溫度的改變的過(guò)程，需要考慮這些綜合變化對(duì)建筑采暖和制冷負(fù)荷的影響[2]。

我們可以利用形狀因子描繪城市形態(tài)并建立其與氣候和能耗相互作用的模型。主要從城市氣候資源進(jìn)入到街區(qū)的可能性和街區(qū)對(duì)氣候資源接收的可能性兩個(gè)方面進(jìn)行描述。城市氣候資源進(jìn)入到街區(qū)的可能性可以用街區(qū)建筑密度、容積率來(lái)表示。

街區(qū)對(duì)氣候資源的接收能力可以用體形系數(shù)和被動(dòng)空間這兩個(gè)形狀因子來(lái)描述。

1.3 提取相關(guān)形態(tài)因子

與建筑相關(guān)的兩個(gè)形態(tài)因子為體形系數(shù)和被動(dòng)空間。熱能工程師經(jīng)常用到體積系數(shù)這個(gè)參數(shù)。建筑物越緊湊，通過(guò)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)散失的熱量越少。描述了建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積與其體積之間的關(guān)系。該比率說(shuō)明了通過(guò)自然通風(fēng)和陽(yáng)光與外界環(huán)境相互作用的潛力。被動(dòng)空間是指距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)6 m以內(nèi)可以利用自然通風(fēng)和采光的區(qū)域。這是描繪建筑物被動(dòng)系統(tǒng)利用(自然采光和通風(fēng)，被動(dòng)獲取太陽(yáng)能)潛力的一個(gè)重要參數(shù)。

與街區(qū)對(duì)太陽(yáng)輻射和風(fēng)的接收潛能相關(guān)的形態(tài)因子為街區(qū)建筑密度和街區(qū)容積率。街區(qū)建筑密度描繪了街區(qū)建筑的疏密程度。提供了風(fēng)和太陽(yáng)能獲得的潛力。街區(qū)容積率描繪了在不同的建筑面積指標(biāo)下，街區(qū)的三維疏密程度。

2 建立空間形態(tài)基本型

2.1 典型街區(qū)形態(tài)示例

為了理解形態(tài)與環(huán)境及節(jié)能效果上的影響，首先確定街區(qū)基本形態(tài)。我們對(duì)北京地區(qū)的典型街區(qū)形態(tài)進(jìn)行了調(diào)研，最后總結(jié)為行列式、庭院式和點(diǎn)群式三種街區(qū)基本型(如圖1所示)。

2.2 建立街區(qū)形態(tài)基本型

不同類型的城市建筑及其組合模式，具有不同的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，相應(yīng)帶來(lái)不同的陽(yáng)光遮蔽效果以及對(duì)風(fēng)的“引導(dǎo)”或“擠壓”作用。一般為了便于比較，通常是以同樣大小的研究區(qū)域和總建筑面積等為前提，并通過(guò)對(duì)城市各種建筑組合方式進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化，形成若干個(gè)基本類型(如圖2所示)，并將其用幾何參數(shù)表示出來(lái)。這種簡(jiǎn)化處理，可以使計(jì)算分析與建立模型更加簡(jiǎn)潔，利于形成模式化的參考資料，并且容易實(shí)現(xiàn)在進(jìn)入對(duì)復(fù)雜的真實(shí)城市形態(tài)研究之前，便捷的建立起形態(tài)參數(shù)與能耗特征之間的關(guān)系。借助建筑組合模型的類型劃分并結(jié)合一些先進(jìn)的模擬分析工具，可以使我們對(duì)城市肌理氣候作用的研究進(jìn)入一個(gè)定量化的階段。

3 街區(qū)空間形態(tài)對(duì)碳排放影響的模擬分析

3.1 形態(tài)布局對(duì)街區(qū)能耗的影響模擬

利用控制變量法，保持非形態(tài)因素和其他形態(tài)因素的不變(如表1所示)，進(jìn)行不同布局之間的橫向?qū)Ρ?。首先是三種布局的碳排放對(duì)比模擬分析：庭院式、行列式、點(diǎn)群式。

從圖3中可以看出三種布局中，點(diǎn)群式的街區(qū)能耗總負(fù)荷最低，相對(duì)應(yīng)其被動(dòng)空間和體形系數(shù)也是最低的。三種布局的被動(dòng)空間和體形系數(shù)大致變化趨勢(shì)是一致的；因設(shè)定的地區(qū)為北京，從圖4中可以看出，其街區(qū)能耗冷負(fù)荷的變化不大，主要是熱負(fù)荷的變化引起的街區(qū)能耗總負(fù)荷的變化。

表1 街區(qū)類型對(duì)能耗影響模擬的數(shù)值限定

3.2 街區(qū)容積率對(duì)街區(qū)能耗的影響模擬

為了分析街區(qū)容積率對(duì)能耗的影響，采用控制變量法，以點(diǎn)群式理想模型為對(duì)象進(jìn)行模擬分析。街區(qū)的非形態(tài)指標(biāo)：墻體材料、室內(nèi)人數(shù)、設(shè)備、溫度需求等保持不變；還需控制相關(guān)的形態(tài)指標(biāo)也保持不變，例如街區(qū)面積、街區(qū)建筑密度，建筑基底面積等等。取容積率在0.5～4.5之間的10個(gè)值分別進(jìn)行模擬(見表2)。模擬其街區(qū)能耗負(fù)荷的變化，得出形態(tài)因子容積率的變化對(duì)街區(qū)能耗的影響趨勢(shì)，最終得出低碳導(dǎo)向的街區(qū)容積率取值。

表2 街區(qū)容積率對(duì)能耗影響模擬的數(shù)值限定

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)(如圖5,圖6所示)，當(dāng)容積率發(fā)生變化時(shí)，被動(dòng)空間與容積率成正比變化。而體形系數(shù)隨著容積率的增長(zhǎng)先呈現(xiàn)較快的下降，后趨于平穩(wěn)。其他相關(guān)形態(tài)因子保持不變。

分析容積率和體形系數(shù)與街區(qū)能耗負(fù)荷的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，街區(qū)容積率和體形系數(shù)的變化對(duì)街區(qū)冷負(fù)荷的影響不大，街區(qū)能耗總負(fù)荷與街區(qū)熱負(fù)荷的變化趨勢(shì)保持一致。因?yàn)橄嚓P(guān)模擬為寒冷地區(qū)，氣候設(shè)定為北京，寒冷地區(qū)采暖能耗占比較高，而且與容積率、體形系數(shù)關(guān)系密切。從圖6中可以看出，隨著容積率的增加，街區(qū)能耗總負(fù)荷先是變化平穩(wěn)；當(dāng)容積率達(dá)到1.89接近于2時(shí)，街區(qū)能耗負(fù)荷發(fā)生滑坡式下降；當(dāng)容積率上升到3時(shí)，能耗負(fù)荷增長(zhǎng)，但是仍低于容積率為1.89時(shí)，且街區(qū)能耗負(fù)荷后來(lái)保持平穩(wěn)。且當(dāng)容積率大于1.5時(shí)，體形系數(shù)變化也比較平穩(wěn)。

3.3 街區(qū)建筑密度對(duì)街區(qū)能耗的影響模擬

通過(guò)控制變量法，保證其街區(qū)非形態(tài)因素和主要的形態(tài)因素保持不變，變化的只有街區(qū)建筑密度及其體形系數(shù)(如表3所示)。通過(guò)模擬當(dāng)街區(qū)建筑密度分別為27%，22.5%，18%時(shí)的街區(qū)能耗總負(fù)荷及其冷熱負(fù)荷的變化，分析其變化趨勢(shì)。

表3 街區(qū)建筑密度對(duì)能耗影響模擬的數(shù)值限定

通過(guò)圖7～圖9可以看出，隨著建筑密度的減小，體形系數(shù)也逐漸減小，但體形系數(shù)的變化趨勢(shì)較慢，同時(shí)引起街區(qū)能耗總負(fù)荷的增加，但相對(duì)整體街區(qū)能耗總負(fù)荷的數(shù)值而言，變化的范圍較小。且隨著街區(qū)建筑密度的增加，冷負(fù)荷增加速度超過(guò)熱負(fù)荷。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的對(duì)比分析可以看出，不同形態(tài)布局對(duì)街區(qū)能耗產(chǎn)生的影響較大，且以點(diǎn)群式的能耗最低，其次為行列式，這種影響其實(shí)是不同的體形系數(shù)和被動(dòng)空間的變化引起的，所以其街區(qū)總能耗與被動(dòng)空間和體形系數(shù)成正比的變化趨勢(shì)；容積率對(duì)街區(qū)能耗產(chǎn)生的影響也相對(duì)明顯，尤其是在容積率為1.89～3之間明顯能耗較低；街區(qū)建筑密度的變化對(duì)街區(qū)能耗負(fù)荷總的影響不大，但呈現(xiàn)微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

通過(guò)以上的總結(jié)，我們?cè)诮窈蟮慕謪^(qū)規(guī)劃中應(yīng)利用好街區(qū)容積率和被動(dòng)空間、體形系數(shù)對(duì)街區(qū)能耗負(fù)荷的影響。且在北京寒冷地區(qū)應(yīng)著重考慮降低其街區(qū)能耗熱負(fù)荷。若其他變化條件許可，應(yīng)著重利用容積率在1.89～3之間，且在一般的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，這個(gè)范圍的容積率也較為經(jīng)濟(jì)。若要降低其街區(qū)能耗熱負(fù)荷應(yīng)盡量保證較小的被動(dòng)空間和體形系數(shù)。街區(qū)建筑密度對(duì)街區(qū)能耗的影響不大，可相對(duì)靈活布置。希望通過(guò)以上的分析，可以為低碳街區(qū)設(shè)計(jì)提出一些參考建議。