周藝南，楊沛儒

（1.北京交通大學建筑與藝術學院，北京 100044；2.同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092；3.佐治亞理工學院設計學院，亞特蘭大 30332）

隨著環(huán)境問題的加劇，綠色建筑和生態(tài)城市的研究不斷深入。綠色建筑的設計策略分為被動式和主動式2種。被動式建筑節(jié)能技術是指通過不采用或較少采用機械動力設備的手段，達到室內(nèi)舒適的目的，降低建筑能耗［1］，而主動式建筑節(jié)能技術則相反。是否使用能源是建筑節(jié)能技術的核心分野。

建筑單體的能耗不僅與其自身相關，因其矗立于城市或自然環(huán)境中，還不可避免地受到周邊環(huán)境的影響［2］，如相鄰建筑之間的陽光遮擋、不同街區(qū)結構帶來的通風影響、城市建成區(qū)的熱島效應等。同一個建筑置于城市高密度的市中心和低密度的郊區(qū)，其能耗表現(xiàn)差異顯著，因此僅對建筑單體進行模擬分析而不考慮周邊環(huán)境則會產(chǎn)生誤差。一方面，街區(qū)尺度是融合人的城市空間感知和環(huán)境性能的基本單元，其環(huán)境性能的研究維度不同于建筑單體；另一方面，街區(qū)尺度相較于城市尺度，更容易通過節(jié)能策略進行引導調(diào)控。目前對于城市及街區(qū)尺度的研究相對有限，城市形態(tài)對于能耗的多元影響還有待深入。因此，提出了被動式能源街區(qū)的研究框架，并以上海氣候條件下的3個模擬實驗為例，探索城市形態(tài)因子與建筑能耗之間的關系，為當前生態(tài)城市建設提供調(diào)控策略和方法支持。

1 被動式能源街區(qū)的研究框架

1.1 相關研究綜述

1.1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對于城市形態(tài)環(huán)境性能研究開展得較早，基本形成了涵蓋綜合研究和分類研究的框架。20世紀70年代Martin等［2］明確地將城市形態(tài)作為影響建筑能耗的4個重要因素之一，這開啟了后續(xù)環(huán)境性能研究的大門。綜合型研究致力于探討要素之間或一致或相悖的關系，為解決實際問題提供系統(tǒng)性、整體性、可權衡的策略體系。Brown等［3］、Salat［4］建立了城市形態(tài)環(huán)境性能研究的綜合理論框架，并提出了環(huán)境性能導向的可持續(xù)城市形態(tài)的量化指標體系。分類型研究在對某一類環(huán)境性能要素或城市形態(tài)要素開展分析的同時簡化其他要素的影響，此類研究相對聚焦，如Wong等［5］、Salat等［6］、Yang［7］、Frenchman等［8］關于城市形態(tài)對能量性能影響的研究，Nikolopoulou等［9］關于城市形態(tài)和室外熱舒適度作用機制的研究。

實證和模擬是城市形態(tài)環(huán)境性能研究的主要路徑。實證的特點在于直面現(xiàn)實，立足于對現(xiàn)實場景的深度研判，在實證研究中總結原則和規(guī)律。在實證研究方面，Yang等［10］收集南京14種代表性城市形態(tài)的熱性能數(shù)據(jù)，建立城市形態(tài)因子和熱性能之間的相關性。在模擬研究方面，Ratti等［11］將包括院落式、集中式在內(nèi)的街區(qū)類型進行模擬分析，得出連續(xù)院落式建筑在干熱氣候條件下比集中式建筑具有更好性能表現(xiàn)的結論，團隊繼而研究了倫敦、圖盧茲和柏林3個城市400 m×400 m區(qū)域的城市肌理［12］，發(fā)現(xiàn)城市形態(tài)和能耗之間有著明顯的正相關性。模擬的優(yōu)勢在于通過快速、大規(guī)模、可視化的計算揭示復雜問題的作用過程，也可以對非真實存在的（設計中的）城市形態(tài)進行模擬驗證或性能預測。

1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國學者對于城市形態(tài)環(huán)境性能的研究是作為生態(tài)城市理論、可持續(xù)發(fā)展理論的重要組成部分發(fā)展起來的。李麟學［13］在國外熱力學建筑研究的基礎上，進一步發(fā)展環(huán)境調(diào)控理論，提出形式追隨能量的理念，將熱力學作為城市和建筑設計的引擎。張彤［14-15］率先在國內(nèi)完整闡述了環(huán)境調(diào)控的概念。

同我國城市語境相結合的機理研究也在持續(xù)深化。在城市形態(tài)方面，楊俊宴等［16］、段進等［17］、盛強等［18］立足于我國城市情況，開展了城市形態(tài)特征、分類系統(tǒng)以及測度方法的相關研究；在環(huán)境性能方面，季惠敏等［19］通過城市形態(tài)量化模型對形態(tài)的性能指標展開研究，提出城市形態(tài)數(shù)據(jù)化的建設思路。

1.1.3 國內(nèi)外研究評述

總體來說，關于城市形態(tài)環(huán)境性能的研究開始較早，基本形成將理論研究、應用研究和方法工具相結合的較為全面的研究體系。然而，環(huán)境性能大多聚焦于風、光、熱、微氣候等單一要素層面，對于被動式能源街區(qū)的核心問題——能量與城市形態(tài)的關系研究相對較少，針對耦合機理的綜合研究還有待建立，多元要素之間的影響需要進一步揭示。此外，國外研究往往立足于本國城市形態(tài)特征和氣候特征，難以照搬運用。

1.2 被動式能源街區(qū)的概念

被動式能源街區(qū)是在被動式建筑的基礎上提出的，并進一步將節(jié)能策略擴展到街區(qū)層面，以不使用機械設備達到節(jié)能目的為前提［20］。具體地，在符合功能使用要求的基礎上，通過優(yōu)化包括道路結構、空間布局、建筑類型、街區(qū)容量、使用模式和環(huán)境設計等在內(nèi)的城市形態(tài)要素（見圖1），改變室內(nèi)外風、光、熱的流動狀態(tài)，滿足室內(nèi)外空間舒適度要求的同時減少能源消耗。除上述本體要素外，被動式能源街區(qū)的研究對象還包括外延要素，即作為主動式策略的空間手段，其節(jié)能效果是通過使空間與能源設備要求相協(xié)調(diào)或促進可再生能源使用而達到的，包括與分布式能源系統(tǒng)相適應的路網(wǎng)結構、最大化太陽能光電板能效的城市形態(tài)等，城市形態(tài)與能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化也是當今前沿研究方向之一。

圖1 被動式能源街區(qū)的研究框架Fig.1 Research framework of passive energy district

1.3 內(nèi)涵特征、研究層次及設計流程

同建筑相比，被動式能源街區(qū)具有2個內(nèi)涵特征。

（1）決策目標的多元性

街區(qū)尺度節(jié)能問題的復雜性和綜合性遠高于建筑單體，街區(qū)形態(tài)的調(diào)整會影響建筑能耗及風、光、熱性能，從而影響室內(nèi)和室外的舒適度。此外，街區(qū)形態(tài)還受交通出行方式、公共空間感受、經(jīng)濟價值等使用要求的影響。這些影響因素有時不完全一致甚至相悖，因此在優(yōu)化城市形態(tài)以降低建筑能耗的同時，要區(qū)分主次需求，構建多目標設計決策模型，綜合考量各因素的影響程度，盡量達到多目標的共贏。

（2）作用效果的兼容性

生態(tài)城市設計主張對物質(zhì)和能量流動的關注，流動本身是沒有邊界的，貫穿各個空間層級。街區(qū)作為連接上位片區(qū)和下位建筑的中間環(huán)節(jié)，具有較大的節(jié)能潛力，但也受到上下層級的共同影響和制約，尤其是在考量與建筑層級密切相關的運營能耗時，僅僅依靠街區(qū)策略本身較難滿足室內(nèi)舒適度需求。不同空間層級策略的兼容協(xié)同，可以在放大節(jié)能效果的同時避免單一策略所帶來的更高代價。

規(guī)劃師視角下的被動式能源街區(qū)包含3個研究層次：一是在耦合機理方面，通過構建科學模型探求街區(qū)形態(tài)要素和城市能耗之間的關系；二是在設計實踐方面，將復雜性分析和多目標決策納入城市設計中，驅(qū)動高能效城市形態(tài)的生成；三是在管控實施方面，針對不同城市的氣候環(huán)境，基于實證數(shù)據(jù)和模擬實驗，建立“能量+城市形態(tài)”數(shù)據(jù)庫，進一步形成管控方法，為高能效城市設計提供管控指引。

隨著全球變暖和城市環(huán)境問題頻現(xiàn)，城市能源性能的重要性逐漸凸顯，并在城市設計中得到重視，和其他社會、經(jīng)濟、環(huán)境要素一起構成城市設計優(yōu)劣的評價標準，被動式能源街區(qū)的設計具有跨學科合作的特征。通過對設計策略在性能優(yōu)化和實際需求之間的持續(xù)調(diào)整，形成融合、共贏的解決方案，呈現(xiàn)出動態(tài)的設計過程。一般來說，被動式能源街區(qū)的設計流程包括實驗研究、適宜性被動式策略設計、多原則整合及性能化評估4個階段（見圖2）。

圖2 被動式能源街區(qū)的設計流程Fig.2 Flow chart of passive energy district design

2 基于理想模型模擬的實驗

在特定的氣候條件下怎樣的城市街區(qū)形態(tài)組合具有最佳的建筑能耗表現(xiàn)？研究針對這一問題展開。多目標設計決策（MDO）通過權重設置來量化分析變量對于目標的影響，為利益相關方動態(tài)決策提供支持［21］，可解決多要素影響下的綜合問題。具體步驟包括提出研究問題、拆解常量變量、建立三維模型、開展性能模擬、建立決策模型。

Phonix Model Center軟件可用于多目標設計決策的開展，通過編程調(diào)用并整合其他各類軟件，類似于發(fā)布指令的中樞，內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)分析和可視化技術為決策模型構建提供支持。三維模型生成采用參數(shù)化形式，由基于Rhino平臺的Grasshopper插件搭建，可以通過變量設定和階數(shù)變化自動獲取大量的目標城市形態(tài)。三維模型生成后，通過Grasshopper插件及umi插件對目標形態(tài)逐一開展性能模擬，采用的模擬軟件包括但不限于基于Archisim插件（內(nèi)置EnergyPlus）的能耗模擬、基于Ladybug插件的太陽輻射模擬、基于Butterfly插件的通風模擬以及基于Honeybee插件的人體舒適度模擬等。模擬結果和對應的城市形態(tài)測度以Excel數(shù)據(jù)集形式回傳給Phonix Model Center軟件，進行數(shù)據(jù)分析和可視化呈現(xiàn)，最終基于多目標設計決策建立城市形態(tài)與能耗的相關性。此外，Phonix Model Center軟件中的機器學習程序可以針對提前設定的多元決策目標，通過自主學習有效收斂備選方案范圍，避免了大量試錯所帶來的計算冗余和時間浪費。

3個實驗均基于上海氣候條件（夏熱冬冷地區(qū)），氣候條件的改變會對實驗結論產(chǎn)生較大影響。模擬能耗僅包括與城市空間形態(tài)相關的采暖、制冷以及照明能耗，不包含電梯、通風系統(tǒng)、消防等其他設備能耗；僅提取場地中心計算區(qū)域內(nèi)建筑的模擬結果，不考慮更大范圍城市環(huán)境及熱島效應的影響（場地處于城市新區(qū)或郊區(qū)）。

3個實驗均采用理想模型模擬的方式，優(yōu)勢在于：樣本量大，消除了真實場景中外界因素的干擾，可以直接獲取城市形態(tài)與能耗之間的關系，同時可梯度控制形態(tài)變量，觀察形態(tài)變量對能耗的影響程度，為下一步開展高能效城市形態(tài)設計提供支持。

2.1 建筑類型與能耗實驗（實驗1）

2.1.1 實驗目的

街區(qū)能耗與碳排放情況會隨建筑類型的改變而改變，該實驗目的在于研究建筑類型和容積率對于能耗和碳排放的影響［22］。

2.1.2 常量與變量

該項研究中，所有街區(qū)模型的建筑密度設定為25%，街區(qū)尺度為400 m×400 m。為了避免周邊建筑對該街區(qū)的影響，模擬結果取中心200 m×200 m范圍區(qū)域。2個實驗變量分別是建筑類型和容積率。測試了12種街區(qū)形態(tài)（見圖3），類型1～6為Martin和March提出的6種典型街區(qū)形態(tài)，分別對應展館式建筑、長板式建筑、短板式建筑、長板-院落式建筑、展館-院落式建筑以及連續(xù)院落式建筑。類型7為從柯布西耶光明城市中提取的原型，類型8為順應盛行風向?qū)υ郝涫浇ㄖM行變形后的街區(qū)形態(tài)，類型9為多種尺度建筑單體混合布置而成的街區(qū)形態(tài)，類型10～12源自上海的實際街區(qū)。實驗中所有類型平面均固定，通過建筑高度的增大使容積率產(chǎn)生1.0～8.0的梯度變化。

圖3 12種街區(qū)形態(tài)及計算區(qū)域Fig.3 Twelve district forms and calculation areas

2.1.3 實驗流程

（1）將12種街區(qū)形態(tài)分別按照容積率1.0～8.0的變化建模，共形成96個模型，如圖4所示。

圖4 模擬模型Fig.4 Simulation model

（2）在能耗模擬軟件中設定相應的模擬參數(shù)，包括上海氣象數(shù)據(jù)、建筑使用類型、使用者使用方式、材料和構造做法、建筑窗墻比等，模擬并記錄每個模型的相應能耗和碳排放數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)所得模擬數(shù)據(jù)計算每種街區(qū)形態(tài)的建筑單位面積平均能耗（供暖、制冷、照明及總能耗）與碳排放量，并形成相關圖表。

（4）基于表格數(shù)據(jù)建立多目標設計決策模型，針對不同的設計目標設置相應權重，對96個模型按照目標匹配度進行排序，篩選滿足目標要求的最佳建筑類型和容積率組合。

2.1.4 實驗結論

（1）單位面積平均能耗隨街區(qū)形態(tài)的不同而變化，統(tǒng)計了每種街區(qū)形態(tài)的單位面積平均能耗，并將其從低至高進行排名，如表1所示。類型8單位面積平均能耗最低，類型11和類型12單位面積平均能耗最高，兩者相差約27%。

表1 12種街區(qū)形態(tài)能耗排名Tab.1 Energy consumption ranking of twelve district forms

（2）單位面積平均碳排放量隨街區(qū)形態(tài)的不同而變化，統(tǒng)計了每種街區(qū)形態(tài)的單位面積平均碳排放量，并將其從低至高進行排名，如表2所示。類型10單位面積平均碳排放量最低，類型9單位面積平均碳排放量最高，兩者相差約64%。

表2 12種街區(qū)形態(tài)碳排放排名Tab.2 Carbon emission ranking of twelve district forms

（3）單位面積平均能耗隨容積率增大而減小。街區(qū)形態(tài)不同，單位面積平均能耗受容積率影響的程度也不同，類型2、3、11受容積率影響程度較大。總體來說，當容積率由1.0增大到3.5時，單位面積平均能耗減少較快，當容積率由3.5增大到8.0時，單位面積平均能耗近乎穩(wěn)定。當容積率由1.0增大到4.5時，單位面積平均碳排放量降低幅度較大，約為40%；當容積率由4.5增大到8.0時，單位面積平均碳排放量降低幅度較小，約為10%。

（4）可按照實際需求自主設定優(yōu)化目標和權重，Phonix Model Center軟件會依據(jù)設計目標將決策分析結果可視化，反饋符合要求的最優(yōu)城市形態(tài)。例如，在滿足單位面積平均能耗最小（權重1）、單位面積平均碳排放量最?。嘀?）同時容積率最大（權重0.5）的條件下，結合地方容積率限制規(guī)定，容積率為3.5時的類型8具有較高的性價比。單位面積平均碳排放量成為該目標下最主要的影響因素。

2.2 復雜形態(tài)因子整合實驗（實驗2）

2.2.1 實驗目的

本實驗以一個由院落式建筑構成的步行街區(qū)為例，探討街區(qū)格網(wǎng)大小、建筑物進深等建筑幾何參數(shù)在多目標多變量情況下和能耗之間的復雜關系，以及根據(jù)其能源表現(xiàn)進行被動式能源街區(qū)形態(tài)設計的決策過程。

2.2.2 常量與變量

該實驗中的常量包括以下內(nèi)容：用地范圍，用地范圍限定為邊長1.5 km的正方形，大約等同于一個以交通站點為核心、用地范圍內(nèi)步行10～15 min可達的大型社區(qū)；建筑類型，所有建筑均形成院落式街區(qū)；建筑功能，均為普通辦公，標準能耗負荷與對應的時間表等參數(shù)參考ASHRAE 90.1原型建筑模型，建筑熱工性能參數(shù)參考《上海市公共建筑節(jié)能設計標準》（DGJ08-107―2015）［23］。

該實驗中的變量均為獨立變量（其他變量的改變不會帶來該變量的改變），包括：街區(qū)格網(wǎng)尺寸，整個用地范圍被劃分為若干同樣大小的正方形街區(qū)格網(wǎng)，其邊長的可變范圍為250、200、150、100 m四檔；建筑物邊長，將街區(qū)格網(wǎng)尺寸設為A，以格網(wǎng)尺寸的12.5%為梯度并滿足常見建筑退界規(guī)則，將其分為四檔，即62.5%A-2.5 m、75.0%A-5.0 m、87.5%A-7.5 m、100.0%A-10.0 m；建筑物進深，可變范圍為6、10、14、18 m四檔；建筑物高度，可變范圍為9、27、45、63、99 m五檔；窗墻比，為簡化模型，每棟建筑物的內(nèi)外立面各個朝向均采用相同的窗墻比，窗墻比的可變范圍為0.2、0.4、0.6和0.8。參數(shù)化模型常量和變量的定義如圖5所示。除上述獨立變量外，還有可以通過公式表達出的非獨立變量，考察其對街區(qū)能耗的影響，包括建筑密度、容積率、體形系數(shù)及被動區(qū)占比。

圖5 參數(shù)化模型常量與變量Fig.5 Constants and variables in parametric model

2.2.3 實驗流程

（1）基于上述常量和變量，利用Rhinoceros軟件和Grasshopper軟件建立參數(shù)化模型。后續(xù)的模擬過程可以由計算機自動運行，不需要人工操作。

（2）利用智能軟件將建模軟件和能耗模擬軟件（EnergyPlus）進行連接，通過遺傳算法逐一改變參數(shù)化模型變量并進行能耗模擬。在每次模擬前依次改變上述5個變量中的1個，然后對新生成的模型進行能耗測試。根據(jù)變量個數(shù)，生成并模擬了1 280個不同形態(tài)的街區(qū)模型。

（3）對各個街區(qū)模型的形態(tài)變量和與之對應的能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，歸納形態(tài)變量對能耗的影響。

（4）利用Phonix Model Center軟件建立多目標設計決策模型，通過設定多目標及其權重，按照目標匹配度對所有街區(qū)形態(tài)組合進行排序。

2.2.4 實驗結論

（1）如圖6所示，單位面積平均能耗與街區(qū)格網(wǎng)尺寸、建筑物進深、建筑物高度、建筑密度、容積率均成負相關，與體形系數(shù)成正相關（限于篇幅未列出），窗墻比在多要素疊加作用下對能耗的影響不明顯。街區(qū)形態(tài)因子對單位面積平均能耗的影響呈現(xiàn)出很強的規(guī)律性，在疊加效應下，容積率的影響約為90%，體形系數(shù)的影響約為90%，建筑物的高度影響約為84%，建筑密度的影響約為82%，街區(qū)格網(wǎng)尺寸的影響約為63%，建筑物進深的影響約為60%，窗墻比的影響約為10%。

（2）從圖6e可看出，單位面積平均能耗隨容積率增大而減少，呈現(xiàn)出先急劇后平緩的趨勢。不同尺寸的街區(qū)格網(wǎng)，轉折點也不同。對于街區(qū)邊長分別為100 m、150 m、200 m和250 m的街區(qū)格網(wǎng)來說，轉折點對應的容積率分別約為2.5、1.5、1.0和0.7。

（3）單位面積平均能耗的波動程度（變異系數(shù)）受街區(qū)形態(tài)因子的影響普遍較小。

（4）在搭建多目標設計決策模型階段，會出現(xiàn)目標權重設定不精準或形態(tài)因子不滿足實際需求等情況，應將此類變量組合予以剔除。此外，也可以通過Phonix Model Center軟件界面調(diào)整目標權重來獲取實時的可視化反饋，這一過程有利于設計者開展多方案比選。

2.3 混合使用功能與能耗實驗（實驗3）

2.3.1 實驗目的

不同使用功能的建筑如住宅、辦公建筑及商業(yè)建筑等有不同的能耗需求，并在一定的時間段上表現(xiàn)出不同的能耗峰值和低谷曲線。不同使用功能建筑的組合影響街區(qū)能源系統(tǒng)的整體能耗表現(xiàn)［24］。該實驗圍繞混合使用功能對于建筑能耗的影響展開，回應了以下2個問題：能否在各建筑使用功能面積需求不變的情況下通過改變街區(qū)形態(tài)以減少能源使用？何種使用功能面積組成比例能夠利用不同使用功能的能源錯峰效應來達到最佳的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3.2 常量與變量

實驗分為2個子項以形成對比研究。第一項考察在相同使用功能面積組成比例下，街區(qū)形態(tài)變化對街區(qū)能耗以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，僅限于相同容積率條件下建筑密度變化帶來的形態(tài)變化。第二項考察基于同一個街區(qū)模型，不同使用功能面積組成比例對街區(qū)能耗以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。子項一中設置4個街區(qū)模型，具有相同的街區(qū)尺寸、容積率和使用功能（居住、商業(yè)和辦公）面積組成比例。子項一的變量為建筑密度，4個實驗模型的建筑密度分別為0.48、0.36、0.24和0.12，分別對應不同的城市形態(tài)（見圖7a）。子項二基于同一個街區(qū)模型，通過改變居住、商業(yè)和辦公3種使用功能面積組成比例，形成4個實驗模式，分別為（住宅面積∶商業(yè)建筑面積∶辦公建筑面積）1.00∶0∶0（全住宅）、0.84∶0.08∶0.08、0.68∶0.16∶0.16、0.36∶0.32∶0.32。

2.3.3 實驗流程

每一子項的實驗流程均包括建模、能耗模擬和數(shù)據(jù)分析。2個子項在進行能耗模擬的同時，也考慮了作為可再生能源的太陽能潛力。實驗參數(shù)包括氣象數(shù)據(jù)、使用模式、暖通空調(diào)參數(shù)、圍護材料與構造等，相關參數(shù)均參照上海當?shù)叵嚓P建筑規(guī)范和常用工程做法圖集。模型中設置了3種功能，分別是居住、辦公和商業(yè)。輸出的總能耗包括照明能耗、制冷能耗及采暖能耗。對于太陽能潛力模擬，將每棟建筑單體的屋面板作為測試對象，設定80%的有效率與0.15的轉換相率，結合地方氣象參數(shù)得到太陽能產(chǎn)能的輸出。

提取模擬數(shù)據(jù)中全年逐時能耗，夏季、冬季典型周逐時能耗，夏季、冬季典型日逐時能耗作為分析對象。使用線性圖表分析能耗在不同時段的波動規(guī)律，并將每組數(shù)據(jù)的平均值與變異系數(shù)進行比較，歸納不同街區(qū)形態(tài)下能耗變化規(guī)律。

2.3.4 實驗結論

（1）子項一

對比4種建筑密度下的逐時能耗，單位面積平均能耗相差較大，但波動程度相差不大。建筑密度為0.12時的單位面積平均能耗比建筑密度為0.48時高出36%。這說明在上海地區(qū)作為街區(qū)形態(tài)因子之一的建筑密度，對街區(qū)的單位面積平均能耗產(chǎn)生較大影響，相對密集的街區(qū)形態(tài)單位面積平均能耗較低，但其并不是影響街區(qū)能耗穩(wěn)定性的主要因素。

（2）子項二

由于住宅單位面積平均能耗比商業(yè)建筑和辦公建筑低很多，當商業(yè)建筑和辦公建筑的面積比例升高時，導致街區(qū)整體能耗的上升，比例越高能耗總量越大，所以研究不同使用功能面積組成比例的變化對單位面積平均能耗的影響意義不大。變異系數(shù)體現(xiàn)了能耗波動的情況，4種使用功能面積組成比例下能耗的變異系數(shù)變化明顯（見圖8）?？疾烊?、冬夏典型周和典型日，均出現(xiàn)隨辦公建筑、商業(yè)建筑面積組成比例上升變異系數(shù)先降低后上升的情況，使用功能面積組成比例對街區(qū)能耗的穩(wěn)定性具有較顯著的影響。比較穩(wěn)定性最優(yōu)和最差模型在不同時間段的統(tǒng)計結果發(fā)現(xiàn)，對于全年來說，模式二比模式四低20%，冬季典型周下模式二比模式一低26%，夏季典型周下模式二比模式四低59%，冬季典型日下模式三比模式一低60%，夏季典型日下模式二比模式四低53%?？傮w來說，模式二即住宅面積、商業(yè)建筑面積和辦公建筑面積組成比例為0.84∶0.08∶0.08時能耗表現(xiàn)最佳，高于其他模式。研究證明，通過優(yōu)化街區(qū)建筑的不同使用面積組成比例可以達到能源削峰的目的，以提高設備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 城市空間形態(tài)優(yōu)化設計策略

被動式能源街區(qū)的城市空間形態(tài)優(yōu)化設計策略集中體現(xiàn)在定形、定量和定性3個方面。

在定形方面，應以適應地方氣候的高能效街區(qū)類型特征指導設計。街區(qū)類型是對空間布局特征和建筑特征的統(tǒng)合考慮，按照城市類型學觀點，可以沿時間發(fā)展脈絡將城市形態(tài)歸類。各個類型能耗表現(xiàn)差異明顯且受地方氣候影響較大。在上海，夏季制冷能耗占全年能耗比例較大。前述實驗證明，在容積率一定的條件下，順應主導風向布局、進深適宜、院落式、建筑間距疏朗的街區(qū)類型能耗表現(xiàn)普遍較好（以上4個策略的重要性有先后順序）。可以看出，街區(qū)類型的夏季通風性能是影響建筑能耗的關鍵?，F(xiàn)代板式街區(qū)性能表現(xiàn)普遍不佳，可能與建筑進深過淺受熱面較大、樓間距較小以及排布無序阻礙通風有關。設計實踐中，可以結合居民的朝向意愿、使用習慣、經(jīng)濟效益等因素，對實驗得出的高能效街區(qū)類型做進一步修正，綜合權衡。

在定量方面，能耗表現(xiàn)是框定街區(qū)尺度和容量的考量要素之一。常見的街區(qū)尺度和容量指標包括街區(qū)格網(wǎng)、容積率、建筑密度以及建筑物高度等，往往由上位規(guī)劃明確，以往其厘定的標準在于交通影響、城市風貌、經(jīng)濟收益等方面。明確城市空間形態(tài)的能耗表現(xiàn)將使街區(qū)尺度和容量的確定獲得更廣泛的依據(jù)，為決策提供量化支持。研究表明，在與上海氣候條件類似的夏熱冬冷地區(qū)，街區(qū)類型一定的情況下，宜采用150～250 m的街區(qū)格網(wǎng)，小于150 m的格網(wǎng)會引發(fā)能耗的增長；在預期能耗相同時，小格網(wǎng)宜采用較高的容積率和建筑密度，而大格網(wǎng)的容積率和建筑密度可適度降低（見實驗2）；容積率對能耗影響顯著且有較明顯的轉折點，容積率指標制定可選擇超越轉折點的數(shù)值以獲取最大節(jié)能效益。上述策略亦可與其他因素相協(xié)同，如150～250 m街區(qū)格網(wǎng)符合現(xiàn)行對于小街區(qū)、密路網(wǎng)的要求，在便于營造慢行系統(tǒng)的同時也有利于建筑節(jié)能。

在定性方面，打造與分布式能源微網(wǎng)相結合的多功能混合街區(qū)。一方面，對于多功能建筑混合的土地利用模式，由于各種功能建筑能源使用時段不同，按照一定比例疊加后能夠有效削減片區(qū)的能源峰值，但目前能源系統(tǒng)配置仍以地塊為單元，缺乏片區(qū)層級的整體統(tǒng)籌，能源削峰還難以實現(xiàn)；另一方面，近年來全球廣泛認同的分布式能源微網(wǎng)技術為實現(xiàn)能源削峰提供了新的契機，以片區(qū)為單元，通過設立智慧中樞集中控制片區(qū)內(nèi)的建筑能源使用，將市政電網(wǎng)和片區(qū)內(nèi)生產(chǎn)的可再生能源整合形成供給端統(tǒng)籌，依據(jù)能源需求進行整體調(diào)配。與分布式能源微網(wǎng)相結合的多功能混合街區(qū)能夠提高系統(tǒng)效率，增加能源安全韌性，可作為城市的能源細胞。此外，細胞尺度也是考量的要素之一，范圍過大能源傳輸損耗較高，范圍過小則不利于能源的整體調(diào)配，城市用地功能組合對能源細胞范圍劃定影響較大。

4 進一步思考

被動式能源街區(qū)從更大的空間層級聚焦城市節(jié)能問題，通過城市形態(tài)優(yōu)化適應地方氣候環(huán)境，符合能量流動的空間規(guī)律，能夠彌補建筑節(jié)能的不足，形成更為系統(tǒng)化的解決策略。結合本研究，進一步提出以下思考：

第一，無論是模擬還是實證研究都表明，優(yōu)化城市形態(tài)具有較大的節(jié)能潛力，能耗可以成為輔助城市形態(tài)定形、定量和定性的影響因素之一。不同街區(qū)形態(tài)要素對建筑節(jié)能的貢獻率不同，有主次層級之分，據(jù)此總結的一般規(guī)律可以有效地指導設計實踐［25］。

第二，應進一步強化綜合的、多要素的關聯(lián)研究。一方面，在現(xiàn)有研究中納入風、光、熱等室內(nèi)外環(huán)境性能、室內(nèi)外人體舒適度的考量，建立整合各類環(huán)境性能的研究模型，進一步揭示城市形態(tài)與各類環(huán)境性能要素之間的規(guī)律［26］；另一方面，還應整合包括能源供給結構、供給模式、消費行為等在內(nèi)的“供給-消費”鏈的研究，這些要素對建筑能耗的影響甚至超越街區(qū)形態(tài)本身，亦可以通過街區(qū)形態(tài)進行適配或引導。通過建立關聯(lián)模型，權衡性能、經(jīng)濟和社會效益，探索共贏設計策略。

第三，多目標設計決策模型是構建被動式能源街區(qū)的重要方法。由于街區(qū)形態(tài)的影響要素和設計目標都較多，其問題復雜度已超越了人腦思考范圍，因此需借助計算機手段對內(nèi)在關系進行分析和權衡。多目標設計優(yōu)化模型對現(xiàn)實問題進行抽象，通過提出研究問題、拆解常量變量、建立三維模型、開展性能模擬、建立決策模型5個步驟，將各備選方案的優(yōu)劣反饋給設計者，并結合設計者決策同步調(diào)整、再反饋，有利于提升設計的科學性和精細化水平。

作者貢獻說明：

周藝南：整體思路架構，實驗設計和論文撰寫。

楊沛儒：理論支撐，整體思路架構和論文校核。