严寒地区城市街区形态对建筑能耗的影响机制研究——以哈尔滨为例

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:michael8363
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全球气候变化背景下,节能减排与可持续发展已成为关系人类命运的共同议题。习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上指出,中国将采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。城市作为人类生产与生活的重要空间载体,是能源消耗与碳排放的最主要的地域单元。2019年末,我国城市化率已达到60.60%,城市的碳排放量占全国总排放量的72%,其中建筑部门占全国碳总排放量的近20%。而这一数字对处于快速城镇化建设时期的我国来说,将持续上涨,建筑碳排上行压力不断加大。因此,无论从当下还是未来来看,城市范畴下的建筑节能和低碳发展都将是我国可持续发展的时代主题、主要阵地与核心战场。城市建筑能耗问题应在其成因——城市形态建设——中探寻解决方案。传统城市规划背景下的城市形态建设基本是以土地利用功能为导向的,很少涉及街区形态对建筑能耗影响的关联机制探索。因此,现阶段,将建筑能耗概念引入城市规划领域,研究街区形态和建筑能耗的相互关系,将有利于评估不同形态策略达成建筑节能目标的能力,并为我国环境可持续的城市物质空间建设提供依据。此外,为了克服严寒气候因素的影响,严寒地区城市需要经历漫长的采暖期,其建筑总能耗更高,采暖带来的能源消耗在建筑总能耗中占有比重更大。因而,论文选取严寒地区城市哈尔滨市作为实证研究对象,对哈尔滨市街区形态对建筑采暖能耗的影响进行研究。首先,在总结国内外街区形态对建筑能耗影响研究现状、分析街区形态与建筑能耗关系等基本知识,研判相关研究方法和研究工具优缺点的基础上,从“基于研究尺度确立——关注控详对应的街区尺度”、“研究方法选择——采用模拟和统计相结合方法”、“研究过程——解析街区形态对建筑能耗的影响机制”、“研究结果及应用——辅助建筑节能的街区形态规划策略制定”4个方面出发,构建了街区形态对建筑能耗影响的研究和应用框架。其次,论文对哈尔滨市的街区形态和建筑能耗现状进行了分析。论文分析了哈尔滨市城市区位与城市建设、城市气候和城市用能概况,明确了哈尔滨市建筑节能的迫切需求。进而,通过R语言和Arc GIS计算几何工具对哈尔滨市街区形态指标进行计算,分析其空间分布和数值分布现状,调研并归纳典型街区的空间形态特征。此外,论文在Energy Plus软件的可视化界面Open Studio中模拟样本建筑的理论能耗值,并以此计算外部环境对各样本建筑实际能耗的影响情况,分析哈尔滨市的建筑能耗现状问题及空间分布规律。而后,论文对哈尔滨市影响建筑能耗的街区形态要素进行了识别。通过梳理既有研究,选取了对建筑能耗存在影响的街区形态要素,明确了街区形态要素的计算方法和计算尺度,并计算得到各样本建筑周边的街区形态相关指标。进而,通过统计学方法量化了不同街区形态要素与建筑能耗间的关联性,并最终从建筑群体形态、街道形态和绿化形态3方面识别出影响建筑能耗的街区形态要素。再次,论文解析了哈尔滨市街区形态对建筑能耗影响的机制。基于哈尔滨市典型的街区形态特征(点群式、行列式、院落式建筑布局),采用控制变量方法衍生设计出具有不同建筑群体形态、街道形态和绿化形态参数的实验街区模型221个。使用ENVI-met微气候模拟和Energy Plus建筑能耗模拟相结合的方法,模拟不同街区形态下的微气候和该微气候下的建筑能耗,分析各街区形态要素如何通过影响微气候作用于建筑能耗的内在规律。最后,论文提出了哈尔滨市建筑节能的街区形态规划策略。结合以上研究成果,以阐明建筑节能的街区形态规划的原则、目标与内容要求为前提,一方面,面向街区整体形态的节能效果,从构建量化的评估工具、制定确切的评估标准和明确科学的评估流程3个方面,提出了街区形态的建筑节能适宜性评估策略;另一方面,针对街区形态要素设计,分别提出了容积率、建筑密度、道路高宽比、街道朝向、绿地率等10个街区形态要素的具体指标控制范围及设计导引策略。相同的城市建设指标可以通过不同的城市形态来实现,但它们对环境或建筑能耗的影响却大有不同。本研究确定的严寒地区街区形态与建筑能耗之间的密切关系强调了街区形态可以作为严寒地区建筑节能减排的有效途径。因此,以建筑节能为导向的城市规划策略的意义是可以预见的。
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