全球城镇化率已接近60%，城市能耗在全球能耗中的占比达75%，通过城市空间规划优化城市气候质量、降低城市能耗水平对可持续发展的重要性日渐凸显。然而，目前城市规划工作中对不同功能、形态街区气候-能源相互作用机制解析不充分等问题限制了空间规划对城市气候与能耗影响评估的完整性和准确性。因此，本研究旨在开发城市空间微气候与建筑用能需求特征关联预测方法，并探究通过优化街区规划设计提升其在气候-能源表现方面的潜力。研究主要包含以下4项内容： （1）城市街区空间类型化分析与典型案例构建方法研究。以多层次K-means聚类分析为基础开展城市空间的类型化分析。以西安为例，提取21个居住型和21个混合型街区原型，以及多层行列式、高层围合式和高层行列式3种典型绿地所处的建筑组团，并选取典型树种设计9（5）种夏（冬）季植物配置。根据典型城市空间的尺度特征，确定分别以城市规划概念中的“街区”和“组团”为空间尺度，分别解析建筑空间形态和绿地植物配置变化对微气候与建筑用能需求的影响。 （2）街区尺度的微气候与建筑用能需求关联预测方法研究。采用URBANopt和scSTREAM模型模拟街区空间形态变化影响建筑室外气候条件和用能需求，并反映了建筑排热影响街区风热环境的物理过程。结果表明，在建筑用能需求预测中对垂直气象参数变化梯度等室外气候变化机制解析不充分将平均造成居住型（混合型）街区建筑1月的累计采暖负荷预测偏差达31.2%（18.7%），7月制冷负荷预测偏差达3.4%（5.2%），进而导致规划参数变化影响建筑用能需求的趋势出现偏差甚至反转。而在极端炎热天气下，空调制冷引发的建筑排热现象可导致居住型（混合型）街区近地面空气温度上升0.6 °C – 1.4 °C（0.8 °C – 3.0 °C）。居住型街区的建筑排热扩散条件取决于建筑密度，而混合型街区的容积率和建筑密度均与建筑排热造成的温升相关。 （3）组团尺度的微气候与建筑用能需求关联预测方法研究。在Grasshopper平台上实现ENVI-met和EnergyPlus模型的单向耦合，并预测典型组团在不同植物配置下的微气候与建筑用能需求表现。当绿地冬季（夏季）的叶面积指数由0.79 m2/m2（1.27 m2/m2）提高到4.77 m2/m2（6.36 m2/m2），3种组团中树冠高度范围内的热区在选取的冬季晴天气象条件下采暖负荷分别上升7.2%、1.5%和3.6%，在冬季阴天则分别下降2.8%、0.6%和0.1%；而夏季晴天的建筑制冷负荷降幅不超过0.5%。结果表明，植被在冬季因遮阳产生的负面效应大于因挡风和阻挡长波辐射散热产生的正面效应，而夏季蒸腾作用带来的潜热负荷上升则抵消了部分因遮阳和降温带来的节能效果。 （4）基于微气候与建筑用能需求关联预测的街区规划评估方法研究。采用面向以街区尺度为中心的不同空间尺度（片区尺度、街区尺度、组团尺度）下的气候-能源特征预测方法可实现规划方案的评价与优化。在街区尺度，结合CASBEE环境负荷评价体系和熵权法构建街区形态规划评分标准；在由多街区构成的片区尺度，采用遗传算法评估通过街区形态优化实现片区环境负荷降低的潜力；而在组团尺度下，结合室外热应力评价标准可制定针对街区内部不同绿地的种植优化策略等精细化调节措施。基于以上方法，首先对典型街区在环境负荷控制方面的表现评分；而后以西安城北某片区为例，验证了片区的环境负荷评分在维持容积率不变的前提下可提高0.27；最后通过典型组团的通用热气候指数预测结果证实，植被在街区内多层行列式组团中产生的微气候效益最显著，绿地叶面积指数为5.13 m2/m2时即可获得最佳的组团降温效果。 本文第2 – 5章分别以上述4方面研究内容为核心。本研究通过厘清城市中微气候与建筑用能需求的关联机制，开发面向不同规划要素影响的预测方法，根据预测结果评估街区规划对城市气候能源表现的优化潜力，并制定不同空间尺度下的规划设计策略。本研究的成果为可持续城市规划提供科学理论支撑，有助于我国实现城市空间-气候-能源规划相统一的行业目标。 |
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