研究速递|在湿热气候下设计城市绿色基础设施形态以减少城市建筑能源使用的循证框架

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文

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简

介

本研究提出一个分级系统，以评估与城市绿色基础设施（Urban Green Infrastructure, UGI）冷却和节能效果有关的研究结果和结论的证据强度。并制定UGI形态设计框架，作为城市设计过程的一部分，以减少城市建筑能耗。

Part 01

引言

随着城市化与能耗上升，提高城市建筑的能源效率或降低其能源使用强度至关重要。UGI是城市中必不可少的生态关键子系统，对城市建筑能耗的影响主要通过其冷却和遮阳效果来实现。

图1 UGI对城市建筑区能源消耗的影响

对于城市设计从业者来说，在降低城市建筑能耗方面，仍然缺乏系统的设计指南。为了尽可能获得UGI的综合效益，需要在全尺度城市景观设计过程中实施合适的UGI形态。该研究旨在提供客观可行的原则，指导湿热气候区的 UGI 规划实践，以减少城市建筑能耗。

科学问题：

（1）如何分级评估不一致的研究结果和结论的证据强度？

（2）在城市设计过程中减少湿热气候下的城市建筑能耗的UGI形态设计框架如何？

（3）UGI元素的设计策略如何？

Part 02

文献综述

2.1 相关文献证据质量分级

证据评分指的是斯图尔特的UHI研究科学评分标准，标准分数根据其重要性制定：一般标准（1分）和重要标准（2分）。

将UGI冷却距离定义为UGI边缘与空气温度变化的第一个转折点之间的距离，并将最大冷却强度定义为转折点和UGI边缘之间的温差（图2）。

图2 UGI最大冷却距离和最大冷却强度的定义

评分标准旨在以有争议的结论回答问题。因此，仅对与结论不一致的文献进行分级（主要包括UGI尺寸、形状对其冷却效果与距离的影响）。

表1 文献证据的分级标准

  2.2 关键问题的循证答案

表2 对关键问题的证据回应

Part 03

循证设计框架

3.1 设计 UGI 形态以减少城市建筑能耗的框架

提出了一个整体框架来进行UGI形态设计，以实现减少城市建筑能源使用的目标，如图3所示。

图3 设计 UGI 形态以减少城市建筑能耗的框架

3.2 UGI形态元素的设计指南

在条件分析阶段，设计中应遵循以下UGI保存原则：

• 小于1 km2的碎片化UGI可以拆除和重建用于建筑目的；

• 超过74 km2的大型UGI，可以去掉边缘区域，但保留核心区不小于14 km2；

• 保留现有的UGI结构，特别是绿色走廊的主要连接桥。

• 理想的UGI网络（图4）应满足以下原则，形成高效的冷却网络：

• UGI斑块均匀覆盖整个规划区域；

• UGI斑块之间的间距大致等于相邻两个UGI斑块的宽度之和；

• 新建的UGI网络与预留的UGI和站点外的UGI结构充分融合。

图4 有效冷却周边城市地区的理想UGI网络

社区公园冷却效率受大小、形状、位置和周边建筑影响，如图5所示，此类UGI的形态设计应符合以下指导原则：

• 将公园定位在社区中心，均匀覆盖社区；

• 在保持适当的最小宽度的前提下，增加公园的形状复杂度；

• 将公园建立在社区的上风向部分；

• 降低公园周边街区的建筑物高度和密度；

• 确保公园的宽度达到周边建筑高度的7.5倍；

• 公园内包含水体。

图5 减少城市建筑能耗的社区公园设计原则

如图6所示，行道树的形态设计原则应遵循以下原则：

• 围绕公园形成密集的绿道网络，加强降温效果；

• 街道主方向与夏季盛行风保持一致，加强绿道降温效果的延伸；

• 应选择具有高叶面积密度的高大树木，以便为街道表面和街道沿线的建筑物提供更多的遮荫。

图6 降低城市建筑能耗的行道树形态设计原则

对于街区/地块中的UGI，UGI的空间格局和遮荫树的形状是影响该规模建筑能源的重要因素。以下是降低建筑能耗的设计要点（图7）：

• UGI在场地内分布均匀，与建筑物高度混合；

• 建筑物的西侧和东侧靠近UGI，尤其是西侧；

• 应选择高大茂密的树种作为遮荫树，使用落叶树种避免热能损失。

图7 以减少建筑能耗为目的的街区/地块尺度上的UGI形态设计策略

Part 04

案例研究：中国南京紫东核心区

4.1 研究区

南京是华东地区重要的中心城市，地处北亚热带，四季分明，雨量充沛。紫东核心区位于紫东新区中部以北，面积约22 km2（图8）。它在功能上作为区域中心，将成为整个地区的第一个开发部分。

图8 研究区域的位置和UGI分布

目前该场地高度自然化，拥有大量植被和水体。城市设计的主要目标是加强对自然生态系统的保护和利用，使城市功能与景观环境有机结合。

 4.2 第1步：确定保留的UGI

对该区域现有UGI的冷却效果进行了评估，如图9所示。在规划区内，确定了碎片化的UGI和冷岛核心区。保存方案包括两部分：刚性约束区构成冷岛核心区；弹性约束区由主要连接桥梁和中到高冷却值的UGI组成。

图9 选择保留的UGI部分

4.3 第2步：建立UGI冷却网络

中心区延伸的绿廊确保了大部分施工区域被冷岛延伸覆盖（图10（a））。根据场地内现有UGI的降温影响范围和场地周边的一些大型UGI斑块，确定了新社区公园的位置（图10（b））。

图10 分析UGI网络以确定规划公园的位置

4.4 第3步：规划社区公共UGI

图11显示了社区公共UGI的规划过程。

图11 社区公共UGI形态规划的步骤

如图12所示，对三种社区方案的冷却效果进行了ENVI-met模拟和比较。场地中心形状复杂的UGI方案表现最佳，而位于场地一侧的紧凑形状的UGI方案对建筑块的冷却效果最差。

图12 三种设计方案对比及模拟建筑街区行人高度气温：(a) 设计方案空间布局；(b) 典型夏日14:00气温模拟结果；(c) 街区中每小时行人高度平均气温的比较。

4.5 第4步：在街区内设计UGI

UGI 被分成几组并均匀地分布在场地上，以在建筑物周围提供更多的冷却。西外墙植树遮阳，减少夏季空调能耗。南京冬季寒冷，避免在建筑物南侧墙附近种植树木造成冬季热量损失。

图13 街区内UGI的形态设计步骤

4.6 多个目标的协调

降低城市建筑能耗是UGI形态设计的目标之一，但城市设计还取决于其他因素。例如，在区域中心设置更多的绿色走廊和低密度通风区与土地商业价值最大化的原则相悖。因此，在每个框架阶段增加了预定的城市设计，包括街道网络、建筑物和公共空间结构。

Part 05

结论与讨论

该研究制定了UGIs的形态设计框架作为城市设计过程的一部分以减少城市建筑的能源消耗。

研究报告了在温带气候下UGI 冷却的一般节能效益。但是，应特别注意遮荫树策略，夏季节省的空调可能会被冬季增加的供暖需求所抵消。在UGI覆盖率非常低的情况下，形态设计所达到的节能效果可能很小。政策制定者应通过城市地区的奖励补贴或建筑法规等绿化政策普及屋顶绿化和绿化墙技术。此外，适当的水资源政策也可以增强UGI的冷却效果。

研究也存在一些局限性。首先，由于对湿热气候的研究数量不足，气候对结论的影响程度需要进一步评估。其次，通过文献证据总结的设计指南多为定性方法，缺乏定量指导。定量原则需要对当地气候进行更具体的评估。最后，其他城市形态元素的设计策略也应纳入框架，并进行优先评估。

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沙小涵 复旦大学环境科学与工程系21级研究生

焦香香 上海海洋大学海洋生态与环境学院20级研究生