重新审视建筑密度：非住宅建筑能源使用中局部浓度与空间连续性的热力学与非热力学途径

《Sustainable Cities and Society》：Rethinking density: Thermal and non-thermal pathways of localized concentration and spatial continuity in non-residential building energy use

本研究通过结构方程模型分析南韩62个城市2015-2019年249,597栋非住宅建筑能源数据，揭示城市密度、区域人口压力及空间连续性对总能耗和单位面积能耗的双重影响。结果表明，城市级密度与能耗正相关，而区域密度和空间连续性呈负相关，证实多尺度形态对能源效率的复合作用，为分级能源管理提供量化依据。

　　

李昌妍

中昂大学城市设计与研究系，韩国首尔东郊鹤石路84号，邮编06974

摘要

降低建筑能耗可以带来显著的经济和环境效益，包括降低运营成本和减少温室气体排放。本研究调查了韩国62个城市中城市空间形态与非住宅建筑能源使用之间的联系，重点关注直接（非热力）和间接（热力）途径。与以往的研究不同，本研究构建了一个双途径、多尺度的框架，共同评估了密度和空间连续性如何通过集聚效率和温度调节与能源使用相关联。利用2015-2019年的249,597条建筑-年度观测数据，分析了城市层面的人口密度、5公里半径内的社区密度以及空间聚集的城市发展程度。结构方程建模（SEM）用于估计总能源消耗和单位面积能源消耗的直接和间接途径，同时使用普通最小二乘法（OLS）回归作为初步的描述性补充。结果表明，城市层面的密度与总能源消耗（约17,000千瓦时）和单位面积能源消耗（约16,000千瓦时）之间存在正相关（p < 0.01），这与活动和基础设施需求的增加趋势一致。相反，社区密度与总能源消耗呈负相关（约-40千瓦时，p < 0.05），这与温暖季节的局部降温现象相符。空间连续的城市集群与总能源消耗和单位面积能源消耗呈负相关（分别约为2,100千瓦时和1,700千瓦时；p < 0.01），反映了紧凑且连续发展所具有的能源性能特征。我们的分析表明，能源性能不仅取决于密度，还取决于空间配置和规模。我们的发现为能源规划提供了一个形态学基础，表明虽然城市层面的密度会增加总能源负荷，但中观尺度的空间连续性提供了提高效率的途径。这些结果为从广泛的城市分区转向基于规模的能源管理提供了必要的量化证据。

引言

降低建筑能耗能够带来重大的经济、环境和社会效益。它降低了家庭和机构的公用事业成本（美国能源部，2024a），减少了温室气体排放和空气污染（美国能源部，2024b），并通过减少对进口燃料的依赖增强了国家能源安全（Khatib等人，2001）。这些改进有助于电网稳定，并促进可持续发展和绿色就业创造（加拿大自然资源部，2025；世界绿色建筑委员会，2017）。

鉴于这些好处，理解城市环境与建筑能源使用之间的联系仍然是学术研究和政策制定的重点。在城市因素中，物理结构，特别是人口密度和空间连续性，在塑造能源消费模式方面起着关键作用。这些城市形态通过热力和非热力途径与建筑能源使用相关联。从热力角度来看，城市密度通过影响空气温度、遮阳和通风来影响区域层面的热基线，从而改变供暖和制冷需求（De Frenne等人，2019；Ki和Yoon，2024；Oh等人，2021；Quan和Li，2021；You和Kim，2018）。例如，高密度会加剧城市热岛现象（Coutts等人，2007；Hui，2001；Lee，2024）。非热力途径包括紧凑的基础设施网络、技术扩散和建筑类型的转变，这些都与能源效率相关（Ewing和Rong，2008；Morikawa，2012；Navamuel等人，2018；Wang等人，2024）。

尽管这些途径已经得到充分研究，但许多研究仍采用单一尺度的视角，通常是在城市或街区层面，这限制了它们捕捉不同尺度上空间关联变化的能力。由于建筑级能源记录的有限可用性，实证研究经常依赖于汇总数据。然而，建筑能耗是由结构属性（如建筑用途、年龄、系统设计）与周围环境和社会经济条件的相互作用产生的。如果将多层级统计关联排除在分析之外，可能会限制数据中发现的模式协方差的全面性。因此，多尺度方法对于识别不同背景下城市形态与能源需求之间的关联至关重要。

另一个不足之处在于，对于韩国等温带气候地区的城市密度热动态的季节性变化缺乏研究，在这些地区，供暖和制冷需求都很高。密度可以在一定程度上加剧局部升温，同时通过紧凑的城市布局提供降温效益，但跨季节的净效果仍不确定。明确这些季节性权衡对于理解密度与整体能源效率之间的关系至关重要。

大多数研究关注住宅建筑能源使用或汇总的城市总能耗，忽视了非住宅建筑。这一疏忽是关键性的，因为非住宅建筑（如办公楼、学校和商业中心）占城市能源使用的很大比例，尤其是在高密度地区。非住宅建筑在运营时间表、占用模式和能源使用特征上与住宅建筑不同，城市形态可能通过不同的途径与它们相关联。如果不区分这些建筑类型，可能会掩盖重要的动态。

如图1所示，该框架区分了与城市规模密度、局部人口压力和空间聚集相关的直接（非热力）和间接（热力）途径。它概述了两种主要途径，通过这些途径城市形态与非住宅建筑能源使用相关联：（i）由季节性温度调节的热力途径；（ii）反映基础设施效率和土地使用强度的非热力途径。分析纳入了在城市和社区层面测量的多尺度人口密度，以及城市集群的空间连续性。

本研究探讨了韩国不同季节中城市形态指标与非住宅建筑能源使用之间的关联。首先，测量了三个空间特征：城市层面的人口密度、5公里半径内的局部密度以及空间连续的城市集群面积。其次，使用结构方程建模（SEM）来估计这些变量对能源使用的直接和间接关联。热力途径反映了需要严格实证研究的季节性温度调节过程。

本研究扩展了之前关于韩国城市（Ki和Yoon，2024；Oh等人，2021）和国际背景（Wang等人，2024）的研究，通过整合多尺度密度测量数据与观测到的建筑级能源数据，并使用SEM区分热力和非热力途径——这种方法在温带地区的季节性非住宅背景下很少应用。尽管之前的研究已经将城市发展与能源使用联系起来，但相对较少的研究探讨了这些关系如何随季节变化，特别是在非住宅部门。本研究通过整合多尺度空间变量和建筑级能源数据来分析不同季节的热力和非热力途径。

本文的其余部分结构如下：第2节回顾相关文献，第3节描述研究区域、变量和方法。第4节展示结果，包括季节性SEM发现，并讨论其对能源高效城市设计的意义。最后，第5节总结本文并概述未来研究方向。

章节摘录

城市形态-能源关系的理论基础和框架

建筑能耗受到城市形态和建筑物理相互作用的影响，我们通过双途径框架来概念化这种关系（图1）。该框架区分了热力和非热力动态，作为划分城市形态与能源使用之间结构关联的启发式方法。

在操作上，我们将热力途径定义为通过季节性空气温度调节的间接关联，捕捉微气候约束。

研究区域和变量

本研究基于韩国土地、基础设施和交通部（2023）的数据，调查了2015年至2019年间韩国62个城市的非住宅建筑能耗（图2），该数据展示了样本建筑的空间分布和集中模式。数据集包含249,597条建筑-年度观测记录，代表了五年内跟踪的56,698栋独特建筑。样本涵盖了大型大都市区和较小的城市。

描述性统计

如表3所示，建筑能耗随季节变化，冬季的平均能耗最高（26,239.5千瓦时），其次是春季（19,118.2千瓦时）、夏季（18,244.3千瓦时）和秋季（16,755.1千瓦时）。冬季的能耗标准差（98,973.8千瓦时）也是最大的，表明建筑之间的差异较大。这些描述性趋势需要在后续分析中纳入季节性控制因素。

总结：理论性和规划见解

本研究探讨了韩国62个城市中城市空间形态（城市层面密度、社区规模人口压力和城市集群的空间连续性）与非住宅建筑能耗之间的多尺度关联。通过利用249,597条建筑-年度观测的全国数据集，并采用结构方程建模（SEM），我们成功地将总关联分解为直接（非热力）和间接（热力）途径。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品期间，作者使用了Editage（www.editage.co.kr）进行专业英语语言编辑，并使用ChatGPT（OpenAI）来改进语法和可读性。使用这些工具后，作者彻底审查和编辑了内容，以确保手稿反映了他们自己的学术分析和解释。作者对发表文章的内容负全责。

术语表

• 结构方程建模（SEM）
• 城市热岛（UHI）
• 人均能源消耗（PCEC）
• 地区国内生产总值（GRDP）
• 地理信息系统（GIS）
• 方差膨胀因子（VIF）
• 普通最小二乘法（OLS）
• 供暖、通风和空调（HVAC）
• 标准化均方根残差（SRMR）

未引用的参考文献

Liu等人，2023

CRediT作者贡献声明

李昌妍：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

李昌妍报告称获得了韩国国家研究基金会（NRF）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号RS-2025-25465253）的支持。