導讀：作為城市空間形態(tài)的重要維度，容積率對居民能耗的影響向來是節(jié)能形態(tài)研究領域關注的重點?，F(xiàn)有文獻大都在微觀層面以數(shù)個住區(qū)為樣本、考察一個或幾個城市內(nèi)部居住小區(qū)容積率對居民能耗的影響，鮮有從城市整體層面考察城市居住用地平均容積率對居民能耗的影響。本文將從節(jié)能的視角探討城市居住用地的最優(yōu)容積率。
本文為“2017中國城市規(guī)劃年會”宣講論文
作者：解揚，北京清華同衡規(guī)劃設計研究院遺產(chǎn)研究中心歷史城市保護發(fā)展研究一所
城市空間形態(tài)與能源效率，尤其是居民能耗之間的關系在最近二十多年來日益受到包括城市規(guī)劃學者在內(nèi)的城市空間研究學者們的關注。作為城市空間形態(tài)的一個重要表征維度，密度（Density）被Cervero納入其著名的3D理論中，形成了空間形態(tài)與居民能耗研究領域最重要的理論基石。在城市規(guī)劃領域，密度主要指單位土地面積上各類空間要素如人口、資本、道路、建筑物等的數(shù)量，密度維度可以對應多個具體指標，如人口密度（對應人口要素）、經(jīng)濟密度（對應資本要素）、路網(wǎng)密度（對應道路要素）以及容積率（對應建筑要素）等。其中容積率是我國現(xiàn)行控規(guī)指標體系中的核心指標之一，因此探討容積率與居民能耗的關系對于把低碳城市研究成果應用到低碳城市規(guī)劃中具有最直接的意義。
雖然已有大量研究表明密度維度與居民能耗存在直接關聯(lián)，但是（1）絕大部分的研究是以西方國家城市為基礎的，基于中國城市的數(shù)據(jù)研究甚少；（2）以家庭或個人為研究對象的微觀研究數(shù)量占絕對優(yōu)勢，以城市為個體的宏觀研究數(shù)量相對少得可憐；（3）宏觀研究中密度維度的表征指標通常都是人口密度，相對而言城市平均容積率由于獲取的困難很少被考察。城市是一個復雜系統(tǒng)已經(jīng)日益成為學術界的共識，微觀個體層面的結論不能簡單推廣到宏觀城市層面。因此有必要以我國城市為研究對象，考察城市層面的居住用地平均容積率與居民能耗之間的實證關系，來探究從節(jié)能角度出發(fā)，城市整體層面是否存在最優(yōu)的容積率區(qū)間，對應著最優(yōu)的建設強度區(qū)間。
整理目前相關研究，容積率對居民能耗的影響主要集中在居民交通能耗和居民用電能耗兩塊。相對而言，居民用氣能耗、居民供暖能耗與形態(tài)關系不大。因此接下來的文獻回顧分成兩部分，分別總結容積率對居民交通能耗、居民用電能耗的影響路徑，并提出相應的理論模型。
1）容積率對居民交通能耗的影響
有關容積率（密度）與居民出行的關系一直是城市研究和交通研究領域的熱點問題。在微觀層面現(xiàn)有研究普遍認為高密度緊湊型住區(qū)有助于通過以下兩種方式降低居民出行能耗。第一，高密度住區(qū)能夠拉近出行目的地和起始地之間的距離，從而鼓勵短距離的步行出行，抑制機動車出行。第二，緊湊型住區(qū)具有的更好的公交服務、更少停車空間、更高土地利用混合度以及更大比例低收入住戶等因素都能夠降低機動車出行比例。從Ewing和Cervero的集萃分析來看，密度類指標更多地是通過對其他建成環(huán)境指標如設施可達性、土地混合度等來影響居民出行的，密度類指標對居民出行的直接影響并沒有其他建成環(huán)境指標的影響大。
在宏觀層面人口密度對居民出行能耗的負向影響已被大量實證研究證實（即人口密度越高的城市居民出行能耗越低）。影響最大的當屬Newman和Kenworthy（1989）基于全球32個城市的研究，他們發(fā)現(xiàn)城市人口密度越高的城市人均汽油消耗量越低。然而后續(xù)研究對此有不少質(zhì)疑，認為在同一大洲內(nèi)城市人口密度差距不大，密度和交通能耗的關系便不那么顯著。Cameron等（2003，2004）對全球近50個城市的分析表明高密度城市內(nèi)居民私家車出行里程數(shù)會比較小。姚勝永與潘海嘯（2009）根據(jù)全球范圍近百個城市的數(shù)據(jù)同樣得出了高密度有利于交通節(jié)能的結論。然而也有研究指出過高的人口密度條件（因為嚴重的交通擁堵）反而使得居民出行能耗變高。仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)城市人口密度在全球范圍內(nèi)的差距是十分明顯的，亞洲城市的人口密度顯著高于美國、澳大利亞等依賴小汽車出行的城市?；谖鞣絿业膶嵶C研究結論都表明人口密度高的城市居民出行能耗低；但基于亞洲國家的研究對高密度是否會降低居民交通能耗仍然存在爭議。
容積率影響居民交通能耗的理論路徑，資料來源：作者整理繪制
梳理以上文獻，可以總結出容積率對居民交通能耗同時存在著正反兩方面的影響。（1）高容積率有助于拉近出行出發(fā)地與目的地的距離，有利于公交模式發(fā)展，從而有效降低居民交通能耗。（2）與此同時高容積率可能帶來更嚴重的擁擠，使得居民出行時間更長，速度更慢，百公里油耗更大。像美國、澳大利亞城市那種過低的容積率情形下，適當提高容積率有助于降低居民交通能耗；相反像東亞國家這樣容積率很高的情形下，適當降低容積率反而會降低居民交通能耗。于是我們不禁猜想，容積率與居民交通能耗之間是否存在U型曲線關系？隨著容積率變大，居民人均交通能耗會先降低再升高，也就意味著從居民交通能耗角度出發(fā)，存在著最優(yōu)容積率?，F(xiàn)有研究普遍證實城市經(jīng)濟發(fā)展水平（相對而言人均財政收入比人均GDP對居民交通能耗影響更大）和城市規(guī)模（通常以城市建成區(qū)面積表征）對居民交通能耗有著顯著影響，因此這里以居民人均交通能耗為被解釋變量，以人均財政收入、城市建成區(qū)面積為控制變量，把城市平均容積率的一次項和二次項放入到解釋變量中，構建如下的理論模型：
Et為城市居民人均交通能耗，REV為人均財政收入，AREA為城市建成區(qū)面積，F(xiàn)AR為城市居住用地平均容積率，Sqr_FAR為城市居住用地平均容積率的二次項，σ為回歸方程的隨機誤差項。能耗數(shù)據(jù)使用自然對數(shù)值是為了消除異方差性。由之前的分析可以推測，如果容積率與居民交通能耗之間存在U型曲線關系，那么β3的數(shù)值應該小于0，β4的數(shù)值應該大于0。
2）容積率對居民用電能耗的影響
密度維度（容積率）對居民生活能耗的影響主要通過Ewing和Rong理論模型中的后兩者——住宅類型不同導致能耗的差別以及城市熱島效應導致的取暖與制冷環(huán)境的差別。（1）對于住宅類型的區(qū)別，低密度城市中的居民更加傾向選擇獨棟大戶型住宅，而居民生活能耗與人均住宅面積有著非常直接的正向關聯(lián)，因此低密度城市的居民人均生活能耗會比較高。（2）高密度城市的熱島效應一般比低密度城市更強，因此高密度城市制冷能耗更高的同時取暖能耗更低，但制冷能耗與取暖能耗疊加的總效果是增加還是減少仍然要靠具體數(shù)據(jù)的計算。Lee and Lee的實證研究通過結構方程建模（SEM）給出了密度影響居住能耗的具體路徑。研究指出在125個全美最大城市中人口密度增加10%會導致居民生活能耗降低3.5%。
城市形態(tài)影響居民生活能耗的三個途徑，資料來源：根據(jù)文獻改繪
需要注意的是Ewing和Rong和Lee and Lee的研究是基于北美城市所得到的結論，一些基于其他地區(qū)城市的實證研究得到的結論與之大相徑庭。比如Makido等人以50個日本城市為例的研究顯示，單中心城市過高的密度會導致居民生活能耗變高。高密度城市中居住建筑設計的采光和通風等方面的靈活性受限，可能導致居民生活能耗升高。同時東亞地區(qū)居住文化與北美明顯不同，比如中國城市基本以集合住宅為主，因此密度差別對居民住宅選擇的影響可能微乎其微。
考慮到中國城市供暖能耗主要是由集中供暖系統(tǒng)提供，是不包括在用電能耗中的，因此我國城市居民用電能耗主要是指制冷能耗及其他家用電器的使用。所以類似居民交通能耗，容積率對我國城市居民用電能耗的影響也有可能是兩方面的：（1）一方面容積率過低可能對應的情形是城市內(nèi)別墅、聯(lián)排住宅等大戶型住宅產(chǎn)品的比重較高，這種情形下居民用電能耗由于人均居住面積較大而變得很高。（2）另一方面如果容積率過高會導致城市熱島效應更強，居民夏季的制冷需求會變得更大，因此也會產(chǎn)生更高的用電能耗。所以理論上容積率和居民用電能耗之間也可能存在著U型曲線，即存在一個適當?shù)娜莘e率，其對應的居民用電能耗是最低的?，F(xiàn)有研究普遍證實城市經(jīng)濟發(fā)展水平（通常以人均GDP表征）、城市規(guī)模（通常以城市建成區(qū)面積表征）和城市氣候特征（以年平均氣溫表征）對居民用電能耗有著顯著影響，因此這里以居民人均用電能耗為被解釋變量，以人均GDP、城市建成區(qū)面積為控制變量，把城市平均容積率的一次項和二次項放入到解釋變量中，構建如下的理論模型：
Ee為城市居民人均用電能耗，GDP為人均GDP，AREA為城市建成區(qū)面積，TEMP為城市年平均氣溫，F(xiàn)AR為城市居住用地平均容積率，Sqr_FAR為城市居住用地平均容積率的二次項，σ為回歸方程的隨機誤差項。能耗數(shù)據(jù)使用自然對數(shù)值是為了消除異方差性。由之前的分析可以推測，如果容積率與居民用電能耗之間存在U型曲線關系，那么β4的數(shù)值應該小于0，β5的數(shù)值應該大于0。
1）居民能耗的計算
城市級別的能耗數(shù)據(jù)在政府的公開資料中并沒有直接公布，因此一般需要通過估算方法獲取。2006年IPCC《溫室氣體排放清單指南》中給出了兩大類自下而上的人均能耗核算方法：分部門的核算方法和基于能源表觀消費量的核算方法。在中國，各種能源表觀消費量信息一般只細分到省一級，城市層面只有省會城市才有數(shù)據(jù)，所以本文采用分部門的核算方法選取2009年的城市居民直接能耗進行估算，篇幅所限，具體方法參見筆者之前發(fā)表的文獻。
2）容積率的計算
密度維度的研究一般以人口密度作為常用指標，但也有不少研究采用地塊容積率作為表征密度的指標，因為在現(xiàn)有的城市規(guī)劃體系中，容積率作為表征建設強度的重要指標直接出現(xiàn)在總規(guī)、控規(guī)等各個層面的空間規(guī)劃中。本文這里就采用容積率作為表征密度維度的指標，由于本文主要是探討居民能耗，因此這里考察城市居住用地的平均容積率，其計算公式如下（等式中應用到的數(shù)據(jù)都來源于2009年《中國城市建設統(tǒng)計年鑒》）：
需要注意的是，等式最右邊的分子理論上應該是 “城市居住用地總建筑面積/城市人口”，而人均住宅建筑面積的含義是“城市住宅建筑面積/城市人口”，二者之間是有差別的，前者比后者大，因為城市居住用地上還有很多非住宅建筑，如商業(yè)配套、幼兒園、中小學等，所以導致這里計算得到的城市居住用地平均容積率要比實際數(shù)值偏小。這在目前的數(shù)據(jù)條件下也是無奈之舉。
3）其他控制變量的獲取
前文兩個理論方程中其他的控制變量：（1）人均財政收入、人均GDP自于2010年《中國區(qū)域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》。（2）城市建成區(qū)面積來源于2009年《中國城市建設統(tǒng)計年鑒》。
1）容積率與居民交通能耗的回歸分析
首先以我國286個地級以上城市為樣本，通過回歸分析驗證理論方程。結果下表顯示，對我國286個地級以上城市來說，城市居住用地容積率與居民人均交通能耗之間存在U型曲線關系，當容積率約等于1.01時，對應的居民人均交通能耗最低。
容積率對居民交通能耗有兩方面的影響。一方面，高密度發(fā)展模式可以拉近出行目的地和出發(fā)地之間的距離，提升各種設施的可達性，從而減少出行距離，鼓勵步行、自行車等適合短距離的低碳出行方式，也有利于公共交通的開展。另一方面，高容積率城市交通擁堵狀況可能更嚴重，使得居民出行時間更長，速度更慢，百公里油耗更大，從而使得居民交通能耗更高。因此總體上容積率與居民交通能耗呈現(xiàn)U型曲線關系。
城市居住用地平均容積率與居民人均交通能耗的回歸關系圖解，資料來源：作者繪制
關于這個最優(yōu)容積率值1.01，可以這樣解釋。（1）我國城市新區(qū)的建設強度標注大致是1萬人/平方公里。（2）我國286個地級以上城市目前居住用地比重是32.1%，人均住宅建筑面積的均值是30.7㎡。（3）根據(jù)以上兩個數(shù)字，對我國286個地級以上城市而言，1萬人/平方公里的建成區(qū)密度對應容積率在0.956左右（從均值角度講，1平方公里的土地面積中，居住用地面積是1×32.1%=0.321k㎡=321000㎡，1萬人的居住建筑面積大約是10000×30.7=307000㎡，因此容積率是307000/321000=0.956）。（4）1.01的最優(yōu)容積率可以說和1萬人/平方公里的發(fā)展強度在本質(zhì)上是相差不大的，此處的結論從交通節(jié)能的角度驗證了1萬人/平方公里這一慣常的新區(qū)發(fā)展強度的科學性。
2）容積率與居民用電能耗的回歸分析
接下來通過回歸分析驗證理論方程。以我國286個地級以上城市為樣本，方程中容積率的一次項和二次項都沒有通過檢驗。根據(jù)類似研究的經(jīng)驗，可能是因為不同規(guī)模城市在性質(zhì)上存在很大差異，放在一起分析致使一些顯著的結論被掩蓋掉。為此這里按照城市規(guī)模對286個樣本城市進行分組研究，按照市區(qū)常住人口（1）<50萬、（2）50-100萬、（3）100-200萬、（4）200-500萬和（5）>500萬分成5組，結果發(fā)現(xiàn)對于200-500萬大城市組，城市居住用地平均容積率大約在0.995時，居民人均用電能耗是最低的。
