探究建筑表皮與風(fēng)能利用融合的技術(shù)策略★

孫曉銘 史 南

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

探究建筑表皮與風(fēng)能利用融合的技術(shù)策略★

孫曉銘1史 南2

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

全面總結(jié)了現(xiàn)代建筑表皮的設(shè)計存在的主要問題，系統(tǒng)論述了建筑表皮設(shè)計與風(fēng)能利用融合的技術(shù)策略，提出風(fēng)能利用與建筑表皮融合技術(shù)發(fā)展方向，研究結(jié)果為建筑節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論參考。

建筑表皮，風(fēng)能利用，技術(shù)策略

0 引言

伴隨國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，風(fēng)能作為綠色的新能源得到了長足的發(fā)展，作為一種高效節(jié)能的新能源，風(fēng)能利用有著重要的意義。隨著人類社會不斷發(fā)展，在城市中，越來越多的建筑表皮設(shè)計中考慮到風(fēng)能的利用，高層的出現(xiàn)，使城市建筑利用風(fēng)能成為了可能，所得的風(fēng)能將直接用于建筑本身和整個小區(qū)，這種方式是將風(fēng)能的利用和建筑設(shè)計有機的結(jié)合在一起，不僅僅把建筑物變成低能耗的綠色建筑，還能使整個城市的環(huán)境得到改善。因此，風(fēng)能的應(yīng)用以及風(fēng)能與建筑表皮的結(jié)合發(fā)展也成為建筑行業(yè)的研究課題。將建筑表皮與風(fēng)能融合在一起，為建筑節(jié)能設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，創(chuàng)造了有利條件。但是從我國現(xiàn)行的建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上來看，不管是從公共建筑還是居住建筑的節(jié)能設(shè)計一般是通過控制建筑外圍結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、建筑物的體型系數(shù)等方式達(dá)到節(jié)能降耗的目的。由于各地氣候的不同，建筑節(jié)能技術(shù)具有很強的地域差異，風(fēng)能的利用程度與方式不盡相同。因此針對不同的風(fēng)力條件，應(yīng)選擇相適應(yīng)的節(jié)能技術(shù)措施，結(jié)合建筑物所處的地理條件，利用風(fēng)能等可再生能源，使建筑能有效地利用并改善我們的生存環(huán)境。

1 建筑環(huán)境中風(fēng)環(huán)境的特性研究

當(dāng)前城市規(guī)模的日益增大，越來越高的建筑出現(xiàn)在人們的生活中，尤其是大城市中高層建筑比比皆是，而且位置相對集中，這樣一來對建筑的風(fēng)環(huán)境影響很大，往往會發(fā)生群樓效應(yīng)，會對人們的生活帶來眾多不利的影響。因此在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計時必須充分考慮其影響，避免不必要的麻煩產(chǎn)生。針對已經(jīng)存在的對人們生活不利的風(fēng)環(huán)境，要采取一系列措施，例如防風(fēng)隔斷等等，同時考慮如何利用在高層建筑中存在的風(fēng)環(huán)境，能在城市減少能源消耗方面提供新的途徑。

1.1 城市建筑風(fēng)環(huán)境的特點

城市風(fēng)環(huán)境存在各種風(fēng)效應(yīng)，受高樓阻擋的原因，造成風(fēng)速加大，尤其在高層建筑與低層建筑相鄰時出現(xiàn)來流風(fēng)正交現(xiàn)象，這使得在兩建筑間的漩渦運動更加強烈，這就是所謂的逆風(fēng)。而分流風(fēng)使來流受建筑的阻擋，此時使得風(fēng)發(fā)生分離并伴隨著流速的收斂的自由流動區(qū)域，在建筑物兩側(cè)風(fēng)速明顯增大。最易發(fā)生的是建筑穿堂風(fēng)效應(yīng)，即在建筑群開口位置通過的風(fēng)流。主要是由于建筑物的迎面風(fēng)和背面風(fēng)的壓力差造成的，使得風(fēng)速變大。在實際情況中，由于風(fēng)向、風(fēng)速的不同以及各種風(fēng)效應(yīng)的相互影響，城市建筑中的風(fēng)環(huán)境非常復(fù)雜，具有不穩(wěn)性的特點，在城市建筑群中，可以研究阻塞效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)，建筑物受迎面風(fēng)產(chǎn)生的滯止效應(yīng)和受背面風(fēng)產(chǎn)生的回流效應(yīng)。

1.2 城市建筑風(fēng)環(huán)境研究方法

針對城市建筑風(fēng)環(huán)境的各種效應(yīng)特點，要想達(dá)到風(fēng)能利用的目的需要具備風(fēng)環(huán)境的研究方法。風(fēng)環(huán)境中最直接的方法就是現(xiàn)場觀測，但是有一定的不足之處，就是無法在建筑物建造前進(jìn)行觀測，造成無法為建筑物的設(shè)計提供可靠的參數(shù)，并且現(xiàn)場實測費時費力，在目前情況下，現(xiàn)場實測無法發(fā)揮其真正的作用。針對現(xiàn)場實測的不足，實驗將會改變當(dāng)前的現(xiàn)狀，風(fēng)洞試驗，通過制作實際建筑的模型在風(fēng)洞中進(jìn)行，利用科技技術(shù)產(chǎn)生于實際建筑物周圍的風(fēng)場，然后得出相應(yīng)的參數(shù)，為建筑物的設(shè)計提供參考。

2 建筑表皮與風(fēng)能利用融合技術(shù)策略與發(fā)展方向

2.1 建筑表皮設(shè)計中風(fēng)能利用設(shè)計要素

建筑表皮與風(fēng)能利用的融合，涉及到技術(shù)要素：對建筑物的負(fù)載、用電量進(jìn)行估算，進(jìn)而確定風(fēng)能收集系統(tǒng)安裝所需的安裝容量大小；另外還需要綜合建筑物當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，結(jié)合建筑表皮的外觀要求及建筑節(jié)能方案的特征，來確定風(fēng)能利用的相關(guān)軟硬件的安裝條件、環(huán)境、方位的設(shè)置和儀器的型號以及外觀的設(shè)計，并保證風(fēng)能利用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率；相關(guān)組件的選擇和儀器數(shù)量的設(shè)計、相鄰間距的設(shè)計、方位的設(shè)計、相關(guān)組件之間的連接方式設(shè)計以及采集器安裝節(jié)點的設(shè)計等等；為便于其安裝和維護(hù)，確保安裝部位承受的載荷滿足規(guī)范要求，在特殊情況下能夠正常使用，保證相關(guān)組件的順利安裝，并且不會對建筑形成不利影響避免次生危害；最后針對系統(tǒng)運行過程中的檢測、評估以及反饋信息優(yōu)化等設(shè)計。在美學(xué)設(shè)計要素中，需要考慮到風(fēng)能利用系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)與建筑表皮設(shè)計之間的系統(tǒng)關(guān)系，相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)應(yīng)該與建筑物的整體形象和其功能的需求，探究相關(guān)構(gòu)件與建筑整體比例以及尺度的協(xié)調(diào)性，進(jìn)而能夠滿足協(xié)調(diào)統(tǒng)一以及建筑表皮設(shè)計與風(fēng)能利用相互融合的對比關(guān)系和效果；重要的是如何設(shè)計相關(guān)構(gòu)件自身的形態(tài)，風(fēng)能相關(guān)構(gòu)件與建筑的整體色彩、機理以及構(gòu)造特點和相關(guān)組件的不同排列方式、組合特征，完成了不同功能、需求的設(shè)計；風(fēng)能利用構(gòu)件對建筑功能也將會產(chǎn)生影響，建筑表皮是風(fēng)能容易收集的部位，也是室內(nèi)通風(fēng)性能較好的區(qū)域，因此在風(fēng)能設(shè)備的安裝的過程中，應(yīng)綜合考慮室內(nèi)的通風(fēng)需求以及建筑承受能力的影響。在風(fēng)能設(shè)備安裝、使用過程中，其將會產(chǎn)生不同程度的噪聲污染，對居民的日常生活造成了影響，雖然在建筑節(jié)能設(shè)計方面，風(fēng)能有著得天獨厚的優(yōu)勢，但是，作為新型的能源，建筑表皮設(shè)計與風(fēng)能利用的融合首先要保證不干擾人們的生活，其次不能對建筑物的使用條件、年限造成不利影響。這樣才能使其充分發(fā)展，改善人們的生活環(huán)境及提高生活品質(zhì)。

2.2 城市建筑表皮與風(fēng)能利用融合研究

探究城市建筑表皮與風(fēng)能利用融合的發(fā)展方向。

1)建筑表皮與風(fēng)能利用的材料創(chuàng)新。

城市建筑物表皮的材料不斷創(chuàng)新是建筑節(jié)能設(shè)計最有效、最直接的方式。隨著建材料行業(yè)的不斷發(fā)展，在建筑表皮設(shè)計當(dāng)中，各種相關(guān)材料層出不窮，例如氣凝膠涂材料、光電感應(yīng)材料等等，建筑表皮設(shè)計和風(fēng)能利用的技術(shù)發(fā)展，為風(fēng)能與建筑表皮的融合和利用奠定了有力的基礎(chǔ)。風(fēng)能利用與建筑表皮融合的材料創(chuàng)新一般使用雙層建筑外表皮的圍護(hù)結(jié)構(gòu)層，通過相應(yīng)的調(diào)整使得最外層能夠保證建筑室內(nèi)的空間獲得正常的通風(fēng)以及采光條件，進(jìn)而提高室內(nèi)居住的空間舒適度，此時也能降低建筑物能源消耗，同時也不同程度上化解了自然采光與風(fēng)能利用之間的矛盾。雖然建筑表皮雙層結(jié)構(gòu)具有較好的效果，但是從其建筑用材上看不十分環(huán)保，性價比較低。風(fēng)能利用與建筑表皮的融合技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)能發(fā)電設(shè)備的不斷創(chuàng)新為風(fēng)能與建筑表皮結(jié)合和應(yīng)用提供了有利條件，可以選擇在屋頂、建筑外墻等位置進(jìn)行兩者的結(jié)合。建筑的屋頂可以將其作為一個安裝平臺，在上面安裝必要的設(shè)施以保證風(fēng)能利用設(shè)備具備有力的支撐。建筑外墻具有得天獨厚的優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)形式和承載能力，在設(shè)備支撐方面無疑是最合適的位置，但是，在外墻上安裝技術(shù)要求相對較高，要保證設(shè)備的正常使用，同時也要確保人們在安全方面不受其影響。

2)室內(nèi)通風(fēng)及采光的利用。

由于城市能源消耗較大，空氣指數(shù)隨著急劇下降。為改善生活環(huán)境，在建筑節(jié)能設(shè)計中必須要考慮到此類問題。具體來說，室內(nèi)的通風(fēng)和采光不能因為風(fēng)能利用而受到影響。建筑物內(nèi)外相互連通，在建筑設(shè)計中，應(yīng)保證室內(nèi)的自然通風(fēng)，同時也要考慮到讓室內(nèi)最大程度上受到太陽的照射，這也是建筑設(shè)計中最人性化的一面，這樣不僅僅保證了環(huán)境同時也節(jié)約了能源。充足的陽光照射和室內(nèi)自然通風(fēng)可以讓居住者心情舒暢，特別是在目前的生活壓力下，良好的居住情況，是緩解城市壓力最有效的方式。

3)城市環(huán)境綠化。

在建筑節(jié)能設(shè)計中，要考慮到城市的環(huán)境綠化，設(shè)計因素中要引入綠化植物的概念，同時也要考慮人文、生態(tài)等因素。針對城市的用地緊張，使得建筑外表綠化成為高層建筑中最有效的方式之一。例如，在建筑設(shè)計中，可以將綠化植物設(shè)計到屋頂上，類似于空中花園，但是前提是不能違反建筑設(shè)計規(guī)范，不能增加過大的荷載，這樣能使各種綠色環(huán)保植物出現(xiàn)在人們的生活中，這些植物通過蒸發(fā)，降低建筑的外層溫度，這也是降低能耗的方式，在風(fēng)能利用設(shè)備周圍，布置綠化植物，使得風(fēng)力發(fā)電設(shè)備不單調(diào)，更具有大自然的氣息。這樣既充分利用了風(fēng)能，還能綠化環(huán)境，節(jié)能減排。我國人口數(shù)量龐大，能源消耗隨之劇增，為長久發(fā)展，需要尋找新的建筑設(shè)計方式，向著低碳經(jīng)濟的方向發(fā)展，建筑表皮與風(fēng)能利用的融合也體現(xiàn)了人類與大自然的和諧共處的需求，綠色環(huán)保的節(jié)能設(shè)計將是建筑行業(yè)未來發(fā)展的主要趨勢。

3 結(jié)論與建議

建筑物表皮是人們生活的保護(hù)層，建筑表皮的形式直接影響到人們的生活品質(zhì)，其不僅僅具備保護(hù)功能，最重要的是代表著人類生存、發(fā)展的意義。但是隨著能源的消耗日益增大，探究建筑表皮與風(fēng)能利用的融合技術(shù)成為當(dāng)代建筑設(shè)計的重要目的。本文以建筑表皮與風(fēng)能利用融合技術(shù)為背景，提出了兩者融合的設(shè)計要素和發(fā)展。風(fēng)能利用的建筑表皮融合設(shè)計是能源可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，也將會是建筑行業(yè)與能源利用之間相互影響的一座里程碑。

[1] 張 玉.風(fēng)能利用建筑的風(fēng)能利用效能研究與結(jié)構(gòu)分析[D].杭州：浙江大學(xué),2011.

[2] 李積權(quán).氣候方位與建筑表皮節(jié)能——建筑表皮的氣候資源利用技術(shù)策略研究[J].建筑科學(xué),2008(12):7-11.

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[4] 楊 蓉.高層建筑屋頂風(fēng)能利用研究[D].泉州：華僑大學(xué),2011.

Exploration on merging technical strageties of building envelope and wind energy utilization★

SUN Xiao-ming1SHI Nan2

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China;2.HarbinUniversityofIndustry,Harbin150000,China)

The thesis comprehensively summarizes modern building envelope design problems, systematically discusses the merging technical strategies of building envelope design and wind energy utilization, and puts forward the merging technology development tendency of wind energy utilization and building envelope. Thus, the research achievements can provide important theoretical reference for sustainable development of building energy conservation.

building envelope, wind energy utilization, technical strategy

1009-6825(2014)03-0004-02

2013-11-06★：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目資助(項目編號：DL12BB10)

孫曉銘(1979- )，女，碩士，講師； 史 南(1981- )，男，在讀碩士

TU201.5

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