風(fēng)力機與高層建筑一體化初探

寧磊　張偉

【摘 要】本文探討城市風(fēng)能建筑的可行性，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)案例，簡述建筑環(huán)境中的風(fēng)能特點，風(fēng)力機的安裝位置和建筑形態(tài)。指出一體化遇到的一些問題，為建筑師設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】清潔能源；風(fēng)力機；高層建筑；一體化

0 引言

地球表面風(fēng)能儲量巨大，理論上1%的風(fēng)能就能滿足人類能源的全部需求[1]。20世紀(jì)70年代以來，隨著能源危機和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電逐漸開始了商業(yè)應(yīng)用[1]。根據(jù)全球風(fēng)能理事會《全球風(fēng)電裝機統(tǒng)計（2015）》[2]，2015年全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)新增裝機63013MW，實現(xiàn)了22%的年度市場增長率。到2015年底，全球風(fēng)電累計裝機容量達到432419MW，中國累計裝機容量達到145.1GW，占全球市場份額的33.6%，為全球裝機容量最多的國家。

目前我國大型風(fēng)電場和小型風(fēng)電場并存。大型風(fēng)電場主要分布為內(nèi)陸和海上風(fēng)電場，一般并網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行的內(nèi)陸風(fēng)電場的發(fā)電成本約為火電的2倍，而海上風(fēng)電場的發(fā)電成本約為火電的3～4倍[3]，由于大型的風(fēng)電場成本太高，人們開始將目光聚焦在小型風(fēng)電場上。小型風(fēng)電場大都建在電力供應(yīng)不發(fā)達的偏遠地區(qū)。目前，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正朝著與建筑一體化的方向發(fā)展。我國建筑數(shù)量龐大，建筑物周圍的風(fēng)能資源豐富、質(zhì)量高，發(fā)展前景非常可觀。

1 建筑環(huán)境中的風(fēng)能特點

區(qū)域風(fēng)力資源和局部風(fēng)環(huán)境是建筑風(fēng)能利用的先決條件。只有在兩者同時滿足的前提下，高層建筑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)才能有效工作[1]。當(dāng)大氣邊界層中的自然風(fēng)繞過建筑物或建筑群時，將在其周圍形成包括分離、再附、漩渦脫落和尾跡在內(nèi)的復(fù)雜流場。尤其是建筑物高度和密度較大的城市，由于地面較大的粗糙度，可引起更強的湍流，其局部風(fēng)場的變化亦將明顯加強[4]。

城市環(huán)境中的來流風(fēng)由于受到建筑物的遮擋，相較于郊區(qū)和偏遠地區(qū)，具有風(fēng)速低、紊流度大等特點。但由于城市建筑空間分布的影響，局部建筑周圍也會產(chǎn)生較強勁的風(fēng)力。例如，在建筑物的夾縫或洞口部位，由于來流的截面突然變小，風(fēng)流受到類似擠壓的效果，我們稱之為“夾道效應(yīng)”，從而形成強勁的穿堂風(fēng)。風(fēng)在繞過建筑物后，會在其尾部形成渦流區(qū)，該區(qū)風(fēng)場一般很不穩(wěn)定，甚至?xí)ㄖ斐蓳p害。因此，利用建筑環(huán)境中的風(fēng)能，必須充分了解其周邊風(fēng)力分布的特點。

2 風(fēng)力機與建筑的結(jié)合形式

城市中風(fēng)力機與建筑有三種結(jié)合形式：風(fēng)機安裝在建筑物屋頂，風(fēng)機設(shè)置在兩座建筑物之間以及風(fēng)機設(shè)置在建筑物的空洞中，其他的結(jié)合方式都是根據(jù)這三種方式發(fā)展而來[5]。

2.1 建筑物屋頂風(fēng)力發(fā)電

當(dāng)來流越過建筑物時，會在建筑物的頂部產(chǎn)生越頂氣流，這會使建筑物頂部地區(qū)的風(fēng)速增大，且隨著建筑物密度和高度的增加，屋頂?shù)娘L(fēng)速變化也將明顯加強，因此高層建筑樓頂具有集風(fēng)效果。且這種形式的結(jié)合，只需要對現(xiàn)有的建筑進行改造，不必在設(shè)計的時候就考慮風(fēng)力機因素，是目前最有可能大規(guī)模采用的一種形式。

2008年11月，一座實用型生態(tài)建筑“生態(tài)大廈”在青島市嶗山區(qū)落成（圖3）。大廈使用了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等10多項新技術(shù)新工藝?！吧鷳B(tài)大廈”屋頂安裝有3臺5千瓦風(fēng)力發(fā)電機，彌補光照不足時大廈日常用電的需要。由太陽能電池陣列、風(fēng)力發(fā)電機、智能管理系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器和交流配電柜組成的“風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)”，實現(xiàn)了太陽能、風(fēng)能與建筑一體化。據(jù)統(tǒng)計，大廈每年可節(jié)電15萬千瓦時，能耗僅為傳統(tǒng)建筑的1/3，每年節(jié)省運行資金約45萬元。

2.2 建筑之間的風(fēng)力發(fā)電

當(dāng)來流流經(jīng)相鄰兩座建筑之間時，由于流道的突然變小，來流就像受到一股擠壓的作用，流速會迅速變大，這種現(xiàn)象稱之為“夾道效應(yīng)”。然而這種效應(yīng)只有在來流正對方形建筑狹道的時候，才表現(xiàn)地較為明顯。為提高風(fēng)力機的效率，可以將建筑狹道設(shè)計為正對該地主導(dǎo)風(fēng)向的方向，同時將兩座建筑建成開放式的“八”字形，以提高建筑物引導(dǎo)風(fēng)力的能力。

但由于受城市建筑群的影響，一年中大部分時間里城市中并沒有固定的主導(dǎo)風(fēng)向。為了解決“如何利用兩座建筑物為風(fēng)機引風(fēng)”這一關(guān)鍵問題，誕生了WEB工程（Wind Energy for the Built Environment）。研究表明：1）表面平滑的，斷面為“腎形”或“飛鏢形”的建筑其引風(fēng)效果最好；2）如果建筑形體設(shè)計得當(dāng)，可以將40°～50°范圍內(nèi)的氣流集中到兩座建筑物之間的風(fēng)機上[5]。根據(jù)測試結(jié)果，研究小組提出了一種建筑斷面為“飛鏢形”的風(fēng)機與建筑一體化的設(shè)計方案。

2008年竣工的巴林世貿(mào)中心真正將大型建筑與風(fēng)機一體化變?yōu)楝F(xiàn)實（圖5）。設(shè)計師在雙塔之間分別設(shè)置了3座重達75噸的跨越橋梁，3個直徑達29m的水平軸風(fēng)力發(fā)電渦輪機和與其相連的發(fā)電機被固定在這3座橋梁之上?？紤]到風(fēng)力過大時，風(fēng)機葉片會產(chǎn)生向后的彎曲變形，擊毀橋梁機構(gòu)，故橋梁采用后掠式的設(shè)計以避免這種情況發(fā)生。風(fēng)帆一樣的樓體形成兩座樓之前的海風(fēng)對流，加快了風(fēng)速。風(fēng)力渦輪預(yù)計能夠支持大廈所需用電的11%-15%。

2.3 建筑空洞的風(fēng)力發(fā)電

由于在建筑的正面和背面存在壓差，且氣流處于短暫停滯狀態(tài)，導(dǎo)致正面上的風(fēng)壓比相同高度上沒有受到阻擋處的風(fēng)壓高，當(dāng)建筑中留有空洞時，氣流會從空洞中穿過且風(fēng)速會被極大提高。

大衛(wèi)·費希爾采用全新的理念設(shè)計的旋轉(zhuǎn)摩天大樓——“動態(tài)城堡”將整個外墻面都作為受風(fēng)體，最大程度地利用高層風(fēng)能（圖6）。大樓共80層，每層可以360°旋轉(zhuǎn)，通過安裝在旋轉(zhuǎn)樓板之間的79個風(fēng)力渦輪機，大樓可實現(xiàn)自供電。由于大樓每個樓層課隨風(fēng)獨立轉(zhuǎn)動，建筑外觀時刻變化，豐富了高層建筑的表現(xiàn)力。

3 一體化難題

風(fēng)力機與高層建筑一體化創(chuàng)意如雨后春筍般茁壯成長，其以節(jié)能環(huán)保的主題越來越受到人們的關(guān)注。建筑環(huán)境風(fēng)能發(fā)電包括風(fēng)場、建筑結(jié)構(gòu)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)三大要素，涉及結(jié)構(gòu)工程、風(fēng)工程、機電工程、空氣動力學(xué)、建筑技術(shù)、環(huán)境學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域[6]。雖然國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，但由于設(shè)計理論和實踐經(jīng)驗的缺失，不可避免地存在一些尚未完全解決和必須加以重視的問題：

（1）經(jīng)濟效益：采用當(dāng)下最先進的技術(shù)，風(fēng)電成本可接近市電，但不能說明建筑風(fēng)電的效益會很高。城市建筑群中的風(fēng)環(huán)境不穩(wěn)定，風(fēng)速和風(fēng)量都不可控，風(fēng)能很難大量儲存，加上建筑的設(shè)計和相關(guān)配套系統(tǒng)的安裝成本，以及風(fēng)電并網(wǎng)存在一定的局限性，使得建筑風(fēng)電要想取得較好的經(jīng)濟效益，必須突破這些困局。此外，采用風(fēng)電和光電互補方案、低風(fēng)速下工作的風(fēng)力機也可以降低發(fā)電成本，提高建筑發(fā)電的經(jīng)濟效益。

（2）環(huán)境舒適度：風(fēng)電設(shè)備在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生的機械振動、噪音等問題會影響用戶的正常生活。雖然通過一些輔助設(shè)備可以降低振動頻率和幅度，吸收一部分的噪音，但研制低噪聲和低振動的風(fēng)力機才能滿足人們對生活環(huán)境舒適度的要求。其次，一味的追求風(fēng)能的強化和集結(jié)，會忽略人對于風(fēng)的感知和承受能力，影響居住環(huán)境的舒適度。

（3）結(jié)構(gòu)可靠性：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以減小風(fēng)作用為目標(biāo)，但風(fēng)能建筑恰恰相反，其要求盡可能大的風(fēng)速和作用面積，這對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)提出了新的要求。高速旋轉(zhuǎn)的葉片如果發(fā)生碰撞、脫落，將會造成極大的危害。需要做好相關(guān)的防護工作。機械設(shè)備在不同工況下的振動情況較為復(fù)雜，需避免引起建筑的共振。

（4）大眾審美：隨著時代的進步，建筑的作用不再僅僅是提供人類工作、生活、娛樂的場所，人們開始追求建筑的美感。如何使建筑與風(fēng)電系統(tǒng)在功能、結(jié)構(gòu)、材料、外觀上真正一體化，這對建筑師來說是一個全新的挑戰(zhàn)，也必將是綠色風(fēng)能建筑發(fā)展的方向。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電作為全球公認(rèn)的可以有效減緩氣候變化、提高能源安全、促進低碳產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟增長的技術(shù)，得到了人們的高度關(guān)注?？梢灶A(yù)見，城市風(fēng)能建筑作為風(fēng)力發(fā)電的典型代表，必將在不久的將來走進千家萬戶的生活。

【參考文獻】

[1]艾志剛.形式隨風(fēng)——高層建筑與風(fēng)力發(fā)電一體化設(shè)計策略[J].建筑學(xué)報，2009（5）：74-75.

[2]Global Wind Report 2015[R].GWEC， 2015.

[3]秦生升.風(fēng)力發(fā)電在建筑中的應(yīng)用[J].建筑節(jié)能，2010（10）：44-46.

[4]張濤，陳寶明.建筑環(huán)境中的風(fēng)能利用[D].濟南：山東建筑大學(xué)，2007.

[5]趙華，高輝，李紀(jì)偉.城市中風(fēng)力發(fā)電與建筑一體化設(shè)計[J].新建筑，2011（3）：45-48.

[6]袁飛行，張玉.建筑環(huán)境中的風(fēng)能利用研究進展[J].自然資源學(xué)報，2011，26（5）：891-898.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]