探究建筑表皮與風能利用融合的技術策略★

孫曉銘 史 南

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

探究建筑表皮與風能利用融合的技術策略★

孫曉銘1史 南2

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

全面總結了現代建筑表皮的設計存在的主要問題，系統論述了建筑表皮設計與風能利用融合的技術策略，提出風能利用與建筑表皮融合技術發展方向，研究結果為建筑節能的可持續發展提供重要的理論參考。

建筑表皮，風能利用，技術策略

0 引言

伴隨國民經濟的快速發展，風能作為綠色的新能源得到了長足的發展，作為一種高效節能的新能源，風能利用有著重要的意義。隨著人類社會不斷發展，在城市中，越來越多的建筑表皮設計中考慮到風能的利用，高層的出現，使城市建筑利用風能成為了可能，所得的風能將直接用于建筑本身和整個小區，這種方式是將風能的利用和建筑設計有機的結合在一起，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境得到改善。因此，風能的應用以及風能與建筑表皮的結合發展也成為建筑行業的研究課題。將建筑表皮與風能融合在一起，為建筑節能設計奠定了基礎，創造了有利條件。但是從我國現行的建筑節能設計標準上來看，不管是從公共建筑還是居住建筑的節能設計一般是通過控制建筑外圍結構的傳熱系數、建筑物的體型系數等方式達到節能降耗的目的。由于各地氣候的不同，建筑節能技術具有很強的地域差異，風能的利用程度與方式不盡相同。因此針對不同的風力條件，應選擇相適應的節能技術措施，結合建筑物所處的地理條件，利用風能等可再生能源，使建筑能有效地利用并改善我們的生存環境。

1 建筑環境中風環境的特性研究

當前城市規模的日益增大，越來越高的建筑出現在人們的生活中，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環境影響很大，往往會發生群樓效應，會對人們的生活帶來眾多不利的影響。因此在城市規劃和建筑設計時必須充分考慮其影響，避免不必要的麻煩產生。針對已經存在的對人們生活不利的風環境，要采取一系列措施，例如防風隔斷等等，同時考慮如何利用在高層建筑中存在的風環境，能在城市減少能源消耗方面提供新的途徑。

1.1 城市建筑風環境的特點

城市風環境存在各種風效應，受高樓阻擋的原因，造成風速加大，尤其在高層建筑與低層建筑相鄰時出現來流風正交現象，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。而分流風使來流受建筑的阻擋，此時使得風發生分離并伴隨著流速的收斂的自由流動區域，在建筑物兩側風速明顯增大。最易發生的是建筑穿堂風效應，即在建筑群開口位置通過的風流。主要是由于建筑物的迎面風和背面風的壓力差造成的，使得風速變大。在實際情況中，由于風向、風速的不同以及各種風效應的相互影響，城市建筑中的風環境非常復雜，具有不穩性的特點，在城市建筑群中，可以研究阻塞效應和屏蔽效應，建筑物受迎面風產生的滯止效應和受背面風產生的回流效應。

1.2 城市建筑風環境研究方法

針對城市建筑風環境的各種效應特點，要想達到風能利用的目的需要具備風環境的研究方法。風環境中最直接的方法就是現場觀測，但是有一定的不足之處，就是無法在建筑物建造前進行觀測，造成無法為建筑物的設計提供可靠的參數，并且現場實測費時費力，在目前情況下，現場實測無法發揮其真正的作用。針對現場實測的不足，實驗將會改變當前的現狀，風洞試驗，通過制作實際建筑的模型在風洞中進行，利用科技技術產生于實際建筑物周圍的風場，然后得出相應的參數，為建筑物的設計提供參考。

2 建筑表皮與風能利用融合技術策略與發展方向

2.1 建筑表皮設計中風能利用設計要素

建筑表皮與風能利用的融合，涉及到技術要素：對建筑物的負載、用電量進行估算，進而確定風能收集系統安裝所需的安裝容量大小；另外還需要綜合建筑物當地的氣候條件，結合建筑表皮的外觀要求及建筑節能方案的特征，來確定風能利用的相關軟硬件的安裝條件、環境、方位的設置和儀器的型號以及外觀的設計，并保證風能利用系統的轉換效率；相關組件的選擇和儀器數量的設計、相鄰間距的設計、方位的設計、相關組件之間的連接方式設計以及采集器安裝節點的設計等等；為便于其安裝和維護，確保安裝部位承受的載荷滿足規范要求，在特殊情況下能夠正常使用，保證相關組件的順利安裝，并且不會對建筑形成不利影響避免次生危害；最后針對系統運行過程中的檢測、評估以及反饋信息優化等設計。在美學設計要素中，需要考慮到風能利用系統相關構件的幾何形態與建筑表皮設計之間的系統關系，相關構件的幾何形態應該與建筑物的整體形象和其功能的需求，探究相關構件與建筑整體比例以及尺度的協調性，進而能夠滿足協調統一以及建筑表皮設計與風能利用相互融合的對比關系和效果；重要的是如何設計相關構件自身的形態，風能相關構件與建筑的整體色彩、機理以及構造特點和相關組件的不同排列方式、組合特征，完成了不同功能、需求的設計；風能利用構件對建筑功能也將會產生影響，建筑表皮是風能容易收集的部位，也是室內通風性能較好的區域，因此在風能設備的安裝的過程中，應綜合考慮室內的通風需求以及建筑承受能力的影響。在風能設備安裝、使用過程中，其將會產生不同程度的噪聲污染，對居民的日常生活造成了影響，雖然在建筑節能設計方面，風能有著得天獨厚的優勢，但是，作為新型的能源，建筑表皮設計與風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展，改善人們的生活環境及提高生活品質。

2.2 城市建筑表皮與風能利用融合研究

探究城市建筑表皮與風能利用融合的發展方向。

1)建筑表皮與風能利用的材料創新。

城市建筑物表皮的材料不斷創新是建筑節能設計最有效、最直接的方式。隨著建材料行業的不斷發展，在建筑表皮設計當中，各種相關材料層出不窮，例如氣凝膠涂材料、光電感應材料等等，建筑表皮設計和風能利用的技術發展，為風能與建筑表皮的融合和利用奠定了有力的基礎。風能利用與建筑表皮融合的材料創新一般使用雙層建筑外表皮的圍護結構層，通過相應的調整使得最外層能夠保證建筑室內的空間獲得正常的通風以及采光條件，進而提高室內居住的空間舒適度，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能利用之間的矛盾。雖然建筑表皮雙層結構具有較好的效果，但是從其建筑用材上看不十分環保，性價比較低。風能利用與建筑表皮的融合技術的發展，風能發電設備的不斷創新為風能與建筑表皮結合和應用提供了有利條件，可以選擇在屋頂、建筑外墻等位置進行兩者的結合。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施以保證風能利用設備具備有力的支撐。建筑外墻具有得天獨厚的優勢，其結構形式和承載能力，在設備支撐方面無疑是最合適的位置，但是，在外墻上安裝技術要求相對較高，要保證設備的正常使用，同時也要確保人們在安全方面不受其影響。

2)室內通風及采光的利用。

由于城市能源消耗較大，空氣指數隨著急劇下降。為改善生活環境，在建筑節能設計中必須要考慮到此類問題。具體來說，室內的通風和采光不能因為風能利用而受到影響。建筑物內外相互連通，在建筑設計中，應保證室內的自然通風，同時也要考慮到讓室內最大程度上受到太陽的照射，這也是建筑設計中最人性化的一面，這樣不僅僅保證了環境同時也節約了能源。充足的陽光照射和室內自然通風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)城市環境綠化。

在建筑節能設計中，要考慮到城市的環境綠化，設計因素中要引入綠化植物的概念，同時也要考慮人文、生態等因素。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，在建筑設計中，可以將綠化植物設計到屋頂上，類似于空中花園，但是前提是不能違反建筑設計規范，不能增加過大的荷載，這樣能使各種綠色環保植物出現在人們的生活中，這些植物通過蒸發，降低建筑的外層溫度，這也是降低能耗的方式，在風能利用設備周圍，布置綠化植物，使得風力發電設備不單調，更具有大自然的氣息。這樣既充分利用了風能，還能綠化環境，節能減排。我國人口數量龐大，能源消耗隨之劇增，為長久發展，需要尋找新的建筑設計方式，向著低碳經濟的方向發展，建筑表皮與風能利用的融合也體現了人類與大自然的和諧共處的需求，綠色環保的節能設計將是建筑行業未來發展的主要趨勢。

3 結論與建議

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

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[4] 楊 蓉.高層建筑屋頂風能利用研究[D].泉州：華僑大學,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務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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