風力機與高層建筑一體化初探

寧磊　張偉

【摘 要】本文探討城市風能建筑的可行性，結合國內外相關案例，簡述建筑環(huán)境中的風能特點，風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，為建筑師設計提供參考。

【關鍵詞】清潔能源；風力機；高層建筑；一體化

0 引言

地球表面風能儲量巨大，理論上1%的風能就能滿足人類能源的全部需求[1]。20世紀70年代以來，隨著能源危機和環(huán)境污染的日益嚴重，風力發(fā)電逐漸開始了商業(yè)應用[1]。根據(jù)全球風能理事會《全球風電裝機統(tǒng)計（2015）》[2]，2015年全球風電產(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。

目前我國大型風電場和小型風電場并存。大型風電場主要分布為內陸和海上風電場，一般并網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行的內陸風電場的發(fā)電成本約為火電的2倍，而海上風電場的發(fā)電成本約為火電的3～4倍[3]，由于大型的風電場成本太高，人們開始將目光聚焦在小型風電場上。小型風電場大都建在電力供應不發(fā)達的偏遠地區(qū)。目前，小型風力發(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，建筑物周圍的風能資源豐富、質量高，發(fā)展前景非常可觀。

1 建筑環(huán)境中的風能特點

區(qū)域風力資源和局部風環(huán)境是建筑風能利用的先決條件。只有在兩者同時滿足的前提下，高層建筑風力發(fā)電系統(tǒng)才能有效工作[1]。當大氣邊界層中的自然風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的復雜流場。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，其局部風場的變化亦將明顯加強[4]。

城市環(huán)境中的來流風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，風流受到類似擠壓的效果，我們稱之為“夾道效應”，從而形成強勁的穿堂風。風在繞過建筑物后，會在其尾部形成渦流區(qū)，該區(qū)風場一般很不穩(wěn)定，甚至會對建筑造成損害。因此，利用建筑環(huán)境中的風能，必須充分了解其周邊風力分布的特點。

2 風力機與建筑的結合形式

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

2.1 建筑物屋頂風力發(fā)電

當來流越過建筑物時，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)的風速增大，且隨著建筑物密度和高度的增加，屋頂?shù)娘L速變化也將明顯加強，因此高層建筑樓頂具有集風效果。且這種形式的結合，只需要對現(xiàn)有的建筑進行改造，不必在設計的時候就考慮風力機因素，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、風力發(fā)電等10多項新技術新工藝。“生態(tài)大廈”屋頂安裝有3臺5千瓦風力發(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“風光互補發(fā)電系統(tǒng)”，實現(xiàn)了太陽能、風能與建筑一體化。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 建筑之間的風力發(fā)電

當來流流經(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”。然而這種效應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。為提高風力機的效率，可以將建筑狹道設計為正對該地主導風向的方向，同時將兩座建筑建成開放式的“八”字形，以提高建筑物引導風力的能力。

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風向。為了解決“如何利用兩座建筑物為風機引風”這一關鍵問題，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”的建筑其引風效果最好；2）如果建筑形體設計得當，可以將40°～50°范圍內的氣流集中到兩座建筑物之間的風機上[5]。根據(jù)測試結果，研究小組提出了一種建筑斷面為“飛鏢形”的風機與建筑一體化的設計方案。

2008年竣工的巴林世貿中心真正將大型建筑與風機一體化變?yōu)楝F(xiàn)實（圖5）。設計師在雙塔之間分別設置了3座重達75噸的跨越橋梁，3個直徑達29m的水平軸風力發(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。考慮到風力過大時，風機葉片會產(chǎn)生向后的彎曲變形，擊毀橋梁機構，故橋梁采用后掠式的設計以避免這種情況發(fā)生。風帆一樣的樓體形成兩座樓之前的海風對流，加快了風速。風力渦輪預計能夠支持大廈所需用電的11%-15%。

2.3 建筑空洞的風力發(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)，導致正面上的風壓比相同高度上沒有受到阻擋處的風壓高，當建筑中留有空洞時，氣流會從空洞中穿過且風速會被極大提高。

大衛(wèi)·費希爾采用全新的理念設計的旋轉摩天大樓——“動態(tài)城堡”將整個外墻面都作為受風體，最大程度地利用高層風能（圖6）。大樓共80層，每層可以360°旋轉，通過安裝在旋轉樓板之間的79個風力渦輪機，大樓可實現(xiàn)自供電。由于大樓每個樓層課隨風獨立轉動，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注。建筑環(huán)境風能發(fā)電包括風場、建筑結構和風力發(fā)電系統(tǒng)三大要素，涉及結構工程、風工程、機電工程、空氣動力學、建筑技術、環(huán)境學等多個學科領域[6]。雖然國內外學者做了很多研究，但由于設計理論和實踐經(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：采用當下最先進的技術，風電成本可接近市電，但不能說明建筑風電的效益會很高。城市建筑群中的風環(huán)境不穩(wěn)定，風速和風量都不可控，風能很難大量儲存，加上建筑的設計和相關配套系統(tǒng)的安裝成本，以及風電并網(wǎng)存在一定的局限性，使得建筑風電要想取得較好的經(jīng)濟效益，必須突破這些困局。此外，采用風電和光電互補方案、低風速下工作的風力機也可以降低發(fā)電成本，提高建筑發(fā)電的經(jīng)濟效益。

（2）環(huán)境舒適度：風電設備在運轉時會產(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，一味的追求風能的強化和集結，會忽略人對于風的感知和承受能力，影響居住環(huán)境的舒適度。

（3）結構可靠性：傳統(tǒng)的結構設計以減小風作用為目標，但風能建筑恰恰相反，其要求盡可能大的風速和作用面積，這對結構抗風提出了新的要求。高速旋轉的葉片如果發(fā)生碰撞、脫落，將會造成極大的危害。需要做好相關的防護工作。機械設備在不同工況下的振動情況較為復雜，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。如何使建筑與風電系統(tǒng)在功能、結構、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)，也必將是綠色風能建筑發(fā)展的方向。

4 結語

風力發(fā)電作為全球公認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，得到了人們的高度關注。可以預見，城市風能建筑作為風力發(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——高層建筑與風力發(fā)電一體化設計策略[J].建筑學報，2009（5）：74-75.

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

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

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

[5]趙華，高輝，李紀偉.城市中風力發(fā)電與建筑一體化設計[J].新建筑，2011（3）：45-48.

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

[責任編輯：楊玉潔]