城市風能利用在綠色建筑中的運用綜述

戴靠山，唐 精，何任飛，孟家瑤，盧文勝（1.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 0009；.同濟大學 土木工程學院，上海 0009）

城市風能利用在綠色建筑中的運用綜述

Introduction on Application of City Wind Energy in Green Building

戴靠山1,2，唐 精2，何任飛2，孟家瑤2，盧文勝1,2（1.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092）

近年來，對城市風環境的研究和對城市風能的利用逐漸成為新的熱點，得到了學術界和工業界的普遍關注。為了促進城市風能的進一步利用，系統梳理了城市風環境、風電建筑一體化特別是垂直軸風力機在建筑中應用的研究現狀，并對城市風能利用的前景進行了探討和展望，以期對城市風環境和城市風能利用研究提供基礎資料。

風能；風電建筑一體化；垂直軸風力機；綠色建筑；城市風環境

進入 21 世紀以來，能源危機已經成為人類社會一個日益嚴峻的挑戰。傳統的石油、煤等化石能源不但面臨著枯竭的命運，還會帶來諸如酸雨等嚴重的環境污染。隨著可持續發展、綠色生態等概念深入人心，全球能源結構必將實現由傳統能源向新型可再生清潔能源的轉型。風能作為現階段研究技術最成熟、利用最廣泛的一種新型能源，擁有著巨大的利用前景，必將在轉型階段扮演重要角色。許多國家都已經把風力發電看作最大的能源補充途徑之一。在風力發電的先驅國家丹麥，風電產業也成為經濟中極富競爭力的一個產業[1]。我國早在 2010 年，風電裝機總量就已經占到了全球總量的 22.7%，居世界首位；而根據現有情況推測，到 21 世紀 30 年代初我國風力發電機組裝機容量甚至可能到達 3 億kW，風力發電在我國具有巨大的發展潛力[2]。

雖然風力發電的市場前景十分廣闊，但目前為止，世界范圍內對風能的利用主要還是通過集中的大型風電場來實現，發電穩定性問題一直沒有得到徹底解決，在部分地區和部分階段風電甚至被認為是“垃圾電”；此外由于歷史和自然環境的原因，人口密集的城市往往距大規模發電場比較遠，能源遠距離傳輸的損耗成為另外一個急需解決的技術問題。近年來，分布式供能(Distributed Energy System)在城市中得到了探索應用。分布式供能技術一般是指現場型、靠近負荷源、在電力公司電網外獨立進行電力生產的小型供能技術，與城市風能的自身特點十分契合[3]。它具有靠近用戶、梯級利用、能源利用率高等優點[4]。城市風能雖然集中程度不高，但是分布極為廣泛，非常適用于分布式供能。目前相關技術在國外已經有了許多值得借鑒的經驗，國內也有了初步的發展。不難想象，如果將城市風能與分布式供能進行有效的結合，不但能夠大大提高對分散能源的利用效率，降低輸配電成本，還能減弱城市中的風災害，變廢為寶，一舉多得。

1 城市風環境概述

城市高樓林立，空氣在流動過程中難免要與建筑物發生相互作用，從而在市區形成了獨特的建筑風場分布。由于地面粗糙度的提升和空間環境的復雜化，城市風能風速較低，且紊亂程度較高，表面上看可用性不高，然而研究表明，高層建筑前的渦流區和繞大樓兩側的角流區風速都要比平地風速大 30% 左右；如果兩座建筑距離太近，風受到樓與樓之間狹窄通道的擠壓會產生“夾道效應”，也能夠產生更大的強風[5]。由此可見，城市部分區域風能有一定的利用價值。但由于高層建筑周圍各種風效應之間相互作用，城市風環境十分不穩定，因此人們對其利用還處于起步階段。為了找到在城市高效利用風能的辦法，緩解能源與環境之間的矛盾，國內外許多學者都對城市風環境及市區風能利用形式等方面進行了研究。

由于風壓隨高度增加而增加，因此高層建筑顯然是城市風能利用的主力軍，對其風場的研究就顯得尤為重要。目前主流對建筑風環境進行研究的方法主要有 3 種：現場實測、計算機仿真模擬和風洞試驗。由于現場實測存在著明顯的不便，因此到目前為止，主要是在計算機仿真模擬基礎上，再結合風洞試驗數據來研究建筑周圍的風場[6]。國內外的許多學者采用上述方法，對實際的建筑或建筑群進行了研究。王遠成[7]通過研究不同外形建筑物周圍的風環境，了解到影響建筑物周圍流場分布的主要原因是它本身的幾何結構，并且建筑群之間的風場由于相互干擾會變得更加復雜；李勝英[8]采用數值模擬方法，利用軟件 Fluent 對天津市某建筑群風環境進行了數值模擬計算，具體分析了該小區建筑群周圍的空氣流動規律，以及其速度場分布等，為城市建筑群風能利用提供理論基礎；Mertens[9]利用風能數據建立了相應的數學模型，研究屋頂風場的變化特征和時空分布，進行風場的數值模擬。高樓建成后對原有風環境影響較大，會導致過去沒有的局地強風現象的出現，進而帶來一系列環境和安全問題，因而近幾十年來國外對建筑建成后原址風環境的變化及評估研究一直沒有間斷[10]。

雖然許多學者都對城市風環境進行了相關研究，但總體上，城市風能研究主要還是集中在單體建筑和簡單布局的建筑群上，對復雜、大范圍建筑群的研究還停留在起步階段；并且目前大多文獻中采用的模擬軟件在進行城市風環境模擬時，用于方程和網格的精細度有余，但模型的準確度有限，造成風環境模擬的精確度下降[11]?，F場實測是反映風環境最真實的手段，既不存在計算精度問題，也沒有風洞試驗的縮尺問題。在城市中適當布局一些測點，對城市環境下的風場進行監測，是了解城市復雜風場的有效手段，可以為今后的工程實例提供更多更準確的有益借鑒。要將對城市風環境的研究轉化為成功的城市風能利用形式，除了以上風能利用方法的開發與優化，民眾的認可度等社會學因素也不容忽視。

2 風電建筑一體化相關研究

風電建筑一體化包括風場、建筑結構和風力發電系統 3 大要素。只有這三者協同工作，才能保證建筑環境風能的有效利用[12]。對城市風環境的研究只是第一個步驟。1998 年，歐盟開展了 WEB (WIND ENERGY FOR THE BUILDING)項目，將風力機與城市位置和建筑形式綜合考慮，提出了風力機類型的選擇必須與建筑美學和空氣動力學相結合的觀點[13]。綜合國內外的研究狀況，建筑風能的利用共有 4 種形式：建筑頂部風能利用、建筑間或建筑群巷道風能利用、建筑風道風能利用，以及旋轉建筑風能利用[14]。根據實際情況找到合適的位置來安裝風力機，正是高效利用城市風能的關鍵所在。對于已有建筑，可以根據合適的利用形式直接尋找風場內的適宜位置，或者增加一些輔助措施來改進風能利用的情況。如楊蓉[15]運用 CFD 進行數值模擬分析，發現架空層的合理設置對增大屋頂風速有顯著效果。對于規劃設計中的建筑，則可以對建筑和風力機進行風電建筑一體化設計。一體化設計從一開始就要在建筑平面設計、剖面設計、結構選擇以及建筑材料的使用方面融人新能源利用技術的理念，進一步確定建筑能量的獲取方式和建筑能量流線的概念，再結合經濟、造價以及其他生態因素的分析，最終得到一個綜合多個生態因素的最優化建筑設計[16]。

針對城市建筑，國內外學者提出了多種能加強風能利用效率的建筑模型，其中 Mertens[17]根據建筑中風力機的安裝位置提出的 3 種基本模型具有很好的代表性，分別是：擴散體型、平板型、非流線體型，分別對應建筑間的風道、孔洞和頂部的風能利用；在此基礎上，Abe 等[18]通過對一種擴散體型建筑的風場特性進行數值模擬，得到了這種建筑形式風能聚集的最佳地點。國內也有學者開展了有關方面的研究，苑安民等[19]通過對高層建筑群的“風能增大效應”及相關的計算方法的介紹，為提高風能利用效率的建筑設計和改造提供了有益的借鑒。由此可見，只有結合建筑特點對風力機和建筑進行恰當的風電一體化設計，才能在不影響建筑自身情況下保障風能的高效利用。

在國內外，對建筑進行風電建筑一體化設計已有許多良好的范例：上海中心作為中國首座同時獲得“綠色三星”設計標識認證與美國綠色建筑委員會頒發的 LEED 白金級認證的超高層建筑，在屋頂的外幕墻上，就有與大廈頂端外幕墻整合在一起的 270 臺 500 W 的風力發電機，每年可以產生 118.9 萬 kWh 的綠色電力[20](圖 1)[21]；龍卷風造型般的迪拜旋轉大廈每層旋轉樓板之間都安裝了風力渦輪機，一座80 層的大樓將擁有 79 臺風力渦輪機，這讓大樓成為一座綠色的發電廠；由于大廈每個樓層可隨風獨立轉動，建筑外觀時刻變化，豐富了高層建筑的表現力[23]；除了大型建筑上的風力機，還有諸如旋轉公寓等新概念的建筑出現，風力發電與建筑的一體化進程前景十分廣闊。

圖 1 上海中心大廈

風電一體化雖然取得了許多令人矚目的成就，但是也帶來一些新的問題。目前來看，單純將建筑和風能二者簡單拼接在一起已經遠遠不能滿足現代社會對于風能利用的需求。風能利用效率自然是重要的考慮因素，但是城市環境復雜，人口密集，風電一體化進程中對安全性的考量也是必要且必須的。目前普遍認同的 4 個可能安全問題為：風機失效或附屬設備失效導致坍塌、與人安全距離不足、葉片脫落、覆冰的形成和脫落等[25]。必須采取措施避免以上問題，并進行相應的風險評估與分析。同時，發電機運行過程中帶來的噪聲和振動問題可能會對居民生活和建筑產生不良影響，其他環境問題還可能包括視覺閃爍，廣播、電視干擾，飛機安全，鳥類生活等。然而目前對一體化研究的主要目標還是提高風能利用率，其他部分涉及較少。

3 垂直軸風力機在建筑中應用

風力發電機按照其葉片旋轉軸與吹入風力機風向的角度可以分為水平軸風力機和垂直軸風力機。其中，水平軸風力機是國內外研制最多、最常見、技術最成熟的一種風力機[26]。除了在大型建筑上的應用，適合普通居民使用的小型風力機也有了一定的應用實踐(圖 2)[28]。然而水平軸風力發電機應用也有一定的局限，Tjiu等具體介紹了現階段水平軸風力發電機所遇到的技術瓶頸。雖在目前水平軸風機在城市環境中有相當范圍的應用，但在風電建筑一體化進程中垂直軸風機的應用總體趨勢上越來越多。

圖 2 小型水平軸風機在城市中的應用

按照風力機葉片的工作原理，垂直軸風力機可分為兩個主要類型：一類是利用空氣動力的阻力做功，典型的結構是S 型風輪，其優點是起動轉矩較大，缺點是轉速低，風能利用系數也低于高速型的其他垂直軸風力機[32]；另一類是利用翼型的升力做功，最典型的是達里厄型風力機，以 H 型和Ф型風輪為典型。H 型風輪結構簡單，且具有無噪聲的特點[33]，接點處彎曲應力較大，支撐產生的氣動阻力還會降低發電效率；Ф 型風輪采用的彎葉片所承受的張力比彎曲應力要強，所以對于相同的總強度，Ф 型葉片比較輕，且比直葉片可以以更高的速度運行[34]，升力型風力機的風能利用率明顯高于阻力型風力機，且不會產生側向推力[35]。垂直軸風力發電機在測風向時不需要安裝偏航裝置，且擁有良好的空氣動力學性能、結構簡單及造價便宜，具有很好的可開發實用價值和應用前景[36]。

城市復雜的建筑環境使得風場不可能像空曠平坦地區一樣集中，就垂直軸風力機各方面綜合而言，更適宜在城市環境中的應用[37]。目前，許多學者對于垂直軸風力機在城市環境下的應用開展研究和嘗試(圖 9～圖 12)。有研究提出不同的新機型(圖 12)[30]；也有運用 CFD 數值模擬方法，模擬小型垂直軸風力機的旋轉過程，探究建筑環境中中小型垂直軸風力機對風場的影響[39]。如尹秀偉[40]提出垂直軸風力機風輪尺寸大小應結合建筑物體量確定；Bahaj 等[41]發展了一種新的建模工具，評估微型風機在住宅中應用的適用性和經濟可行性。

4 城市風能利用前景展望

根據 2010 年 10 月 GWEC 和綠色和平國際組織(Greenpeace)預測，風力發電將在未來 20 年內成為世界的主力電源，可供應全世界 22% 的電力需求。同時，據資料統計，我國可加以利用的低空(即 10 m 以內)風能資源相當豐富，如果風力資源開發率達到 60%，僅風能發電一項就可支撐我國目前的全部電力需求[42]。目前，我國小型風力發電機技術已逐漸成熟，風電市場逐漸穩定，風電開發增速不斷加快。事實上，除去特殊情況，大型的風電機組在某種意義上都可以用小型機組進行替換。因此在未來的風能利用上，我國除了建立百萬千瓦級超大型風電基地，進行大規模風電開發的同時，也可以考慮小型風電場的發展，注重結合當地的實際條件，因地制宜地促進風電行業發展[43]。

隨著城市化進程不斷加快，城市對能源的多方面需求導致城市風能的利用備受矚目。風力機結合建筑的形式已經開始以小型的風力機走進城市公共建筑屋頂、居民住宅。在英國，架設于私人住宅屋頂的迎風轉動葉片的微型風力機已然成為一種新興景觀。家庭安裝風力發電設備，不但可提供生活用電，節約開支，還有利于環境保護。這對于推動我國能源轉型和提高能源效率有著積極的借鑒意義。

但是由于風能自身有著較大的局限性，其間歇性和隨機性特點致使這種新能源無法廣泛應用，也無法提供大量的電能。為提高風力發電的靈活性，將垂直軸風力機發電機組與其他發電方式組成互補系統，或與儲能裝置聯合應用已經成為小型風能利用的趨勢，尤其是風能-太陽能組合。該系統很好地利用了風-光可再生資源在季節、天氣、地域上的互補性，可拓展風能和太陽能經濟利用的范圍。這種互補的發電機組給別墅、分戶供暖等用戶的生活帶來極大的方便。雖然風光一體發電機仍有功率較低的缺陷，但從實用性、可靠性、經濟性方面進行分析，已可基本滿足家用及路燈光源的供電和戶外使用強度，實現風-光發電真正一體化。分布式供能充分開發利用各種分散能源，發電方式靈活，初期建設投資低，臨近用電負荷終端，在全球范圍內越來越受到重視。此形式可為商業區和居民供電，亦可作為本地電源節省輸變電的建設成本和投資、改善能源結構、促進電力能源可持續發展?？梢灶A測，將風能等可再生能源分布在用戶終端，并通過信息技術優化用電需求，最大限度地保證用戶能源供應的高效、經濟和清潔，將是今后能源發展的方向[48]。

城市風能利用潛力巨大，但目前國際普遍認為這個行業仍面臨重大挑戰，也缺乏標準以確保小型風機滿足安全安裝、操作或安裝后產生預期的輸出產量等要求。深入分析我國小風機市場發展瓶頸，除了政策機制等制約條件，風能轉化效率、年發電量、安全可靠性、并網能力及并網對電力系統安全穩定的影響等也是重要因素。但是相信隨著技術的發展和政策的支持，城市風能的利用一定會向著更加規范高效的明天發展。

作為上海地區風光儲可再生能源綜合利用的示范工程，在同濟大學彰武路校區某學生宿舍樓頂利用 2 臺垂直軸風機集風、傾角式和壁掛式太陽能板集熱，兩者協同發電，通過貯水箱中水蓄熱，產生的熱水供樓中學生日常使用(圖3)，項目的建設和運行積累了寶貴的經驗。

圖 3 同濟大學彰武路校區“風光儲一體化”系統

5 結 語

風能是現階段研究技術最成熟、利用最廣泛的一種新型能源，擁有著巨大的利用前景。隨著城市的發展和城市住宅建筑的建設，采用風電建筑一體化等適當方法，利用城市特有的風環境進行高效的風力發電，已經成為國內外研究的熱點。垂直軸風力機由于具有安裝、維修方便等諸多優勢，因而在風電建筑一體化中得到了越來越廣泛的應用。隨著風能與風力發電相關研究的進一步深入，城市風能利用得到逐步的發展，但同時這個行業也面臨包括公眾認可度和技術可靠度等方面的巨大挑戰。利用政策激勵和技術創新，可以進一步推動城市風能利用，促進綠色建筑可持續發展。

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TU50

A

1674-814X(2017)03-0044-05

上海科技支撐計劃(13dz1203402)

2017-02-20

戴靠山，博士，副教授，主要從事能源基礎設施防災研究，現供職于同濟大學。

作者通信地址：上海市楊浦區四平路1239號同濟大學，郵編：200092 。