風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究

曹茂慶，馬 龍，黃家棟，曹文瑞，卞洪濱

(1.黑龍江建筑職業技術學院，哈爾濱 150025；2.東北石油大學 建筑系，黑龍江 大慶 163318；3.天津大學 建筑與城市規劃學院，天津 300072)

0 引言

隨著城市快速發展，大力發展綠色建筑日益受到社會各界的高度重視，政府相繼出臺了一系列措施，努力將建筑業的發展從傳統高能耗向高效綠色的發展模式轉變。可再生能源的規劃設計與利用是綠色建筑的核心。風能作為一種清潔、可再生、蘊藏大、分布廣、成本低的高效可再生能源受到廣泛重視。根據全球新能源網發布的《我國風能資源分布狀況和我國風能資源開發條件》統計，我國可利用的10m以下低空風能資源非常豐富，如果空中風力資源全部開發，利用率達到 60%，僅風力發電一項就可以滿足我國當前全部城市居民用電需求。在我國寒冷地區高層住宅建造工程中，有效引導風、接納風、提高風速、合理選用發電設備、利用風能發電等途徑，提高風能利用率的設計研究方興未艾。我國寒區高層住宅由于地域環境制約，冬季長達半年時間，百姓呼喚空中交流花園平臺，套型設計品質有待提升。通過寒區高層住宅套型設計、空中共享花園設計、建筑外表皮設計和風能利用設備有序布置等技術措施，將有利于實現風能利用的寒區高層住宅設計與風能利用的設備布置設計一體化。相信在國家產業政策的引領推動下，風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究及應用必將前景廣闊。

1 風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究現狀

1.1 風能技術在建筑領域應用現狀

風能是一種可再生的清潔能源，風能技術應用歷史悠久，早期勤勞智慧的人們通過在建筑頂部搭建捕風塔，運用自然通風的原理有效通風，實現室內外空氣交換，改善室內空氣質量和空氣環境，提高人們生活舒適標準[1]。 20世紀風力渦輪機的出現，使人們主動利用風能為人類造福成為可能；20 世紀 70 年代，能源危機爆發，風能日益被人們所重視[2]；進入 20 世紀 90 年代，綠色建筑技術的迅猛發展，風能利用技術日益成熟。加拿大多倫多國家展覽館采用100萬kW·h風力電機發電，為建筑日常運營提供綠色電能；日本研究生產出低風速小型風力電機，電機風車高度為3～5m，電機葉片直徑2～4m，能讓樹葉搖動的低風速2m/s，即可實現電機發電工作，目前正推廣應用于門市店鋪、寫字樓和公寓等類型建筑中[3]。我國的上海大廈采用在建筑頂層幕墻開設空洞安裝風力發電機的方式，利用風能發電，在幕墻空洞處安裝45臺3kW垂直軸式風力發電機，每臺風力發電機風車高度3.6m，葉片直徑3m，風速4m/s，風力發電機即會工作，風力發電機設有限速保護裝置，額定風速12～14m/s，使其輸出功率保持較穩定。風力發電機每年為大廈提供157,500kW·h的綠色電力[4]。根據2010年10月綠色和平國際組織的預測，未來20年內，風力發電將成為世界的主力電源，能夠滿足全世界22%的電力需求[5]。

1.2 風能利用的寒區住宅套型設計研究現狀

風能利用的寒區住宅套型設計研究在我國處于探索階段，低風速能量收集方式、風能收集設備布置、發電設備與高層住宅套型設計一體化設計等方面的研究為數寥寥。當前，我國民用小型風力發電機技術已漸成熟，風電民用技術開發不斷加快，應用逐漸普及；從目前寒區城市建設現狀、風能利用技術水平、人們對風能的認知程度來看，風力發電有效利用于城市建設中已具備條件；風能利用的寒區高層花園住宅套型節能設計研究有著廣闊前景。隨著研究不斷深入，研究成果不斷推廣應用，風能利用的寒區高層花園住宅套型設計必將在寒區建筑市場上占有一席之地。

2 風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究路徑

目前，城市建設高樓林立，寒區風速較低，建筑規劃對風環境考慮不足，綠化對風的引導不足，使得低空風速衰減很大[2]。風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究路徑應遵循：

首先，如何有效利用低速風發電，是風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究面臨的最主要問題。

其次，研究寒區建筑所在具體區域的風力資源，通過建筑總平面位置的各構成元素的合理布置來引導風、收集風；研究運用風的聚集效應、風壓效應、狹管效應理論，布設風口風管提高風速，有效實現能量轉化。

再次，在建筑設計中構建空中花園平臺，有機植入機電設備、能量存儲轉化設備等風力發電設施設備。

最后，研究風力發電設施設備與建筑一體化設計[3]，使風能利用的高層住宅套型設計具有實用性、藝術性、人情化。

3 風能利用的理論依據

3.1 風能轉化為電能的理論依據

風能轉化為電能的核心原理是運用風力發電機，將風的動能轉化為機械能，最終機械能轉化成電能。風電機組輸出功率主要取決于風力電機輪轂輸出的合理風速。其基本關系式[4]如下：

Pwt,0為風機的額定功率；vci為風機的切入風速，即風機開始并網發電的最低風速；vco為風機的切出風速，即風機達到結構或系統安全發電上限的最高風速；vr為額定風速；v為實際風速。綜上，通過上述(1)(2)(3)公式可知：

當實際風速小于等于切入風速(v≤vci)或大于等于切出風速(v≥vco)時，風機停止運轉，電能轉化率為0；當實際風速大于切入風速小于電機額定風速(vci

3.2 提高風速的理論依據

風速是制約風能轉化為電能的重要因素，為大規模實現風力發電，風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究必須在提高風速上有所突破，提高低風速的利用率，保持風能利用發電的穩定性和持續性。

3.2.1 設置狹管提高風速

“狹管效應”。在自然環境下建立一個理想的狹管葉輪，風輪進口風速為v1，流經出口處葉輪后的風速為v2。進口風速流經葉片時的掃掠面積為s1，葉片中平面的掃掠面積為s2,風速流經葉片后的掃掠面積為s。風速產生的機械能即為風在葉輪上做的功轉化而來，按流量計算公式[6]有：

s1v1=sv=s2v2——(5)

即風管面積與流經風速成反比關系。如面積縮小1/n則風速提高n倍。

3.2.2 高層住宅樓單元內設置豎向風壓風道提高風速

豎向風壓效應。在風管管徑不變的情況下，影響管道內風速的因素主要取決于壓力的大小，壓力越大風速越快，風壓越強[7]。當垂直送風時，根據伯努利原理，有如下高差與風速關系式：

公式中pi為風管入口風壓，po為風管出口風壓，ρ為空氣密度，g為重力加速度值，vi為入口空氣速度，v0為出口空氣速度，h2為入口高度，h1為出口高度。

在理想情況下，空氣密度在低空處變化量忽略不計，壓力反向增加，則可進一步得出如下高差與風速關系式：

3.2.3 風集聚效應

目前，城市開發建設中以高層住宅群居多，對于等高的兩排高層住宅而言，高層建筑間距控制在南向建筑高度的3倍距離，對后排建筑而言，建筑通風和風聚集效應較好[1]。間距超過3倍距離集聚效應會減弱。在建筑全高的1/2～4/5范圍內風能集聚效應明顯，其中在建筑高度 3/4處達最佳。當主風面兩排高層住宅高差較大，后排建筑較高時，對后排高層住宅而言，建筑上部較為開敞，風能集聚效應隨著建筑高差的增大會逐漸減弱，其中后排高層住宅風速最大部位位于前排建筑5/6高度處[8-9]。高層建筑群的風能集聚效應，有利于在建筑風集聚部位安裝風口，在完成高層住宅套型基本布局之后，結合風聚集效應原理，運用“建筑通風(VENT)”建筑性能化分析軟件，結合當地風環境，分析出建筑外表皮風聚集部位，在建筑外表皮布設風管，使風導入風管，進行風的有效收集和風能利用。

4 風能利用的寒區高層花園住宅套型設計的技術措施

綠色建筑是當今世界建筑發展的必然趨勢，風能利用的寒區高層花園住宅套型設計是現代建筑與能源利用的一體化設計的方法之一[10]。一體化設計過程中，涉及到建筑總平面布置、綠化配套設施、建筑套型功能布置以及與發電設施、空間環境設施的科學統籌設計，建筑外表皮、建筑頂部造型與風能利用設施一體化設計等相關具體技術問題，通過將建筑技術與風能利用技術措施相結合，實施一體化的設計，助力全面推動城市綠色建筑綜合發展[9]。

4.1 合理布置建筑總平面位置

寒區高層住宅風能利用與建筑總平面布置朝向密切相關，總平面中各建筑布置應有利于風能利用的高層住宅獲得風，建筑應交錯布置，建筑間應保持合理的間距，建筑間距應大于前排建筑高度的3倍[1]。風能利用的高層住宅的朝向應朝向當地的主導風向，取風口應考慮設置在風聚集部位，以利于風收集，風聚集部位可以通過建筑通風(VENT)、建筑性能化分析得到。利用風聚集效應和風壓效應、狹管效應，使風管設置實現與住宅套型設計一體化，從而提高風能的利用率，使風能發電常態化，保障業主連續使用。

4.2 合理設置總平面綠化

寒區高層住宅的總平面綠化布置應有利于高層住宅獲得風，運用喬木、灌木、綠籬等綠化的合理布置有效引導風[1]。形成綠化樹木擋墻，改變風的流向、風流高度，利用綠化、道路布置形成通風走廊，以利于建筑外表皮有效接納風。

4.3 合理設計風能利用的寒區高層住宅套型平面布局

住宅平面設計應以住宅平面單元套型為基礎[11]，高層住宅平面單元套型設計亦應遵循這一原則。寒區高層住宅套型外墻圍護結構要有合理的節能保溫措施；合理設置樓梯、電梯、前室、管井、疏散走廊、風能利用豎向風管等空間構成的交通體；入戶設置御寒過廳；套型平面宜南北布置設計，以利于建筑日照；合理布置住宅平面套型的起居廳、臥室、廚房、衛生間等各功能空間[11]。受新冠肺炎疫情影響，在風能利用的高層住宅套型設計時，不得不考慮相關的預防和隔離問題，套型設計要實現南北良好通風；將電梯廳設計成兩個，當疫情突發時，通過電梯廳、樓梯間的有效封閉隔離實現潔污有效分離，南側電梯廳為潔凈區，北向樓電梯廳為污染區，兩部電梯潔污分離；入戶通道設兩處，潔污分離；在南向電梯廳結合豎向風管構建鄰里交流空間，設置潔凈第二入戶通道；在北向樓電梯廳入口處專設疫情防控通道，設置消殺區和隔離間；在套型平面布局時，結合餐廚分離的設計，將餐廳功能定位擴大為第二起居廳，使家庭成員起居與外來人員到訪會客有效分離，第二起居廳布置在套型平面布局單元分隔墻端部，結合空中花園平臺有效布置。寒區冬季漫長且寒冷，業主缺少交流活動適宜場所，在高層住宅套型單元間應植入風能收集利用的水平聚風風道，努力構建共享花園平臺，使高層住宅套型平面布局與時俱進，實現綠色建筑“以人為本”的核心目標，以滿足當前人們日益增長的生活需求(如圖1、圖2、圖3所示)。

圖1 自繪狹管層住宅單元套型平面組合圖

圖2 自繪空中花園層住宅單元套型平面組合圖

圖3 自繪屋面花園平面圖

4.4 建筑外表皮設置取風口

風在高層住宅建筑外表皮的聚集效應給建筑表皮設置風能收集利用風口帶來有力支撐，通過風聚集理論研究和建筑通風(VENT)、建筑性能化分析，尋找出高層住宅外表皮風聚集部位，設置風收集風口，安裝豎向和水平狹管，使狹管與風機一體化。在進行風能收集的風口布置和建筑外表皮設計時，應考慮外立面風管裝飾性、藝術性，實現風口、風道與建筑外表皮一體化設計的目標。

4.5 住宅套型設計植入風管

風的風壓效應和風聚集效應原理，使風能利用成為可能，建筑師運用風的風壓效應和風聚集效應，在住宅套型中植入豎向風管和水平聚風管提高風速，可有效實現風電能量轉化，供本棟建筑照明使用，使風能利用的高層住宅套型設計成為現實。

一是運用“狹管效應”，利用高層住宅端山墻間防火間距，建立空中聯系平臺，搭建水平狹管風道、發電設備、風能存儲設備、電力轉換設備等，通過風管、風罩與風葉有效結合，設計新型建筑聚風道，收集風能，來提升風力電機發電率，實現風能連續轉化電能的目的，實現高層住宅套型風能利用的可靠性，風管植入要考慮藝術性，與平臺共同組成空中花園，實現建筑與發電設備一體化設計，如圖1、圖2、圖3所示。

二是運用豎向風壓風速提高效應，在客梯廳空間植入豎向風管，構建鄰里交流空間。通過高層住宅套型功能布局設計，在高層住宅電梯廳部位結合鄰里交流功能需求，設置休閑平臺，平臺中植入豎向風壓風道，實現建筑、風道、發電設備一體化設計，可以使風定向流入風道，通過風的狹管效應、高位效應提高速度，風管、風罩與風葉有效結合、一體化設計，使建筑立面表情設計有序而增色(如圖1、圖2、圖3所示)。

三是在高層住宅單元間高空建筑屋面女兒墻處，南北對向布置狹管一體化風機，提高風速收集風能，利用住宅套型建筑屋面，打造豎向聚風風能利用轉化裝置與空中花園一體化休閑與實用功能相結合的空間。風能設施的積極采用賦予了高層住宅設計的綠色建筑新體驗，并實現了與屋面空中花園、建筑外表皮一體化建筑藝術設計(如圖3所示)。

4.6 風能利用的寒區高層住宅套型一體化空中花園體系

在綠色生態花園城市建設理論提出之前，人們把城市比作鋼筋混凝土的叢林，城市高層住宅建設缺乏統一規劃和管理，設計科技創新不足，鄰里之間缺少空中交流場所，缺少人情化[12]。近年來，建筑師與結構、設備工程師協作，探索風能利用與建筑一體化設計，開展風能利用建筑裝配式、綠色生態花園住宅的設計、風能利用的裝配式高層住宅套型設計的研究，為高層花園城市住宅建設提供了一個新途徑[13]，使寒區高層住宅生活的人們更加舒適，更便于交流，提高了人們城市生活的質量，為實現大眾綠色生態美好生活發揮了積極的作用。

4.6.1 套型內豎向聚風道與平臺花園一體化

高層住宅18層以上的住宅單元套型設計兩部電梯，一部為消防電梯兼客梯，另一部為客梯，同時應具備容納擔架的功能[11]。客梯廳是公共空間，是鄰里出行通道場所，也是相識、見面交流的場所，具有開放性和可塑性；可以將客梯廳擴大，植入豎向裝配式風管，將綠化布置與風管有機結合，將客梯廳設于南向，使它接觸空氣陽光，打造成空中花園的鄰里小花園，利于鄰里駐足休閑。電梯廳別開生面的設計，構建出綠色生態與裝配式豎向聚風道有機組合的和諧平臺系統(如圖1所示)。

4.6.2 套型間水平聚風道與平臺花園一體化

高層住宅樓與樓間要有必要的防火間距，依據《民用建筑防火設計規范》防火間距不應小于13m[14]，結合防火間距的要求，樓與樓山墻套型間要搭建防火平臺，豎向3層聚風空間分別設計水平提高風速裝配式聚風管，收集風能。豎向3層聚風空間與豎向3層鄰里交流共享空間，設置間隔或設置室外樓梯連通，共同構建本樓鄰里居民交流的場所，形成高層住宅樓與樓間水平聚風道與平臺組合系統(如圖4所示)。

圖4 自繪空中花園剖視圖

4.6.3 屋頂風能利用設備與平臺花園一體化

隨著人口大量涌入城市，可開發建設的土地日益短缺，居住區建筑容積率逐漸增大，建筑物之間的縱向樓間距變得越來越小，導致近地面低空風能的利用效率較弱。為良好收集風能，設計師將風力發電設備安裝在建筑物頂層，全面收集風能，為綠色建筑群提供電能。通過風能收集設備與建筑物女兒墻的結合，實現風能利用設備與建筑屋面花園的一體化設計，共同構建高層住宅屋頂風能利用花園平臺(如圖3所示)。

5 風能利用能量轉化效果

以展示設計風能利用的套型18層高層住宅設計為例，選用先進的垂直軸小型風力發電機，設計南側電梯廳高位處2臺、單元間平臺處2臺、單元間高位處8臺，共計12臺；北側樓梯間高位處2臺、單元間平臺處2臺、單元間高位處8臺，共計12臺。確保風機夏秋與春冬有12臺運營，每日12臺風機以額定功率發電。根據相關氣象數據，哈爾濱年平均風速都在3m/s以上[6]，狹管入口風速參照3m/s，通過提高風速的發電功率計算供電使用情況，展現風能利用的效果。

5.1 風狹管效應效果

當水平聚風時，根據已知，聚風管道進風口直徑d=9m，出風口直徑d=3m，入射風速vi=3m/s，結合流體的連續性原理代入公式(5)，可得出口風速：vo=27m/s。

5.2 風壓效應效果

當垂直送風時，即假定進風口高度為3m，出風口高為30m，入射風速vi=3m/s。根據伯努利原理，將標準條件下(20℃，1標準大氣壓)的空氣密度和重力加速度代入公式(7)，可得出口風速：vo=26m/s。

5.3 垂直軸小型風力發電機參數

目前,市場上先進的垂直軸小型風力發電機參數：額定功率Pwt,0=5000W，額定風速限值為12m/s≤v0<45m/s。利用風壓效應提高風速值為vo=26m/s；利用狹管效應，提高風速為vo=27m/s；風速滿足額定風速要求，即在系統和設備正常運行過程中，每臺風機均能達到額定發電功率Pwt,0=5000W，即1小時5度電。

5.4 供電使用效果

每臺風機1小時發電5度，一天24小時，發電量為120度。假設用戶使用8W節能燈具，一天用電10小時，則每日供電照明燈具數=每日總發電量÷單個燈具能耗÷用電時長，每日供電照明燈具數=5000(W)×24(h)÷8(W)÷10(h)=1500(盞)；即每臺風機可提供假定照明燈具數1500盞[15]。前述南北雙向布置發電機組，每日保證12臺風機以額定功率發電，可供不少于1.8萬盞8W節能燈具照明，實現了綠色建筑節能。

6 結語

綠色建筑是當今建筑的發展方向，追求健康舒適的生活是人類共同的愿望。科技創新給綠色建筑的發展帶來了源動力，風能利用的寒區高層花園住宅套型設計研究目前僅僅是一個設計方案，雖然理論依據成熟，但裝配式豎向與水平風管的風能利用的效果還有待實驗測試，高層住宅套型設計也有待國家出臺政策予以進一步扶持，有待建筑開發商的了解、認同和百姓的接受。風能利用的寒區高層花園住宅套型設計絕不是一個空想，隨著國家技術創新引領政策的不斷落實，相關課題研究的不斷深入，相信風能利用的寒區高層花園住宅套型設計一定會走進人們的生活，為實現人類綠色美好生活發揮積極的作用。