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(guó)內(nèi)外相關(guān)案例，簡(jiǎn)述建筑環(huán)境中的風(fēng)能特點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)的安裝位置和建筑形態(tài)。指出一體化遇到的一些問(wèn)題，為建筑師設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】清潔能源；風(fēng)力機(jī)；高層建筑；一體化

0 引言

地球表面風(fēng)能儲(chǔ)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(lái)，隨著能源危機(jī)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(huì)《全球風(fēng)電裝機(jī)統(tǒng)計(jì)（2015）》[2]，2015年全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)新增裝機(jī)63013MW，實(shí)現(xiàn)了22%的年度市場(chǎng)增長(zhǎng)率。到2015年底，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到432419MW，中國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到145.1GW，占全球市場(chǎng)份額的33.6%，為全球裝機(jī)容量最多的國(guó)家。

目前我國(guó)大型風(fēng)電場(chǎng)和小型風(fēng)電場(chǎng)并存。大型風(fēng)電場(chǎng)主要分布為內(nèi)陸和海上風(fēng)電場(chǎng)，一般并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行的內(nèi)陸風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本約為火電的2倍，而海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電成本約為火電的3～4倍[3]，由于大型的風(fēng)電場(chǎng)成本太高，人們開始將目光聚焦在小型風(fēng)電場(chǎng)上。小型風(fēng)電場(chǎng)大都建在電力供應(yīng)不發(fā)達(dá)的偏遠(yuǎn)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(guó)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?？捎^。

1 建筑環(huán)境中的風(fēng)能特點(diǎn)

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(shí)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(guò)建筑物或建筑群時(shí)，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(chǎng)。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(qiáng)的湍流，其局部風(fēng)場(chǎng)的變化亦將明顯加強(qiáng)[4]。

城市環(huán)境中的來(lái)流風(fēng)由于受到建筑物的遮擋，相較于郊區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)，具有風(fēng)速低、紊流度大等特點(diǎn)。但由于城市建筑空間分布的影響，局部建筑周圍也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)勁的風(fēng)力。例如，在建筑物的夾縫或洞口部位，由于來(lái)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(qiáng)勁的穿堂風(fēng)。風(fēng)在繞過(guò)建筑物后，會(huì)在其尾部形成渦流區(qū)，該區(qū)風(fēng)場(chǎng)一般很不穩(wěn)定，甚至?xí)?duì)建筑造成損害。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(diǎn)。

2 風(fēng)力機(jī)與建筑的結(jié)合形式

城市中風(fēng)力機(jī)與建筑有三種結(jié)合形式：風(fēng)機(jī)安裝在建筑物屋頂，風(fēng)機(jī)設(shè)置在兩座建筑物之間以及風(fēng)機(jī)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(lái)[5]。

2.1 建筑物屋頂風(fēng)力發(fā)電

當(dāng)來(lái)流越過(guò)建筑物時(shí)，會(huì)在建筑物的頂部產(chǎn)生越頂氣流，這會(huì)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(qiáng)，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(duì)現(xiàn)有的建筑進(jìn)行改造，不必在設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮風(fēng)力機(jī)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(shí)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(xiàng)新技術(shù)新工藝。“生態(tài)大廈”屋頂安裝有3臺(tái)5千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)，彌補(bǔ)光照不足時(shí)大廈日常用電的需要。由太陽(yáng)能電池陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、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(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能、風(fēng)能與建筑一體化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大廈每年可節(jié)電15萬(wàn)千瓦時(shí)，能耗僅為傳統(tǒng)建筑的1/3，每年節(jié)省運(yùn)行資金約45萬(wàn)元。

2.2 建筑之間的風(fēng)力發(fā)電

當(dāng)來(lái)流流經(jīng)相鄰兩座建筑之間時(shí)，由于流道的突然變小，來(lái)流就像受到一股擠壓的作用，流速會(huì)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(lái)流正對(duì)方形建筑狹道的時(shí)候，才表現(xiàn)地較為明顯。為提高風(fēng)力機(jī)的效率，可以將建筑狹道設(shè)計(jì)為正對(duì)該地主導(dǎo)風(fēng)向的方向，同時(shí)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(shí)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(jī)引風(fēng)”這一關(guān)鍵問(wèn)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(jì)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(jī)上[5]。根據(jù)測(cè)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(jī)與建筑一體化的設(shè)計(jì)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(jī)一體化變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)（圖5）。設(shè)計(jì)師在雙塔之間分別設(shè)置了3座重達(dá)75噸的跨越橋梁，3個(gè)直徑達(dá)29m的水平軸風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)和與其相連的發(fā)電機(jī)被固定在這3座橋梁之上?？紤]到風(fēng)力過(guò)大時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片會(huì)產(chǎn)生向后的彎曲變形，擊毀橋梁機(jī)構(gòu)，故橋梁采用后掠式的設(shè)計(jì)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(duì)流，加快了風(fēng)速。風(fēng)力渦輪預(yù)計(jì)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(shí)，氣流會(huì)從空洞中穿過(guò)且風(fēng)速會(huì)被極大提高。

大衛(wèi)·費(fèi)希爾采用全新的理念設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)摩天大樓——“動(dòng)態(tài)城堡”將整個(gè)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(guò)安裝在旋轉(zhuǎn)樓板之間的79個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，大樓可實(shí)現(xiàn)自供電。由于大樓每個(gè)樓層課隨風(fēng)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，建筑外觀時(shí)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(jī)與高層建筑一體化創(chuàng)意如雨后春筍般茁壯成長(zhǎng)，其以節(jié)能環(huán)保的主題越來(lái)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(chǎng)、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(jī)電工程、空氣動(dòng)力學(xué)、建筑技術(shù)、環(huán)境學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域[6]。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，但由于設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題：

（1）經(jīng)濟(jì)效益：采用當(dāng)下最先進(jìn)的技術(shù)，風(fēng)電成本可接近市電，但不能說(shuō)明建筑風(fēng)電的效益會(huì)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?jī)?chǔ)存，加上建筑的設(shè)計(jì)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(jì)效益，必須突破這些困局。此外，采用風(fēng)電和光電互補(bǔ)方案、低風(fēng)速下工作的風(fēng)力機(jī)也可以降低發(fā)電成本，提高建筑發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）環(huán)境舒適度：風(fēng)電設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、噪音等問(wèn)題會(huì)影響用戶的正常生活。雖然通過(guò)一些輔助設(shè)備可以降低振動(dòng)頻率和幅度，吸收一部分的噪音，但研制低噪聲和低振動(dòng)的風(fēng)力機(jī)才能滿足人們對(duì)生活環(huán)境舒適度的要求。其次，一味的追求風(fēng)能的強(qiáng)化和集結(jié)，會(huì)忽略人對(duì)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(jì)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(duì)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(huì)造成極大的危害。需要做好相關(guān)的防護(hù)工作。機(jī)械設(shè)備在不同工況下的振動(dòng)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(shí)代的進(jìn)步，建筑的作用不再僅僅是提供人類工作、生活、娛樂的場(chǎng)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(duì)建筑師來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(yǔ)

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(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(lái)走進(jìn)千家萬(wàn)戶的生活。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]