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，簡述建筑環境中的風能特點，風力機的安裝位置和建筑形態。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，隨著能源危機和環境污染的日益嚴重，風力發電逐漸開始了商業應用[1]。根據全球風能理事會《全球風電裝機統計（2015）》[2]，2015年全球風電產業新增裝機63013MW，實現了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，一般并網運行。并網運行的內陸風電場的發電成本約為火電的2倍，而海上風電場的發電成本約為火電的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達的偏遠地區。目前，小型風力發電系統正朝著與建筑一體化的方向發展。我國建筑數量龐大，建筑物周圍的風能資源豐富、質量高，發展前景非?？捎^。

1 建筑環境中的風能特點

區域風力資源和局部風環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，高層建筑風力發電系統才能有效工作[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]。

城市環境中的來流風由于受到建筑物的遮擋，相較于郊區和偏遠地區，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，該區風場一般很不穩定，甚至會對建筑造成損害。因此，利用建筑環境中的風能，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這三種方式發展而來[5]。

2.1 建筑物屋頂風力發電

當來流越過建筑物時，會在建筑物的頂部產生越頂氣流，這會使建筑物頂部地區的風速增大，且隨著建筑物密度和高度的增加，屋頂的風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模采用的一種形式。

2008年11月，一座實用型生態建筑“生態大廈”在青島市嶗山區落成（圖3）。大廈使用了光伏發電、風力發電等10多項新技術新工藝?！吧鷳B大廈”屋頂安裝有3臺5千瓦風力發電機，彌補光照不足時大廈日常用電的需要。由太陽能電池陣列、風力發電機、智能管理系統、并網逆變器和交流配電柜組成的“風光互補發電系統”，實現了太陽能、風能與建筑一體化。據統計，大廈每年可節電15萬千瓦時，能耗僅為傳統建筑的1/3，每年節省運行資金約45萬元。

2.2 建筑之間的風力發電

當來流流經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為現實（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的水平軸風力發電渦輪機和與其相連的發電機被固定在這3座橋梁之上?？紤]到風力過大時，風機葉片會產生向后的彎曲變形，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，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·費希爾采用全新的理念設計的旋轉摩天大樓——“動態城堡”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力。

3 一體化難題

風力機與高層建筑一體化創意如雨后春筍般茁壯成長，其以節能環保的主題越來越受到人們的關注。建筑環境風能發電包括風場、建筑結構和風力發電系統三大要素，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境不穩定，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的安裝成本，以及風電并網存在一定的局限性，使得建筑風電要想取得較好的經濟效益，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電成本，提高建筑發電的經濟效益。

（2）環境舒適度：風電設備在運轉時會產生的機械振動、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，影響居住環境的舒適度。

（3）結構可靠性：傳統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，也必將是綠色風能建筑發展的方向。

4 結語

風力發電作為全球公認的可以有效減緩氣候變化、提高能源安全、促進低碳產業經濟增長的技術，得到了人們的高度關注?？梢灶A見，城市風能建筑作為風力發電的典型代表，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.風力發電在建筑中的應用[J].建筑節能，2010（10）：44-46.

[4]張濤，陳寶明.建筑環境中的風能利用[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]