探究建筑表皮与风能利用融合的技术策略★

孙晓铭 史 南

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150000)

探究建筑表皮与风能利用融合的技术策略★

孙晓铭1史 南2

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150000)

全面总结了现代建筑表皮的设计存在的主要问题，系统论述了建筑表皮设计与风能利用融合的技术策略，提出风能利用与建筑表皮融合技术发展方向，研究结果为建筑节能的可持续发展提供重要的理论参考。

建筑表皮，风能利用，技术策略

0 引言

伴随国民经济的快速发展，风能作为绿色的新能源得到了长足的发展，作为一种高效节能的新能源，风能利用有着重要的意义。随着人类社会不断发展，在城市中，越来越多的建筑表皮设计中考虑到风能的利用，高层的出现，使城市建筑利用风能成为了可能，所得的风能将直接用于建筑本身和整个小区，这种方式是将风能的利用和建筑设计有机的结合在一起，不仅仅把建筑物变成低能耗的绿色建筑，还能使整个城市的环境得到改善。因此，风能的应用以及风能与建筑表皮的结合发展也成为建筑行业的研究课题。将建筑表皮与风能融合在一起，为建筑节能设计奠定了基础，创造了有利条件。但是从我国现行的建筑节能设计标准上来看，不管是从公共建筑还是居住建筑的节能设计一般是通过控制建筑外围结构的传热系数、建筑物的体型系数等方式达到节能降耗的目的。由于各地气候的不同，建筑节能技术具有很强的地域差异，风能的利用程度与方式不尽相同。因此针对不同的风力条件，应选择相适应的节能技术措施，结合建筑物所处的地理条件，利用风能等可再生能源，使建筑能有效地利用并改善我们的生存环境。

1 建筑环境中风环境的特性研究

当前城市规模的日益增大，越来越高的建筑出现在人们的生活中，尤其是大城市中高层建筑比比皆是，而且位置相对集中，这样一来对建筑的风环境影响很大，往往会发生群楼效应，会对人们的生活带来众多不利的影响。因此在城市规划和建筑设计时必须充分考虑其影响，避免不必要的麻烦产生。针对已经存在的对人们生活不利的风环境，要采取一系列措施，例如防风隔断等等，同时考虑如何利用在高层建筑中存在的风环境，能在城市减少能源消耗方面提供新的途径。

1.1 城市建筑风环境的特点

城市风环境存在各种风效应，受高楼阻挡的原因，造成风速加大，尤其在高层建筑与低层建筑相邻时出现来流风正交现象，这使得在两建筑间的漩涡运动更加强烈，这就是所谓的逆风。而分流风使来流受建筑的阻挡，此时使得风发生分离并伴随着流速的收敛的自由流动区域，在建筑物两侧风速明显增大。最易发生的是建筑穿堂风效应，即在建筑群开口位置通过的风流。主要是由于建筑物的迎面风和背面风的压力差造成的，使得风速变大。在实际情况中，由于风向、风速的不同以及各种风效应的相互影响，城市建筑中的风环境非常复杂，具有不稳性的特点，在城市建筑群中，可以研究阻塞效应和屏蔽效应，建筑物受迎面风产生的滞止效应和受背面风产生的回流效应。

1.2 城市建筑风环境研究方法

针对城市建筑风环境的各种效应特点，要想达到风能利用的目的需要具备风环境的研究方法。风环境中最直接的方法就是现场观测，但是有一定的不足之处，就是无法在建筑物建造前进行观测，造成无法为建筑物的设计提供可靠的参数，并且现场实测费时费力，在目前情况下，现场实测无法发挥其真正的作用。针对现场实测的不足，实验将会改变当前的现状，风洞试验，通过制作实际建筑的模型在风洞中进行，利用科技技术产生于实际建筑物周围的风场，然后得出相应的参数，为建筑物的设计提供参考。

2 建筑表皮与风能利用融合技术策略与发展方向

2.1 建筑表皮设计中风能利用设计要素

建筑表皮与风能利用的融合，涉及到技术要素：对建筑物的负载、用电量进行估算，进而确定风能收集系统安装所需的安装容量大小；另外还需要综合建筑物当地的气候条件，结合建筑表皮的外观要求及建筑节能方案的特征，来确定风能利用的相关软硬件的安装条件、环境、方位的设置和仪器的型号以及外观的设计，并保证风能利用系统的转换效率；相关组件的选择和仪器数量的设计、相邻间距的设计、方位的设计、相关组件之间的连接方式设计以及采集器安装节点的设计等等；为便于其安装和维护，确保安装部位承受的载荷满足规范要求，在特殊情况下能够正常使用，保证相关组件的顺利安装，并且不会对建筑形成不利影响避免次生危害；最后针对系统运行过程中的检测、评估以及反馈信息优化等设计。在美学设计要素中，需要考虑到风能利用系统相关构件的几何形态与建筑表皮设计之间的系统关系，相关构件的几何形态应该与建筑物的整体形象和其功能的需求，探究相关构件与建筑整体比例以及尺度的协调性，进而能够满足协调统一以及建筑表皮设计与风能利用相互融合的对比关系和效果；重要的是如何设计相关构件自身的形态，风能相关构件与建筑的整体色彩、机理以及构造特点和相关组件的不同排列方式、组合特征，完成了不同功能、需求的设计；风能利用构件对建筑功能也将会产生影响，建筑表皮是风能容易收集的部位，也是室内通风性能较好的区域，因此在风能设备的安装的过程中，应综合考虑室内的通风需求以及建筑承受能力的影响。在风能设备安装、使用过程中，其将会产生不同程度的噪声污染，对居民的日常生活造成了影响，虽然在建筑节能设计方面，风能有着得天独厚的优势，但是，作为新型的能源，建筑表皮设计与风能利用的融合首先要保证不干扰人们的生活，其次不能对建筑物的使用条件、年限造成不利影响。这样才能使其充分发展，改善人们的生活环境及提高生活品质。

2.2 城市建筑表皮与风能利用融合研究

探究城市建筑表皮与风能利用融合的发展方向。

1)建筑表皮与风能利用的材料创新。

城市建筑物表皮的材料不断创新是建筑节能设计最有效、最直接的方式。随着建材料行业的不断发展，在建筑表皮设计当中，各种相关材料层出不穷，例如气凝胶涂材料、光电感应材料等等，建筑表皮设计和风能利用的技术发展，为风能与建筑表皮的融合和利用奠定了有力的基础。风能利用与建筑表皮融合的材料创新一般使用双层建筑外表皮的围护结构层，通过相应的调整使得最外层能够保证建筑室内的空间获得正常的通风以及采光条件，进而提高室内居住的空间舒适度，此时也能降低建筑物能源消耗，同时也不同程度上化解了自然采光与风能利用之间的矛盾。虽然建筑表皮双层结构具有较好的效果，但是从其建筑用材上看不十分环保，性价比较低。风能利用与建筑表皮的融合技术的发展，风能发电设备的不断创新为风能与建筑表皮结合和应用提供了有利条件，可以选择在屋顶、建筑外墙等位置进行两者的结合。建筑的屋顶可以将其作为一个安装平台，在上面安装必要的设施以保证风能利用设备具备有力的支撑。建筑外墙具有得天独厚的优势，其结构形式和承载能力，在设备支撑方面无疑是最合适的位置，但是，在外墙上安装技术要求相对较高，要保证设备的正常使用，同时也要确保人们在安全方面不受其影响。

2)室内通风及采光的利用。

由于城市能源消耗较大，空气指数随着急剧下降。为改善生活环境，在建筑节能设计中必须要考虑到此类问题。具体来说，室内的通风和采光不能因为风能利用而受到影响。建筑物内外相互连通，在建筑设计中，应保证室内的自然通风，同时也要考虑到让室内最大程度上受到太阳的照射，这也是建筑设计中最人性化的一面，这样不仅仅保证了环境同时也节约了能源。充足的阳光照射和室内自然通风可以让居住者心情舒畅，特别是在目前的生活压力下，良好的居住情况，是缓解城市压力最有效的方式。

3)城市环境绿化。

在建筑节能设计中，要考虑到城市的环境绿化，设计因素中要引入绿化植物的概念，同时也要考虑人文、生态等因素。针对城市的用地紧张，使得建筑外表绿化成为高层建筑中最有效的方式之一。例如，在建筑设计中，可以将绿化植物设计到屋顶上，类似于空中花园，但是前提是不能违反建筑设计规范，不能增加过大的荷载，这样能使各种绿色环保植物出现在人们的生活中，这些植物通过蒸发，降低建筑的外层温度，这也是降低能耗的方式，在风能利用设备周围，布置绿化植物，使得风力发电设备不单调，更具有大自然的气息。这样既充分利用了风能，还能绿化环境，节能减排。我国人口数量庞大，能源消耗随之剧增，为长久发展，需要寻找新的建筑设计方式，向着低碳经济的方向发展，建筑表皮与风能利用的融合也体现了人类与大自然的和谐共处的需求，绿色环保的节能设计将是建筑行业未来发展的主要趋势。

3 结论与建议

建筑物表皮是人们生活的保护层，建筑表皮的形式直接影响到人们的生活品质，其不仅仅具备保护功能，最重要的是代表着人类生存、发展的意义。但是随着能源的消耗日益增大，探究建筑表皮与风能利用的融合技术成为当代建筑设计的重要目的。本文以建筑表皮与风能利用融合技术为背景，提出了两者融合的设计要素和发展。风能利用的建筑表皮融合设计是能源可持续发展的必经之路，也将会是建筑行业与能源利用之间相互影响的一座里程碑。

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[2] 李积权.气候方位与建筑表皮节能——建筑表皮的气候资源利用技术策略研究[J].建筑科学,2008(12):7-11.

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[4] 杨 蓉.高层建筑屋顶风能利用研究[D].泉州：华侨大学,2011.

Exploration on merging technical strageties of building envelope and wind energy utilization★

SUN Xiao-ming1SHI Nan2

(1.CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China;2.HarbinUniversityofIndustry,Harbin150000,China)

The thesis comprehensively summarizes modern building envelope design problems, systematically discusses the merging technical strategies of building envelope design and wind energy utilization, and puts forward the merging technology development tendency of wind energy utilization and building envelope. Thus, the research achievements can provide important theoretical reference for sustainable development of building energy conservation.

building envelope, wind energy utilization, technical strategy

1009-6825(2014)03-0004-02

2013-11-06★：中央高校基本科研业务费专项资金项目资助(项目编号：DL12BB10)

孙晓铭(1979- )，女，硕士，讲师； 史 南(1981- )，男，在读硕士

TU201.5

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