风力机与高层建筑一体化初探

宁磊　张伟

【摘 要】本文探讨城市风能建筑的可行性，结合国内外相关案例，简述建筑环境中的风能特点，风力机的安装位置和建筑形态。指出一体化遇到的一些问题，为建筑师设计提供参考。

【关键词】清洁能源；风力机；高层建筑；一体化

0 引言

地球表面风能储量巨大，理论上1%的风能就能满足人类能源的全部需求[1]。20世纪70年代以来，随着能源危机和环境污染的日益严重，风力发电逐渐开始了商业应用[1]。根据全球风能理事会《全球风电装机统计（2015）》[2]，2015年全球风电产业新增装机63013MW，实现了22%的年度市场增长率。到2015年底，全球风电累计装机容量达到432419MW，中国累计装机容量达到145.1GW，占全球市场份额的33.6%，为全球装机容量最多的国家。

目前我国大型风电场和小型风电场并存。大型风电场主要分布为内陆和海上风电场，一般并网运行。并网运行的内陆风电场的发电成本约为火电的2倍，而海上风电场的发电成本约为火电的3～4倍[3]，由于大型的风电场成本太高，人们开始将目光聚焦在小型风电场上。小型风电场大都建在电力供应不发达的偏远地区。目前，小型风力发电系统正朝着与建筑一体化的方向发展。我国建筑数量庞大，建筑物周围的风能资源丰富、质量高，发展前景非常可观。

1 建筑环境中的风能特点

区域风力资源和局部风环境是建筑风能利用的先决条件。只有在两者同时满足的前提下，高层建筑风力发电系统才能有效工作[1]。当大气边界层中的自然风绕过建筑物或建筑群时，将在其周围形成包括分离、再附、漩涡脱落和尾迹在内的复杂流场。尤其是建筑物高度和密度较大的城市，由于地面较大的粗糙度，可引起更强的湍流，其局部风场的变化亦将明显加强[4]。

城市环境中的来流风由于受到建筑物的遮挡，相较于郊区和偏远地区，具有风速低、紊流度大等特点。但由于城市建筑空间分布的影响，局部建筑周围也会产生较强劲的风力。例如，在建筑物的夹缝或洞口部位，由于来流的截面突然变小，风流受到类似挤压的效果，我们称之为“夹道效应”，从而形成强劲的穿堂风。风在绕过建筑物后，会在其尾部形成涡流区，该区风场一般很不稳定，甚至会对建筑造成损害。因此，利用建筑环境中的风能，必须充分了解其周边风力分布的特点。

2 风力机与建筑的结合形式

城市中风力机与建筑有三种结合形式：风机安装在建筑物屋顶，风机设置在两座建筑物之间以及风机设置在建筑物的空洞中，其他的结合方式都是根据这三种方式发展而来[5]。

2.1 建筑物屋顶风力发电

当来流越过建筑物时，会在建筑物的顶部产生越顶气流，这会使建筑物顶部地区的风速增大，且随着建筑物密度和高度的增加，屋顶的风速变化也将明显加强，因此高层建筑楼顶具有集风效果。且这种形式的结合，只需要对现有的建筑进行改造，不必在设计的时候就考虑风力机因素，是目前最有可能大规模采用的一种形式。

2008年11月，一座实用型生态建筑“生态大厦”在青岛市崂山区落成（图3）。大厦使用了光伏发电、风力发电等10多项新技术新工艺。“生态大厦”屋顶安装有3台5千瓦风力发电机，弥补光照不足时大厦日常用电的需要。由太阳能电池阵列、风力发电机、智能管理系统、并网逆变器和交流配电柜组成的“风光互补发电系统”，实现了太阳能、风能与建筑一体化。据统计，大厦每年可节电15万千瓦时，能耗仅为传统建筑的1/3，每年节省运行资金约45万元。

2.2 建筑之间的风力发电

当来流流经相邻两座建筑之间时，由于流道的突然变小，来流就像受到一股挤压的作用，流速会迅速变大，这种现象称之为“夹道效应”。然而这种效应只有在来流正对方形建筑狭道的时候，才表现地较为明显。为提高风力机的效率，可以将建筑狭道设计为正对该地主导风向的方向，同时将两座建筑建成开放式的“八”字形，以提高建筑物引导风力的能力。

但由于受城市建筑群的影响，一年中大部分时间里城市中并没有固定的主导风向。为了解决“如何利用两座建筑物为风机引风”这一关键问题，诞生了WEB工程（Wind Energy for the Built Environment）。研究表明：1）表面平滑的，断面为“肾形”或“飞镖形”的建筑其引风效果最好；2）如果建筑形体设计得当，可以将40°～50°范围内的气流集中到两座建筑物之间的风机上[5]。根据测试结果，研究小组提出了一种建筑断面为“飞镖形”的风机与建筑一体化的设计方案。

2008年竣工的巴林世贸中心真正将大型建筑与风机一体化变为现实（图5）。设计师在双塔之间分别设置了3座重达75吨的跨越桥梁，3个直径达29m的水平轴风力发电涡轮机和与其相连的发电机被固定在这3座桥梁之上。考虑到风力过大时，风机叶片会产生向后的弯曲变形，击毁桥梁机构，故桥梁采用后掠式的设计以避免这种情况发生。风帆一样的楼体形成两座楼之前的海风对流，加快了风速。风力涡轮预计能够支持大厦所需用电的11%-15%。

2.3 建筑空洞的风力发电

由于在建筑的正面和背面存在压差，且气流处于短暂停滞状态，导致正面上的风压比相同高度上没有受到阻挡处的风压高，当建筑中留有空洞时，气流会从空洞中穿过且风速会被极大提高。

大卫·费希尔采用全新的理念设计的旋转摩天大楼——“动态城堡”将整个外墙面都作为受风体，最大程度地利用高层风能（图6）。大楼共80层，每层可以360°旋转，通过安装在旋转楼板之间的79个风力涡轮机，大楼可实现自供电。由于大楼每个楼层课随风独立转动，建筑外观时刻变化，丰富了高层建筑的表现力。

3 一体化难题

风力机与高层建筑一体化创意如雨后春笋般茁壮成长，其以节能环保的主题越来越受到人们的关注。建筑环境风能发电包括风场、建筑结构和风力发电系统三大要素，涉及结构工程、风工程、机电工程、空气动力学、建筑技术、环境学等多个学科领域[6]。虽然国内外学者做了很多研究，但由于设计理论和实践经验的缺失，不可避免地存在一些尚未完全解决和必须加以重视的问题：

（1）经济效益：采用当下最先进的技术，风电成本可接近市电，但不能说明建筑风电的效益会很高。城市建筑群中的风环境不稳定，风速和风量都不可控，风能很难大量储存，加上建筑的设计和相关配套系统的安装成本，以及风电并网存在一定的局限性，使得建筑风电要想取得较好的经济效益，必须突破这些困局。此外，采用风电和光电互补方案、低风速下工作的风力机也可以降低发电成本，提高建筑发电的经济效益。

（2）环境舒适度：风电设备在运转时会产生的机械振动、噪音等问题会影响用户的正常生活。虽然通过一些辅助设备可以降低振动频率和幅度，吸收一部分的噪音，但研制低噪声和低振动的风力机才能满足人们对生活环境舒适度的要求。其次，一味的追求风能的强化和集结，会忽略人对于风的感知和承受能力，影响居住环境的舒适度。

（3）结构可靠性：传统的结构设计以减小风作用为目标，但风能建筑恰恰相反，其要求尽可能大的风速和作用面积，这对结构抗风提出了新的要求。高速旋转的叶片如果发生碰撞、脱落，将会造成极大的危害。需要做好相关的防护工作。机械设备在不同工况下的振动情况较为复杂，需避免引起建筑的共振。

（4）大众审美：随着时代的进步，建筑的作用不再仅仅是提供人类工作、生活、娱乐的场所，人们开始追求建筑的美感。如何使建筑与风电系统在功能、结构、材料、外观上真正一体化，这对建筑师来说是一个全新的挑战，也必将是绿色风能建筑发展的方向。

4 结语

风力发电作为全球公认的可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳产业经济增长的技术，得到了人们的高度关注。可以预见，城市风能建筑作为风力发电的典型代表，必将在不久的将来走进千家万户的生活。

【参考文献】

[1]艾志刚.形式随风——高层建筑与风力发电一体化设计策略[J].建筑学报，2009（5）：74-75.

[2]Global Wind Report 2015[R].GWEC， 2015.

[3]秦生升.风力发电在建筑中的应用[J].建筑节能，2010（10）：44-46.

[4]张涛，陈宝明.建筑环境中的风能利用[D].济南：山东建筑大学，2007.

[5]赵华，高辉，李纪伟.城市中风力发电与建筑一体化设计[J].新建筑，2011（3）：45-48.

[6]袁飞行，张玉.建筑环境中的风能利用研究进展[J].自然资源学报，2011，26（5）：891-898.

[责任编辑：杨玉洁]