超高层建筑自然能源利用的可持续性问题研究★

徐苏容 周 科

(1.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450007；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

0 引言

自从20世纪初期将自然能源利用的概念引入到超高层建筑设计中以来，改变了传统的建筑设计模式，以提高超高层建筑物的经济价值和融合外部环境变化的需求。长期以来，超高层建筑物自然能源利用的理论从其实际效果研究和设计方法等方面都取得了许多进展。随着我国经济社会的发展和现代化城市的建设，超高层建筑的数量在迅速增长，不但高度在向更高空间伸延，规模也在不断扩大。在区域分布上，超高层建筑的建设不断从经济发达的沿海地区向内地城市转移，从北京、上海、广州等一线大城市转移至二、三线城市。据不完全统计，我国现有已建、在建或规划中的超高层建筑1 100多座，高度从100 m跃升至近600 m。超高层建筑的建设一方面加快了城市现代化建设，在节约用地、减少城市空间交通拥堵、整合城市资源等方面都具有十分显著的作用，但是超高层建设的发展也带来了许多不容忽视的问题。例如超高层建筑的能耗问题、室内舒适度问题，建筑艺术外观与内部结构问题，尤其是超高层建筑增加城市洪涝灾害、引起城市局部气候条件的变化，引发城市热岛效应问题以及增加水文极端事件的概率问题等，都受到国内外越来越多的学者的重视。因此，探索如何优化利用当地自然能源、超高层建筑与当地生态环境的融合以及超高层建筑的外观设计和内部结构的合理布局等，对于超高层建筑设计与发展以及自然能源的优化利用都具有十分重要的意义。本文就超高层建筑物自然能源利用的理论、设计标准、可持续性等方面进行了探讨。

1 超高层建筑物自然能源利用设计标准

超高层建筑常见的自然能源利用类型为太阳辐射能、风能和雨水资源利用。下面研究这三种自然资源的计算方法与设计标准。

1.1 风能设计标准

对于超高层建筑来说，风能资源的开发利用设计主要考虑风力、风向、风速、风的紊流特点等。通常气象资料中的风速测试站高度为10 m，若气象资料中风速为2 m/s，则根据梯度风规则，100 m高处的风速则约为3 m/s，400 m～500 m高处的风速则增加到5 m/s。

1)风的朝向设计。

在设计风的朝向指标时，应统计多年来气象观测站对风的观测，利用统计学的概念，统计风的历年朝向，可以绘制风的朝向特征指标变化过程线图，综合考虑超高层建筑朝向与对应于一定概率风的朝向，按照对风力资源利用的要求，设计最佳风力朝向。

2)风速的设计。

通过气象站多年观测资料，用下式计算超高层建筑的风速：

(1)

其中，Vh为高度h处的风速，m/s;Vref为参考高度处的风速，m/s(查气象资料得出)；href为参考高度，m(气象资料中href为10);a为地面粗糙系数。

3)风力设计。

风力即风的压力，指垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风压关系，风的动压为：

Wp=0.5·R·v2

(2)

其中,Wp为风压,kN/m2;R为空气密度,kg/m3;v为风速,m/s。

1.2 太阳辐射能源利用设计

我国太阳能资源丰富，尤其是南方地区和河西走廊地区，分布着丰富的太阳能资源，为超高层建筑太阳能资源利用提供了良好的条件。对于超高层建筑，作为初步估算，太阳辐射能源利用可采用式(3)计算：

S′=Q(a+bS1)

(3)

其中，S′为直接辐射平均月(年)总量，Q为计算直接辐射的起始数据，可采用天文总辐射S0，即理想大气总辐射；a,b均为系数；S1为日照百分率。

1.3 雨水资源利用设计

按照不同地区降雨量大小和降雨特征，设计超高层建筑可能利用的雨水资源量。可以采用水文设计中常用的概率分布计算的办法，设计对应一定标准的雨水资源量。

2 超高层建筑自然能源利用案例研究

下面通过对国内外超高层建筑自然能源利用案例调查，研究其自然能源的利用，从而提出可持续性问题。

2.1 太阳风大厦

美国加州大学规划建造了太阳风大厦。太阳风大厦的建筑设计是艺术、建筑和环境可持续性的融合，将风能、太阳能和雨水收集利用综合考虑在内。该大厦是学生、教师经常聚会进行重要活动休闲和学习的地方。

2.2 组合式动能资源——巴林岛的世贸中心(WTC)

该大厦由两个240 m高的双子塔组成(见图1)，分为50层，2004年开建，2006年年底完工。该大厦是麦纳麦(Manama)的第二超高层大厦。该大厦安装了三个风力机组，发电量占大厦用电的15%。

该大厦是第一个利用风力解决本身用电的超高层大厦。双子塔大厦外部造型像一对帆船，利用风能的冲浪满足大厦内部用电。双子塔通过三个桥梁连接，三个桥梁支撑着三个风力发电机组。整体大厦的设计优化了风力通道，增加自然风力强度30%。三个风力机组满负荷运转可以解决大厦能量需求的11%～15%，年发电量达到1 100 MW～1 300 MW。

2.3 广州珠江大厦

该大厦建于2006年7月～2009年12月，69层303 m高(见图2)。广州珠江大厦是世界上著名的环境友好型超高层建筑，所产生的能源自给自足。其特点是安装了一个风力发电系统，一个太阳能发电和雨水收集利用系统，雨水收集后可以由太阳能加热。通过散热器和垂直通风使得楼房凉爽。楼房涡轮机内有一个风道，可以减少风对大厦的影响。

3 超高层建筑物动能资源利用可持续性分析

3.1 外形与内部组成单元的设计可持续性

1)曲线型、非对称性减少了风力荷载，平均减少24%，从而减少了楼房的结构荷载，也减少了能耗。

2)新型的外墙设计技术是大厦可持续设计和能源更新系统中的亮点。圆形的玻璃内墙与同等面积方形楼房的玻璃使用量对比，减少了14%。同时也大大减少了能耗。

3)双层垂直前厅起到了热缓冲器的作用。具有改善室内空气质量，给人提供歇息的空间等功能。

4)楼房盘旋式栏杆可以收集雨水，可以用作大厦加热和空气调节系统。旋转的形状可以促进涡旋脱落，生成非对称表面，从而减少楼房的风力荷载。风力涡轮机安装在护栏的正下方，可以提供内部电源。

3.2 气候响应问题

将旋转运动理论应用到楼房朝阳面以防护阳光。实际上，楼房的百叶窗也是对气候的响应，它可以按照时间和季节的变化，实现优化利用太阳能和光线的目的。对气候响应的一个突出亮点是雨水资源的收集利用，将收集起来的雨水经净化后，用于楼房生活或冷却用水等。其次是太阳能和风能资源的利用。

3.3 自然能源利用需要进行跨学科研究

超高层建筑自然能源开发利用所对应的层次是“人类+自然环境”,属于地理学、地质学、生态学、水文资源、经济学、社会学、环境学等众多学科研究的范围。因此,超高层建筑自然能源开发利用是一个学科密集的层次,需要多学科参与，形成一个独立的学科研究体系。

3.4 超高层建筑自然能源利用的标准化问题

超高层建筑自然能源可持续利用的管理应遵循可持续发展原则、生态质量原则、动态性原则、可比性原则和可行性原则。我国已经成为全球超高层建筑自然能源利用的大国,也是相关产业的大国,但是缺乏统一的政策法规和技术标准,缺乏严格统一的行业准入标准,相关部门的管理范围及管理权限尚未得到明确的界定,缺乏核心技术创新。因此,需要制定超高层建筑自然能源可持续利用的战略动态规划,加强自然能源利用相关科技的创新和研发,建立完备的超高层建筑自然能源开发利用绿色产业链,建立健全超高层建筑自然能源可持续利用的相关法律法规,从而实现超高层建筑自然能源的可持续利用。

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