风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究

曹茂庆，马 龙，黄家栋，曹文瑞，卞洪滨

(1.黑龙江建筑职业技术学院，哈尔滨 150025；2.东北石油大学 建筑系，黑龙江 大庆 163318；3.天津大学 建筑与城市规划学院，天津 300072)

0 引言

随着城市快速发展，大力发展绿色建筑日益受到社会各界的高度重视，政府相继出台了一系列措施，努力将建筑业的发展从传统高能耗向高效绿色的发展模式转变。可再生能源的规划设计与利用是绿色建筑的核心。风能作为一种清洁、可再生、蕴藏大、分布广、成本低的高效可再生能源受到广泛重视。根据全球新能源网发布的《我国风能资源分布状况和我国风能资源开发条件》统计，我国可利用的10m以下低空风能资源非常丰富，如果空中风力资源全部开发，利用率达到 60%，仅风力发电一项就可以满足我国当前全部城市居民用电需求。在我国寒冷地区高层住宅建造工程中，有效引导风、接纳风、提高风速、合理选用发电设备、利用风能发电等途径，提高风能利用率的设计研究方兴未艾。我国寒区高层住宅由于地域环境制约，冬季长达半年时间，百姓呼唤空中交流花园平台，套型设计品质有待提升。通过寒区高层住宅套型设计、空中共享花园设计、建筑外表皮设计和风能利用设备有序布置等技术措施，将有利于实现风能利用的寒区高层住宅设计与风能利用的设备布置设计一体化。相信在国家产业政策的引领推动下，风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究及应用必将前景广阔。

1 风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究现状

1.1 风能技术在建筑领域应用现状

风能是一种可再生的清洁能源，风能技术应用历史悠久，早期勤劳智慧的人们通过在建筑顶部搭建捕风塔，运用自然通风的原理有效通风，实现室内外空气交换，改善室内空气质量和空气环境，提高人们生活舒适标准[1]。 20世纪风力涡轮机的出现，使人们主动利用风能为人类造福成为可能；20 世纪 70 年代，能源危机爆发，风能日益被人们所重视[2]；进入 20 世纪 90 年代，绿色建筑技术的迅猛发展，风能利用技术日益成熟。加拿大多伦多国家展览馆采用100万kW·h风力电机发电，为建筑日常运营提供绿色电能；日本研究生产出低风速小型风力电机，电机风车高度为3～5m，电机叶片直径2～4m，能让树叶摇动的低风速2m/s，即可实现电机发电工作，目前正推广应用于门市店铺、写字楼和公寓等类型建筑中[3]。我国的上海大厦采用在建筑顶层幕墙开设空洞安装风力发电机的方式，利用风能发电，在幕墙空洞处安装45台3kW垂直轴式风力发电机，每台风力发电机风车高度3.6m，叶片直径3m，风速4m/s，风力发电机即会工作，风力发电机设有限速保护装置，额定风速12～14m/s，使其输出功率保持较稳定。风力发电机每年为大厦提供157,500kW·h的绿色电力[4]。根据2010年10月绿色和平国际组织的预测，未来20年内，风力发电将成为世界的主力电源，能够满足全世界22%的电力需求[5]。

1.2 风能利用的寒区住宅套型设计研究现状

风能利用的寒区住宅套型设计研究在我国处于探索阶段，低风速能量收集方式、风能收集设备布置、发电设备与高层住宅套型设计一体化设计等方面的研究为数寥寥。当前，我国民用小型风力发电机技术已渐成熟，风电民用技术开发不断加快，应用逐渐普及；从目前寒区城市建设现状、风能利用技术水平、人们对风能的认知程度来看，风力发电有效利用于城市建设中已具备条件；风能利用的寒区高层花园住宅套型节能设计研究有着广阔前景。随着研究不断深入，研究成果不断推广应用，风能利用的寒区高层花园住宅套型设计必将在寒区建筑市场上占有一席之地。

2 风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究路径

目前，城市建设高楼林立，寒区风速较低，建筑规划对风环境考虑不足，绿化对风的引导不足，使得低空风速衰减很大[2]。风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究路径应遵循：

首先，如何有效利用低速风发电，是风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究面临的最主要问题。

其次，研究寒区建筑所在具体区域的风力资源，通过建筑总平面位置的各构成元素的合理布置来引导风、收集风；研究运用风的聚集效应、风压效应、狭管效应理论，布设风口风管提高风速，有效实现能量转化。

再次，在建筑设计中构建空中花园平台，有机植入机电设备、能量存储转化设备等风力发电设施设备。

最后，研究风力发电设施设备与建筑一体化设计[3]，使风能利用的高层住宅套型设计具有实用性、艺术性、人情化。

3 风能利用的理论依据

3.1 风能转化为电能的理论依据

风能转化为电能的核心原理是运用风力发电机，将风的动能转化为机械能，最终机械能转化成电能。风电机组输出功率主要取决于风力电机轮毂输出的合理风速。其基本关系式[4]如下：

Pwt,0为风机的额定功率；vci为风机的切入风速，即风机开始并网发电的最低风速；vco为风机的切出风速，即风机达到结构或系统安全发电上限的最高风速；vr为额定风速；v为实际风速。综上，通过上述(1)(2)(3)公式可知：

当实际风速小于等于切入风速(v≤vci)或大于等于切出风速(v≥vco)时，风机停止运转，电能转化率为0；当实际风速大于切入风速小于电机额定风速(vci

3.2 提高风速的理论依据

风速是制约风能转化为电能的重要因素，为大规模实现风力发电，风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究必须在提高风速上有所突破，提高低风速的利用率，保持风能利用发电的稳定性和持续性。

3.2.1 设置狭管提高风速

“狭管效应”。在自然环境下建立一个理想的狭管叶轮，风轮进口风速为v1，流经出口处叶轮后的风速为v2。进口风速流经叶片时的扫掠面积为s1，叶片中平面的扫掠面积为s2,风速流经叶片后的扫掠面积为s。风速产生的机械能即为风在叶轮上做的功转化而来，按流量计算公式[6]有：

s1v1=sv=s2v2——(5)

即风管面积与流经风速成反比关系。如面积缩小1/n则风速提高n倍。

3.2.2 高层住宅楼单元内设置竖向风压风道提高风速

竖向风压效应。在风管管径不变的情况下，影响管道内风速的因素主要取决于压力的大小，压力越大风速越快，风压越强[7]。当垂直送风时，根据伯努利原理，有如下高差与风速关系式：

公式中pi为风管入口风压，po为风管出口风压，ρ为空气密度，g为重力加速度值，vi为入口空气速度，v0为出口空气速度，h2为入口高度，h1为出口高度。

在理想情况下，空气密度在低空处变化量忽略不计，压力反向增加，则可进一步得出如下高差与风速关系式：

3.2.3 风集聚效应

目前，城市开发建设中以高层住宅群居多，对于等高的两排高层住宅而言，高层建筑间距控制在南向建筑高度的3倍距离，对后排建筑而言，建筑通风和风聚集效应较好[1]。间距超过3倍距离集聚效应会减弱。在建筑全高的1/2～4/5范围内风能集聚效应明显，其中在建筑高度 3/4处达最佳。当主风面两排高层住宅高差较大，后排建筑较高时，对后排高层住宅而言，建筑上部较为开敞，风能集聚效应随着建筑高差的增大会逐渐减弱，其中后排高层住宅风速最大部位位于前排建筑5/6高度处[8-9]。高层建筑群的风能集聚效应，有利于在建筑风集聚部位安装风口，在完成高层住宅套型基本布局之后，结合风聚集效应原理，运用“建筑通风(VENT)”建筑性能化分析软件，结合当地风环境，分析出建筑外表皮风聚集部位，在建筑外表皮布设风管，使风导入风管，进行风的有效收集和风能利用。

4 风能利用的寒区高层花园住宅套型设计的技术措施

绿色建筑是当今世界建筑发展的必然趋势，风能利用的寒区高层花园住宅套型设计是现代建筑与能源利用的一体化设计的方法之一[10]。一体化设计过程中，涉及到建筑总平面布置、绿化配套设施、建筑套型功能布置以及与发电设施、空间环境设施的科学统筹设计，建筑外表皮、建筑顶部造型与风能利用设施一体化设计等相关具体技术问题，通过将建筑技术与风能利用技术措施相结合，实施一体化的设计，助力全面推动城市绿色建筑综合发展[9]。

4.1 合理布置建筑总平面位置

寒区高层住宅风能利用与建筑总平面布置朝向密切相关，总平面中各建筑布置应有利于风能利用的高层住宅获得风，建筑应交错布置，建筑间应保持合理的间距，建筑间距应大于前排建筑高度的3倍[1]。风能利用的高层住宅的朝向应朝向当地的主导风向，取风口应考虑设置在风聚集部位，以利于风收集，风聚集部位可以通过建筑通风(VENT)、建筑性能化分析得到。利用风聚集效应和风压效应、狭管效应，使风管设置实现与住宅套型设计一体化，从而提高风能的利用率，使风能发电常态化，保障业主连续使用。

4.2 合理设置总平面绿化

寒区高层住宅的总平面绿化布置应有利于高层住宅获得风，运用乔木、灌木、绿篱等绿化的合理布置有效引导风[1]。形成绿化树木挡墙，改变风的流向、风流高度，利用绿化、道路布置形成通风走廊，以利于建筑外表皮有效接纳风。

4.3 合理设计风能利用的寒区高层住宅套型平面布局

住宅平面设计应以住宅平面单元套型为基础[11]，高层住宅平面单元套型设计亦应遵循这一原则。寒区高层住宅套型外墙围护结构要有合理的节能保温措施；合理设置楼梯、电梯、前室、管井、疏散走廊、风能利用竖向风管等空间构成的交通体；入户设置御寒过厅；套型平面宜南北布置设计，以利于建筑日照；合理布置住宅平面套型的起居厅、卧室、厨房、卫生间等各功能空间[11]。受新冠肺炎疫情影响，在风能利用的高层住宅套型设计时，不得不考虑相关的预防和隔离问题，套型设计要实现南北良好通风；将电梯厅设计成两个，当疫情突发时，通过电梯厅、楼梯间的有效封闭隔离实现洁污有效分离，南侧电梯厅为洁净区，北向楼电梯厅为污染区，两部电梯洁污分离；入户通道设两处，洁污分离；在南向电梯厅结合竖向风管构建邻里交流空间，设置洁净第二入户通道；在北向楼电梯厅入口处专设疫情防控通道，设置消杀区和隔离间；在套型平面布局时，结合餐厨分离的设计，将餐厅功能定位扩大为第二起居厅，使家庭成员起居与外来人员到访会客有效分离，第二起居厅布置在套型平面布局单元分隔墙端部，结合空中花园平台有效布置。寒区冬季漫长且寒冷，业主缺少交流活动适宜场所，在高层住宅套型单元间应植入风能收集利用的水平聚风风道，努力构建共享花园平台，使高层住宅套型平面布局与时俱进，实现绿色建筑“以人为本”的核心目标，以满足当前人们日益增长的生活需求(如图1、图2、图3所示)。

图1 自绘狭管层住宅单元套型平面组合图

图2 自绘空中花园层住宅单元套型平面组合图

图3 自绘屋面花园平面图

4.4 建筑外表皮设置取风口

风在高层住宅建筑外表皮的聚集效应给建筑表皮设置风能收集利用风口带来有力支撑，通过风聚集理论研究和建筑通风(VENT)、建筑性能化分析，寻找出高层住宅外表皮风聚集部位，设置风收集风口，安装竖向和水平狭管，使狭管与风机一体化。在进行风能收集的风口布置和建筑外表皮设计时，应考虑外立面风管装饰性、艺术性，实现风口、风道与建筑外表皮一体化设计的目标。

4.5 住宅套型设计植入风管

风的风压效应和风聚集效应原理，使风能利用成为可能，建筑师运用风的风压效应和风聚集效应，在住宅套型中植入竖向风管和水平聚风管提高风速，可有效实现风电能量转化，供本栋建筑照明使用，使风能利用的高层住宅套型设计成为现实。

一是运用“狭管效应”，利用高层住宅端山墙间防火间距，建立空中联系平台，搭建水平狭管风道、发电设备、风能存储设备、电力转换设备等，通过风管、风罩与风叶有效结合，设计新型建筑聚风道，收集风能，来提升风力电机发电率，实现风能连续转化电能的目的，实现高层住宅套型风能利用的可靠性，风管植入要考虑艺术性，与平台共同组成空中花园，实现建筑与发电设备一体化设计，如图1、图2、图3所示。

二是运用竖向风压风速提高效应，在客梯厅空间植入竖向风管，构建邻里交流空间。通过高层住宅套型功能布局设计，在高层住宅电梯厅部位结合邻里交流功能需求，设置休闲平台，平台中植入竖向风压风道，实现建筑、风道、发电设备一体化设计，可以使风定向流入风道，通过风的狭管效应、高位效应提高速度，风管、风罩与风叶有效结合、一体化设计，使建筑立面表情设计有序而增色(如图1、图2、图3所示)。

三是在高层住宅单元间高空建筑屋面女儿墙处，南北对向布置狭管一体化风机，提高风速收集风能，利用住宅套型建筑屋面，打造竖向聚风风能利用转化装置与空中花园一体化休闲与实用功能相结合的空间。风能设施的积极采用赋予了高层住宅设计的绿色建筑新体验，并实现了与屋面空中花园、建筑外表皮一体化建筑艺术设计(如图3所示)。

4.6 风能利用的寒区高层住宅套型一体化空中花园体系

在绿色生态花园城市建设理论提出之前，人们把城市比作钢筋混凝土的丛林，城市高层住宅建设缺乏统一规划和管理，设计科技创新不足，邻里之间缺少空中交流场所，缺少人情化[12]。近年来，建筑师与结构、设备工程师协作，探索风能利用与建筑一体化设计，开展风能利用建筑装配式、绿色生态花园住宅的设计、风能利用的装配式高层住宅套型设计的研究，为高层花园城市住宅建设提供了一个新途径[13]，使寒区高层住宅生活的人们更加舒适，更便于交流，提高了人们城市生活的质量，为实现大众绿色生态美好生活发挥了积极的作用。

4.6.1 套型内竖向聚风道与平台花园一体化

高层住宅18层以上的住宅单元套型设计两部电梯，一部为消防电梯兼客梯，另一部为客梯，同时应具备容纳担架的功能[11]。客梯厅是公共空间，是邻里出行通道场所，也是相识、见面交流的场所，具有开放性和可塑性；可以将客梯厅扩大，植入竖向装配式风管，将绿化布置与风管有机结合，将客梯厅设于南向，使它接触空气阳光，打造成空中花园的邻里小花园，利于邻里驻足休闲。电梯厅别开生面的设计，构建出绿色生态与装配式竖向聚风道有机组合的和谐平台系统(如图1所示)。

4.6.2 套型间水平聚风道与平台花园一体化

高层住宅楼与楼间要有必要的防火间距，依据《民用建筑防火设计规范》防火间距不应小于13m[14]，结合防火间距的要求，楼与楼山墙套型间要搭建防火平台，竖向3层聚风空间分别设计水平提高风速装配式聚风管，收集风能。竖向3层聚风空间与竖向3层邻里交流共享空间，设置间隔或设置室外楼梯连通，共同构建本楼邻里居民交流的场所，形成高层住宅楼与楼间水平聚风道与平台组合系统(如图4所示)。

图4 自绘空中花园剖视图

4.6.3 屋顶风能利用设备与平台花园一体化

随着人口大量涌入城市，可开发建设的土地日益短缺，居住区建筑容积率逐渐增大，建筑物之间的纵向楼间距变得越来越小，导致近地面低空风能的利用效率较弱。为良好收集风能，设计师将风力发电设备安装在建筑物顶层，全面收集风能，为绿色建筑群提供电能。通过风能收集设备与建筑物女儿墙的结合，实现风能利用设备与建筑屋面花园的一体化设计，共同构建高层住宅屋顶风能利用花园平台(如图3所示)。

5 风能利用能量转化效果

以展示设计风能利用的套型18层高层住宅设计为例，选用先进的垂直轴小型风力发电机，设计南侧电梯厅高位处2台、单元间平台处2台、单元间高位处8台，共计12台；北侧楼梯间高位处2台、单元间平台处2台、单元间高位处8台，共计12台。确保风机夏秋与春冬有12台运营，每日12台风机以额定功率发电。根据相关气象数据，哈尔滨年平均风速都在3m/s以上[6]，狭管入口风速参照3m/s，通过提高风速的发电功率计算供电使用情况，展现风能利用的效果。

5.1 风狭管效应效果

当水平聚风时，根据已知，聚风管道进风口直径d=9m，出风口直径d=3m，入射风速vi=3m/s，结合流体的连续性原理代入公式(5)，可得出口风速：vo=27m/s。

5.2 风压效应效果

当垂直送风时，即假定进风口高度为3m，出风口高为30m，入射风速vi=3m/s。根据伯努利原理，将标准条件下(20℃，1标准大气压)的空气密度和重力加速度代入公式(7)，可得出口风速：vo=26m/s。

5.3 垂直轴小型风力发电机参数

目前,市场上先进的垂直轴小型风力发电机参数：额定功率Pwt,0=5000W，额定风速限值为12m/s≤v0<45m/s。利用风压效应提高风速值为vo=26m/s；利用狭管效应，提高风速为vo=27m/s；风速满足额定风速要求，即在系统和设备正常运行过程中，每台风机均能达到额定发电功率Pwt,0=5000W，即1小时5度电。

5.4 供电使用效果

每台风机1小时发电5度，一天24小时，发电量为120度。假设用户使用8W节能灯具，一天用电10小时，则每日供电照明灯具数=每日总发电量÷单个灯具能耗÷用电时长，每日供电照明灯具数=5000(W)×24(h)÷8(W)÷10(h)=1500(盏)；即每台风机可提供假定照明灯具数1500盏[15]。前述南北双向布置发电机组，每日保证12台风机以额定功率发电，可供不少于1.8万盏8W节能灯具照明，实现了绿色建筑节能。

6 结语

绿色建筑是当今建筑的发展方向，追求健康舒适的生活是人类共同的愿望。科技创新给绿色建筑的发展带来了源动力，风能利用的寒区高层花园住宅套型设计研究目前仅仅是一个设计方案，虽然理论依据成熟，但装配式竖向与水平风管的风能利用的效果还有待实验测试，高层住宅套型设计也有待国家出台政策予以进一步扶持，有待建筑开发商的了解、认同和百姓的接受。风能利用的寒区高层花园住宅套型设计绝不是一个空想，随着国家技术创新引领政策的不断落实，相关课题研究的不断深入，相信风能利用的寒区高层花园住宅套型设计一定会走进人们的生活，为实现人类绿色美好生活发挥积极的作用。