葛琦 唐崇文 包季軍 高亞威 王凱 吳冰清

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，高層與超高層建筑的發(fā)展十分迅猛。然而能源緊張和環(huán)境惡化一直以來都是世界各國(guó)面臨的兩個(gè)重大問題，為了充分利用可再生資源，減少有限常規(guī)能源的消耗，本文探討了高層建筑設(shè)備層在風(fēng)能發(fā)電中的應(yīng)用前景，通過在設(shè)備層中開設(shè)風(fēng)洞并組建與安裝具有特殊性能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（如H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)），充分利用風(fēng)力發(fā)電為高層建筑提供清潔的可再生能源。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)；高層建筑；設(shè)備層

The exploration of wind power in the high-rise building design and use

Ge Qi， Tang Chong-wen， Bao Ji-jun， Gao Ya-we， Wang Kai， Wu Bingqing

Abstract： With the development of society and the advancement of technology， the development of high-level and high-rise building is very rapid. However， the energy shortage and environmental deterioration of the two major issues facing the world has always been， in order to take full advantage of renewable resources， reduce consumption of limited conventional energy， this paper investigates the layer of high-rise building equipment in the wind power by opened the device layer wind tunnel and set up and installation of vertical axis wind turbine with a special performance （such as the H-type vertical axis wind turbine）， and make full use of wind power for high-rise buildings to provide clean， renewable energy.

Key words： wind power； vertical axis wind turbine； high-rise buildings； device layer

1.引言

能源、環(huán)境是現(xiàn)代社會(huì)生存和發(fā)展所面臨的緊迫問題。隨著人們生活水平的日益提高，所消耗的能源也與日俱增，同時(shí)由于技術(shù)水平有限，能源的利用率普遍不高，而且在不合理的開采、運(yùn)輸、加工、使用、回收過程中，地球的生態(tài)環(huán)境也遭到相當(dāng)嚴(yán)重的破壞，開發(fā)和利用清潔的可再生綠色能源如今已成為全世界所面臨的緊迫任務(wù)。

風(fēng)能，作為一種清潔、無污染、分布廣、可再生的綠色能源，在全世界的蘊(yùn)藏量十分豐富，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電可謂是節(jié)能環(huán)保理念的最直接體現(xiàn)，與風(fēng)能發(fā)電相比較，中大型的水力發(fā)電站、火力發(fā)電站和核能發(fā)電站等不僅占地面積大，建造、運(yùn)營(yíng)和維修費(fèi)用更是巨大。隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)能利用率不斷提高，風(fēng)電設(shè)備也得到了不斷的改進(jìn)和完善。我國(guó)能源消耗巨大，其中建筑能耗約占總能耗的30%，因此，建筑節(jié)能意義重大，風(fēng)能發(fā)電在建筑中的有效應(yīng)用必將對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等各方面產(chǎn)生巨大的影響。

高層建筑風(fēng)能來源穩(wěn)定，可利用程度高，因此近年來在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了一些風(fēng)能與建筑的一體化設(shè)計(jì)案例。如巴林世貿(mào)中心利用水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，三座風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)每年可為大樓提供10%-15%的電力；又如位于廣州市的珠江城項(xiàng)目采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，4臺(tái)WS-10型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)期每年發(fā)電量可達(dá)到13萬kW·h左右。

但這些案例均為地標(biāo)性超高層建筑，造價(jià)高昂。在普通高層或超高層建筑中能否利用風(fēng)能發(fā)電呢？考慮到在高層或超高層建筑中每10-20層會(huì)設(shè)置一層設(shè)備層，但目前的建筑設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備層空間并未充分利用，所以作者認(rèn)為充分利用設(shè)備層，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，為建筑提供源源不斷的清潔能源將會(huì)帶來巨大的收益。因此，本文著重探討了如何充分有效地利用高層建筑設(shè)備層進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電，在不對(duì)建筑使用功能產(chǎn)生損害的前提條件下，對(duì)風(fēng)機(jī)選擇、設(shè)備層風(fēng)洞形式、建筑立面設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的形式多種多樣，一般來說可以按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向的位置不同分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究已趨于成熟，并且得到了有效的推廣，但就高層建筑而言，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)則更具應(yīng)用潛力。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最為典型的是達(dá)里厄式直葉片（H）型結(jié)構(gòu)，該型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是法國(guó)人達(dá)里厄在20世紀(jì)30年代初提出的，由于人們普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)輪的尖速比（葉尖處的線速度和風(fēng)速之比）不可能大于1，風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，從而導(dǎo)致此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期得不到重視。隨著科技的發(fā)展和測(cè)量技術(shù)的提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)輪的尖速比不僅能大于1，甚至可以達(dá)到6，并且其風(fēng)能利用率不低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。更值得一提的是，與野外環(huán)境的應(yīng)用相比，當(dāng)風(fēng)機(jī)應(yīng)用于建筑物時(shí)，噪音抑制便成為亟待解決的問題，在這方面H型垂直軸機(jī)組便充分顯示出了其低噪音的優(yōu)點(diǎn)，使其比水平軸機(jī)組更適宜應(yīng)用于人口密集的地區(qū)，最新的磁懸浮發(fā)電機(jī)組甚至可以做到靜音的工作狀態(tài)。應(yīng)用于高層建筑的風(fēng)能發(fā)電時(shí)，H型垂直軸機(jī)組還具備以下優(yōu)點(diǎn)：同樣的風(fēng)機(jī)重量和成本，H型垂直軸機(jī)組比水平軸風(fēng)機(jī)擁有更高的功率輸出；不依賴風(fēng)向，在風(fēng)向改變時(shí)無需對(duì)風(fēng)，不需要對(duì)風(fēng)跟蹤系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化；風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)離心力在葉片上產(chǎn)生純拉力，可保持空氣動(dòng)力特性不變；風(fēng)機(jī)的主要部件可置于風(fēng)輪的基礎(chǔ)底座中，使得運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低；運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速低，減少由于高速旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的葉片變形，同時(shí)還可以有效減少給鳥類帶來的威脅；運(yùn)行條件寬松，適合運(yùn)行的風(fēng)速范圍為2.5～25m/s，一般在45m/s的風(fēng)速下仍可運(yùn)行，可以更有效的適應(yīng)高層建筑的風(fēng)力環(huán)境。

圖1 H型垂直軸發(fā)電機(jī)

3. 建筑設(shè)備層的設(shè)計(jì)

3.1 建筑整體立面設(shè)計(jì)

作者認(rèn)為，利用高層建筑設(shè)備層進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電需要考慮以下兩個(gè)方面的問題：（1）如何在不妨礙設(shè)備層使用功能的同時(shí)做到對(duì)風(fēng)能的高效合理利用；（2）如何做到在建筑設(shè)備層設(shè)置風(fēng)洞的同時(shí)保持建筑外部的美觀協(xié)調(diào)。

在高層建筑中，根據(jù)總建筑面積的不同，設(shè)備層層高也有所不同，有的設(shè)備層層高可達(dá)到6米以上，這樣就比較適合于風(fēng)洞和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的靈活布置。研究表明，建筑總高度60%-70%的位置為氣流“分離點(diǎn)”所在區(qū)域，被高層建筑所阻擋的風(fēng)會(huì)從“分離點(diǎn)”產(chǎn)生上下及左右的回旋氣流，其相互碰撞形成旋風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)區(qū)域。利用這一特點(diǎn)，將風(fēng)電機(jī)組在該位置充分布置則可以有效地提高風(fēng)能的利用率。

設(shè)備層中風(fēng)洞的開設(shè)會(huì)極大影響建筑的立面效果，所以合理美觀的立面設(shè)計(jì)是設(shè)備層風(fēng)電設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面。作者認(rèn)為，可將風(fēng)洞的進(jìn)出口設(shè)計(jì)成曲面形狀，根據(jù)英國(guó)盧瑟福·阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)斯圖加特大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的風(fēng)能建筑方案實(shí)驗(yàn)結(jié)果，合理的曲面設(shè)計(jì)可以使發(fā)電效率提高一倍。但將建筑物整體做成曲面形狀的方案使得造價(jià)非常昂貴，所以在本文中，作者僅對(duì)風(fēng)洞的進(jìn)出口局部進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)計(jì)一方面可以改善建筑物的立面造型，另一方面“喇叭口效應(yīng)”還有利于設(shè)備層風(fēng)洞入口處氣流的引導(dǎo)和增強(qiáng)。

3.2 設(shè)備層平面、剖面及功能設(shè)計(jì)

從現(xiàn)階段風(fēng)能建筑一體化的發(fā)展趨勢(shì)看，通過改變風(fēng)電機(jī)組設(shè)備自身的性能來提高發(fā)電效率是比較困難的，所以其風(fēng)能利用率很大程度上取決于場(chǎng)地的風(fēng)力環(huán)境和設(shè)備層內(nèi)部風(fēng)洞布置方案的選擇。針對(duì)這兩個(gè)問題我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了分析：

3.2.1因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電依賴于風(fēng)力環(huán)境，所以其輸出很不穩(wěn)定，這就要求我們要針對(duì)不同的場(chǎng)址，進(jìn)行充分的風(fēng)力環(huán)境調(diào)查、分析及計(jì)算，必要時(shí)對(duì)整個(gè)建筑布局進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)風(fēng)力環(huán)境的變化。

3.2.2設(shè)備層中原有的給排水及暖通系統(tǒng)等往往為了達(dá)到有效利用和節(jié)約空間的目的而按高度進(jìn)行分區(qū)，所以設(shè)備層內(nèi)的風(fēng)洞布置需要結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的安裝要求及原有系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)以達(dá)到節(jié)約空間、降低造價(jià)的目的。

3.2.3在符合建筑物自身結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上按照空氣動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備層的布局設(shè)計(jì)，達(dá)到風(fēng)能的合理利用。

3.2.4在設(shè)備層內(nèi)裝配風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，由于風(fēng)機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)會(huì)大幅度降低周邊環(huán)境溫度，所以可考慮與制冷機(jī)房等設(shè)備系統(tǒng)相結(jié)合，在減少能耗的同時(shí)提高能源的利用率。

4. 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

隨風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境不同，其經(jīng)濟(jì)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)隨之發(fā)生改變。對(duì)于風(fēng)能建筑一體化方案，若要使其具有更大的發(fā)展?jié)摿透鼜?qiáng)烈的市場(chǎng)效應(yīng)，必須完善以下幾點(diǎn)：

（1）基于智能電網(wǎng)將不穩(wěn)定的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為質(zhì)量有保證的電能，不斷提高發(fā)電量、容量系數(shù)和風(fēng)能利用率；

（2）優(yōu)化風(fēng)機(jī)組裝設(shè)計(jì)，減少風(fēng)機(jī)對(duì)周圍環(huán)境的不利影響，提高風(fēng)機(jī)裝配的安全系數(shù)；

（3）將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，使得風(fēng)電機(jī)組可進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和市場(chǎng)化流通，從而降低風(fēng)電設(shè)備的成本。

風(fēng)能建筑一體化的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估取決風(fēng)力發(fā)電的成本和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生電能的貨幣經(jīng)濟(jì)效益，以及在未來顯現(xiàn)的環(huán)境和生態(tài)效益。此處主要針對(duì)前者進(jìn)行淺析，作者認(rèn)為其經(jīng)濟(jì)性評(píng)估應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

（1）基于風(fēng)力環(huán)境的詳細(xì)調(diào)查推測(cè)風(fēng)能的利用率

（2）風(fēng)電系統(tǒng)的使用年限

（3）預(yù)測(cè)并計(jì)算年發(fā)電量

（4）資金成本

（5）融資成本

（6）運(yùn)行維修成本

對(duì)于每一個(gè)風(fēng)能建筑項(xiàng)目，在開展之前都需要針對(duì)具體情況進(jìn)行仔細(xì)核算，以確保最大的收益，并非每個(gè)項(xiàng)目都適合于此方案。但隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，各種型號(hào)和款式的風(fēng)電機(jī)組層出不窮，必將對(duì)本文設(shè)計(jì)方案的推廣應(yīng)用起到巨大的推動(dòng)作用。

5.結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電在高層建筑設(shè)備層中的設(shè)計(jì)運(yùn)用探討，可得出如下結(jié)論：

（1）巧妙地將風(fēng)力發(fā)電與建筑物相結(jié)合可以減少不可再生能源的消耗，減少有害氣體的排放，遏制溫室效應(yīng)，具有很好的環(huán)保效益。

（2）高層建筑中的設(shè)備層非常適合于安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，合理的設(shè)備層高度、風(fēng)洞的合理布置及合理的立面設(shè)計(jì)是設(shè)備層風(fēng)電方案成功與否的關(guān)鍵。

（3）中小型（H型）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與建筑物的一體化設(shè)計(jì)是一個(gè)新穎而且具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能環(huán)保方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐大平、柳亦兵、呂躍剛.風(fēng)力發(fā)電原理[M].第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011；145-153

[2] 牛山泉著.劉薇、李巖譯.風(fēng)能技術(shù)[M].第1版.北京：科學(xué)出版社，2009；545-56.201-208

[3] 李秋勝、李永貴、陳伏彬、趙松林、朱楚南.風(fēng)能發(fā)電在超高層建筑中的應(yīng)用研究[J].第十四屆全國(guó)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2009

[4] 王海云、王維慶、朱新湘、梁斌.風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)[M].第1版.重慶：重慶大學(xué)出版社，20010；90-98

[5] 王紹合、徐自國(guó)、肖從真、羅海林、耿娜娜.高層建筑設(shè)備層結(jié)構(gòu)方案對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究[J]. 建筑科技，2011；27（5）