風力發(fā)電在高層建筑中的探索、設(shè)計與運用

葛琦 唐崇文 包季軍 高亞威 王凱 吳冰清

摘 要：隨著社會的發(fā)展與科技的進步，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面臨的兩個重大問題，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)備層在風能發(fā)電中的應(yīng)用前景，通過在設(shè)備層中開設(shè)風洞并組建與安裝具有特殊性能的垂直軸風力發(fā)電機（如H型垂直軸風力發(fā)電機），充分利用風力發(fā)電為高層建筑提供清潔的可再生能源。

關(guān)鍵詞： 風力發(fā)電；垂直軸風力發(fā)電機；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、運輸、加工、使用、回收過程中，地球的生態(tài)環(huán)境也遭到相當嚴重的破壞，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，在全世界的蘊藏量十分豐富，利用風能進行發(fā)電可謂是節(jié)能環(huán)保理念的最直接體現(xiàn)，與風能發(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、運營和維修費用更是巨大。隨著風電技術(shù)的發(fā)展，風能利用率不斷提高，風電設(shè)備也得到了不斷的改進和完善。我國能源消耗巨大，其中建筑能耗約占總能耗的30%，因此，建筑節(jié)能意義重大，風能發(fā)電在建筑中的有效應(yīng)用必將對經(jīng)濟、社會、環(huán)境等各方面產(chǎn)生巨大的影響。

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

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

2.風力發(fā)電機的選擇

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

垂直軸風力發(fā)電機中最為典型的是達里厄式直葉片（H）型結(jié)構(gòu)，該型垂直軸風力發(fā)電機是法國人達里厄在20世紀30年代初提出的，由于人們普遍認為垂直軸風輪的尖速比（葉尖處的線速度和風速之比）不可能大于1，風能利用率低于水平軸風力發(fā)電機，從而導致此類風力發(fā)電機長期得不到重視。隨著科技的發(fā)展和測量技術(shù)的提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)達里厄型垂直軸風輪的尖速比不僅能大于1，甚至可以達到6，并且其風能利用率不低于水平軸風力發(fā)電機。更值得一提的是，與野外環(huán)境的應(yīng)用相比，當風機應(yīng)用于建筑物時，噪音抑制便成為亟待解決的問題，在這方面H型垂直軸機組便充分顯示出了其低噪音的優(yōu)點，使其比水平軸機組更適宜應(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)用于高層建筑的風能發(fā)電時，H型垂直軸機組還具備以下優(yōu)點：同樣的風機重量和成本，H型垂直軸機組比水平軸風機擁有更高的功率輸出；不依賴風向，在風向改變時無需對風，不需要對風跟蹤系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計得到簡化；風輪在旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)離心力在葉片上產(chǎn)生純拉力，可保持空氣動力特性不變；風機的主要部件可置于風輪的基礎(chǔ)底座中，使得運行維護費用較低；運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速低，減少由于高速旋轉(zhuǎn)而導致的葉片變形，同時還可以有效減少給鳥類帶來的威脅；運行條件寬松，適合運行的風速范圍為2.5～25m/s，一般在45m/s的風速下仍可運行，可以更有效的適應(yīng)高層建筑的風力環(huán)境。

圖1 H型垂直軸發(fā)電機

3. 建筑設(shè)備層的設(shè)計

3.1 建筑整體立面設(shè)計

作者認為，利用高層建筑設(shè)備層進行風能發(fā)電需要考慮以下兩個方面的問題：（1）如何在不妨礙設(shè)備層使用功能的同時做到對風能的高效合理利用；（2）如何做到在建筑設(shè)備層設(shè)置風洞的同時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)備層層高可達到6米以上，這樣就比較適合于風洞和風力發(fā)電機的靈活布置。研究表明，建筑總高度60%-70%的位置為氣流“分離點”所在區(qū)域，被高層建筑所阻擋的風會從“分離點”產(chǎn)生上下及左右的回旋氣流，其相互碰撞形成旋風和強風區(qū)域。利用這一特點，將風電機組在該位置充分布置則可以有效地提高風能的利用率。

設(shè)備層中風洞的開設(shè)會極大影響建筑的立面效果，所以合理美觀的立面設(shè)計是設(shè)備層風電設(shè)計的另一個重要方面。作者認為，可將風洞的進出口設(shè)計成曲面形狀，根據(jù)英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室和德國斯圖加特大學聯(lián)合設(shè)計的風能建筑方案實驗結(jié)果，合理的曲面設(shè)計可以使發(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非常昂貴，所以在本文中，作者僅對風洞的進出口局部進行曲面設(shè)計。這樣的設(shè)計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)備層風洞入口處氣流的引導和增強。

3.2 設(shè)備層平面、剖面及功能設(shè)計

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

3.2.1因為風力發(fā)電依賴于風力環(huán)境，所以其輸出很不穩(wěn)定，這就要求我們要針對不同的場址，進行充分的風力環(huán)境調(diào)查、分析及計算，必要時對整個建筑布局進行調(diào)整以適應(yīng)風力環(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)等往往為了達到有效利用和節(jié)約空間的目的而按高度進行分區(qū)，所以設(shè)備層內(nèi)的風洞布置需要結(jié)合風電機組的安裝要求及原有系統(tǒng)的功能要求進行合理的設(shè)計以達到節(jié)約空間、降低造價的目的。

3.2.3在符合建筑物自身結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上按照空氣動力學原理進行風電設(shè)備層的布局設(shè)計，達到風能的合理利用。

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

4. 經(jīng)濟性評估

隨風電系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境不同，其經(jīng)濟性評估標準也會隨之發(fā)生改變。對于風能建筑一體化方案，若要使其具有更大的發(fā)展?jié)摿透鼜娏业氖袌鲂?yīng)，必須完善以下幾點：

（1）基于智能電網(wǎng)將不穩(wěn)定的風能轉(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)和風能利用率；

（2）優(yōu)化風機組裝設(shè)計，減少風機對周圍環(huán)境的不利影響，提高風機裝配的安全系數(shù)；

（3）將風力發(fā)電技術(shù)標準化和規(guī)范化，使得風電機組可進行大規(guī)模生產(chǎn)和市場化流通，從而降低風電設(shè)備的成本。

風能建筑一體化的經(jīng)濟性評估取決風力發(fā)電的成本和風力發(fā)電產(chǎn)生電能的貨幣經(jīng)濟效益，以及在未來顯現(xiàn)的環(huán)境和生態(tài)效益。此處主要針對前者進行淺析，作者認為其經(jīng)濟性評估應(yīng)考慮以下幾個方面：

（1）基于風力環(huán)境的詳細調(diào)查推測風能的利用率

（2）風電系統(tǒng)的使用年限

（3）預測并計算年發(fā)電量

（4）資金成本

（5）融資成本

（6）運行維修成本

對于每一個風能建筑項目，在開展之前都需要針對具體情況進行仔細核算，以確保最大的收益，并非每個項目都適合于此方案。但隨著風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，各種型號和款式的風電機組層出不窮，必將對本文設(shè)計方案的推廣應(yīng)用起到巨大的推動作用。

5.結(jié)論

通過對風力發(fā)電在高層建筑設(shè)備層中的設(shè)計運用探討，可得出如下結(jié)論：

（1）巧妙地將風力發(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力發(fā)電機，合理的設(shè)備層高度、風洞的合理布置及合理的立面設(shè)計是設(shè)備層風電方案成功與否的關(guān)鍵。

（3）中小型（H型）垂直軸風力發(fā)電機與建筑物的一體化設(shè)計是一個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

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

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

[3] 李秋勝、李永貴、陳伏彬、趙松林、朱楚南.風能發(fā)電在超高層建筑中的應(yīng)用研究[J].第十四屆全國結(jié)構(gòu)風工程學術(shù)會議論文集，2009

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

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