風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究

曹茂慶，馬 龍，黃家棟，曹文瑞，卞洪濱

(1.黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150025；2.東北石油大學(xué) 建筑系，黑龍江 大慶 163318；3.天津大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，天津 300072)

0 引言

隨著城市快速發(fā)展，大力發(fā)展綠色建筑日益受到社會(huì)各界的高度重視，政府相繼出臺(tái)了一系列措施，努力將建筑業(yè)的發(fā)展從傳統(tǒng)高能耗向高效綠色的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。可再生能源的規(guī)劃設(shè)計(jì)與利用是綠色建筑的核心。風(fēng)能作為一種清潔、可再生、蘊(yùn)藏大、分布廣、成本低的高效可再生能源受到廣泛重視。根據(jù)全球新能源網(wǎng)發(fā)布的《我國(guó)風(fēng)能資源分布狀況和我國(guó)風(fēng)能資源開發(fā)條件》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)可利用的10m以下低空風(fēng)能資源非常豐富，如果空中風(fēng)力資源全部開發(fā)，利用率達(dá)到 60%，僅風(fēng)力發(fā)電一項(xiàng)就可以滿足我國(guó)當(dāng)前全部城市居民用電需求。在我國(guó)寒冷地區(qū)高層住宅建造工程中，有效引導(dǎo)風(fēng)、接納風(fēng)、提高風(fēng)速、合理選用發(fā)電設(shè)備、利用風(fēng)能發(fā)電等途徑，提高風(fēng)能利用率的設(shè)計(jì)研究方興未艾。我國(guó)寒區(qū)高層住宅由于地域環(huán)境制約，冬季長(zhǎng)達(dá)半年時(shí)間，百姓呼喚空中交流花園平臺(tái)，套型設(shè)計(jì)品質(zhì)有待提升。通過寒區(qū)高層住宅套型設(shè)計(jì)、空中共享花園設(shè)計(jì)、建筑外表皮設(shè)計(jì)和風(fēng)能利用設(shè)備有序布置等技術(shù)措施，將有利于實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用的寒區(qū)高層住宅設(shè)計(jì)與風(fēng)能利用的設(shè)備布置設(shè)計(jì)一體化。相信在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的引領(lǐng)推動(dòng)下，風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用必將前景廣闊。

1 風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)能技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

風(fēng)能是一種可再生的清潔能源，風(fēng)能技術(shù)應(yīng)用歷史悠久，早期勤勞智慧的人們通過在建筑頂部搭建捕風(fēng)塔，運(yùn)用自然通風(fēng)的原理有效通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣交換，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和空氣環(huán)境，提高人們生活舒適標(biāo)準(zhǔn)[1]。 20世紀(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)的出現(xiàn)，使人們主動(dòng)利用風(fēng)能為人類造福成為可能；20 世紀(jì) 70 年代，能源危機(jī)爆發(fā)，風(fēng)能日益被人們所重視[2]；進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，綠色建筑技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)能利用技術(shù)日益成熟。加拿大多倫多國(guó)家展覽館采用100萬kW·h風(fēng)力電機(jī)發(fā)電，為建筑日常運(yùn)營(yíng)提供綠色電能；日本研究生產(chǎn)出低風(fēng)速小型風(fēng)力電機(jī)，電機(jī)風(fēng)車高度為3～5m，電機(jī)葉片直徑2～4m，能讓樹葉搖動(dòng)的低風(fēng)速2m/s，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)發(fā)電工作，目前正推廣應(yīng)用于門市店鋪、寫字樓和公寓等類型建筑中[3]。我國(guó)的上海大廈采用在建筑頂層幕墻開設(shè)空洞安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方式，利用風(fēng)能發(fā)電，在幕墻空洞處安裝45臺(tái)3kW垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)車高度3.6m，葉片直徑3m，風(fēng)速4m/s，風(fēng)力發(fā)電機(jī)即會(huì)工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)有限速保護(hù)裝置，額定風(fēng)速12～14m/s，使其輸出功率保持較穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)每年為大廈提供157,500kW·h的綠色電力[4]。根據(jù)2010年10月綠色和平國(guó)際組織的預(yù)測(cè)，未來20年內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電將成為世界的主力電源，能夠滿足全世界22%的電力需求[5]。

1.2 風(fēng)能利用的寒區(qū)住宅套型設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

風(fēng)能利用的寒區(qū)住宅套型設(shè)計(jì)研究在我國(guó)處于探索階段，低風(fēng)速能量收集方式、風(fēng)能收集設(shè)備布置、發(fā)電設(shè)備與高層住宅套型設(shè)計(jì)一體化設(shè)計(jì)等方面的研究為數(shù)寥寥。當(dāng)前，我國(guó)民用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)已漸成熟，風(fēng)電民用技術(shù)開發(fā)不斷加快，應(yīng)用逐漸普及；從目前寒區(qū)城市建設(shè)現(xiàn)狀、風(fēng)能利用技術(shù)水平、人們對(duì)風(fēng)能的認(rèn)知程度來看，風(fēng)力發(fā)電有效利用于城市建設(shè)中已具備條件；風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型節(jié)能設(shè)計(jì)研究有著廣闊前景。隨著研究不斷深入，研究成果不斷推廣應(yīng)用，風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)必將在寒區(qū)建筑市場(chǎng)上占有一席之地。

2 風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究路徑

目前，城市建設(shè)高樓林立，寒區(qū)風(fēng)速較低，建筑規(guī)劃對(duì)風(fēng)環(huán)境考慮不足，綠化對(duì)風(fēng)的引導(dǎo)不足，使得低空風(fēng)速衰減很大[2]。風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究路徑應(yīng)遵循：

首先，如何有效利用低速風(fēng)發(fā)電，是風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究面臨的最主要問題。

其次，研究寒區(qū)建筑所在具體區(qū)域的風(fēng)力資源，通過建筑總平面位置的各構(gòu)成元素的合理布置來引導(dǎo)風(fēng)、收集風(fēng)；研究運(yùn)用風(fēng)的聚集效應(yīng)、風(fēng)壓效應(yīng)、狹管效應(yīng)理論，布設(shè)風(fēng)口風(fēng)管提高風(fēng)速，有效實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。

再次，在建筑設(shè)計(jì)中構(gòu)建空中花園平臺(tái)，有機(jī)植入機(jī)電設(shè)備、能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化設(shè)備等風(fēng)力發(fā)電設(shè)施設(shè)備。

最后，研究風(fēng)力發(fā)電設(shè)施設(shè)備與建筑一體化設(shè)計(jì)[3]，使風(fēng)能利用的高層住宅套型設(shè)計(jì)具有實(shí)用性、藝術(shù)性、人情化。

3 風(fēng)能利用的理論依據(jù)

3.1 風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的理論依據(jù)

風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的核心原理是運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)電機(jī)組輸出功率主要取決于風(fēng)力電機(jī)輪轂輸出的合理風(fēng)速。其基本關(guān)系式[4]如下：

Pwt,0為風(fēng)機(jī)的額定功率；vci為風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速，即風(fēng)機(jī)開始并網(wǎng)發(fā)電的最低風(fēng)速；vco為風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速，即風(fēng)機(jī)達(dá)到結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)安全發(fā)電上限的最高風(fēng)速；vr為額定風(fēng)速；v為實(shí)際風(fēng)速。綜上，通過上述(1)(2)(3)公式可知：

當(dāng)實(shí)際風(fēng)速小于等于切入風(fēng)速(v≤vci)或大于等于切出風(fēng)速(v≥vco)時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)化率為0；當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于切入風(fēng)速小于電機(jī)額定風(fēng)速(vci

3.2 提高風(fēng)速的理論依據(jù)

風(fēng)速是制約風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要因素，為大規(guī)模實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究必須在提高風(fēng)速上有所突破，提高低風(fēng)速的利用率，保持風(fēng)能利用發(fā)電的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

3.2.1 設(shè)置狹管提高風(fēng)速

“狹管效應(yīng)”。在自然環(huán)境下建立一個(gè)理想的狹管葉輪，風(fēng)輪進(jìn)口風(fēng)速為v1，流經(jīng)出口處葉輪后的風(fēng)速為v2。進(jìn)口風(fēng)速流經(jīng)葉片時(shí)的掃掠面積為s1，葉片中平面的掃掠面積為s2,風(fēng)速流經(jīng)葉片后的掃掠面積為s。風(fēng)速產(chǎn)生的機(jī)械能即為風(fēng)在葉輪上做的功轉(zhuǎn)化而來，按流量計(jì)算公式[6]有：

s1v1=sv=s2v2——(5)

即風(fēng)管面積與流經(jīng)風(fēng)速成反比關(guān)系。如面積縮小1/n則風(fēng)速提高n倍。

3.2.2 高層住宅樓單元內(nèi)設(shè)置豎向風(fēng)壓風(fēng)道提高風(fēng)速

豎向風(fēng)壓效應(yīng)。在風(fēng)管管徑不變的情況下，影響管道內(nèi)風(fēng)速的因素主要取決于壓力的大小，壓力越大風(fēng)速越快，風(fēng)壓越強(qiáng)[7]。當(dāng)垂直送風(fēng)時(shí)，根據(jù)伯努利原理，有如下高差與風(fēng)速關(guān)系式：

公式中pi為風(fēng)管入口風(fēng)壓，po為風(fēng)管出口風(fēng)壓，ρ為空氣密度，g為重力加速度值，vi為入口空氣速度，v0為出口空氣速度，h2為入口高度，h1為出口高度。

在理想情況下，空氣密度在低空處變化量忽略不計(jì)，壓力反向增加，則可進(jìn)一步得出如下高差與風(fēng)速關(guān)系式：

3.2.3 風(fēng)集聚效應(yīng)

目前，城市開發(fā)建設(shè)中以高層住宅群居多，對(duì)于等高的兩排高層住宅而言，高層建筑間距控制在南向建筑高度的3倍距離，對(duì)后排建筑而言，建筑通風(fēng)和風(fēng)聚集效應(yīng)較好[1]。間距超過3倍距離集聚效應(yīng)會(huì)減弱。在建筑全高的1/2～4/5范圍內(nèi)風(fēng)能集聚效應(yīng)明顯，其中在建筑高度 3/4處達(dá)最佳。當(dāng)主風(fēng)面兩排高層住宅高差較大，后排建筑較高時(shí)，對(duì)后排高層住宅而言，建筑上部較為開敞，風(fēng)能集聚效應(yīng)隨著建筑高差的增大會(huì)逐漸減弱，其中后排高層住宅風(fēng)速最大部位位于前排建筑5/6高度處[8-9]。高層建筑群的風(fēng)能集聚效應(yīng)，有利于在建筑風(fēng)集聚部位安裝風(fēng)口，在完成高層住宅套型基本布局之后，結(jié)合風(fēng)聚集效應(yīng)原理，運(yùn)用“建筑通風(fēng)(VENT)”建筑性能化分析軟件，結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境，分析出建筑外表皮風(fēng)聚集部位，在建筑外表皮布設(shè)風(fēng)管，使風(fēng)導(dǎo)入風(fēng)管，進(jìn)行風(fēng)的有效收集和風(fēng)能利用。

4 風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)的技術(shù)措施

綠色建筑是當(dāng)今世界建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)，風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)是現(xiàn)代建筑與能源利用的一體化設(shè)計(jì)的方法之一[10]。一體化設(shè)計(jì)過程中，涉及到建筑總平面布置、綠化配套設(shè)施、建筑套型功能布置以及與發(fā)電設(shè)施、空間環(huán)境設(shè)施的科學(xué)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，建筑外表皮、建筑頂部造型與風(fēng)能利用設(shè)施一體化設(shè)計(jì)等相關(guān)具體技術(shù)問題，通過將建筑技術(shù)與風(fēng)能利用技術(shù)措施相結(jié)合，實(shí)施一體化的設(shè)計(jì)，助力全面推動(dòng)城市綠色建筑綜合發(fā)展[9]。

4.1 合理布置建筑總平面位置

寒區(qū)高層住宅風(fēng)能利用與建筑總平面布置朝向密切相關(guān)，總平面中各建筑布置應(yīng)有利于風(fēng)能利用的高層住宅獲得風(fēng)，建筑應(yīng)交錯(cuò)布置，建筑間應(yīng)保持合理的間距，建筑間距應(yīng)大于前排建筑高度的3倍[1]。風(fēng)能利用的高層住宅的朝向應(yīng)朝向當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向，取風(fēng)口應(yīng)考慮設(shè)置在風(fēng)聚集部位，以利于風(fēng)收集，風(fēng)聚集部位可以通過建筑通風(fēng)(VENT)、建筑性能化分析得到。利用風(fēng)聚集效應(yīng)和風(fēng)壓效應(yīng)、狹管效應(yīng)，使風(fēng)管設(shè)置實(shí)現(xiàn)與住宅套型設(shè)計(jì)一體化，從而提高風(fēng)能的利用率，使風(fēng)能發(fā)電常態(tài)化，保障業(yè)主連續(xù)使用。

4.2 合理設(shè)置總平面綠化

寒區(qū)高層住宅的總平面綠化布置應(yīng)有利于高層住宅獲得風(fēng)，運(yùn)用喬木、灌木、綠籬等綠化的合理布置有效引導(dǎo)風(fēng)[1]。形成綠化樹木擋墻，改變風(fēng)的流向、風(fēng)流高度，利用綠化、道路布置形成通風(fēng)走廊，以利于建筑外表皮有效接納風(fēng)。

4.3 合理設(shè)計(jì)風(fēng)能利用的寒區(qū)高層住宅套型平面布局

住宅平面設(shè)計(jì)應(yīng)以住宅平面單元套型為基礎(chǔ)[11]，高層住宅平面單元套型設(shè)計(jì)亦應(yīng)遵循這一原則。寒區(qū)高層住宅套型外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)要有合理的節(jié)能保溫措施；合理設(shè)置樓梯、電梯、前室、管井、疏散走廊、風(fēng)能利用豎向風(fēng)管等空間構(gòu)成的交通體；入戶設(shè)置御寒過廳；套型平面宜南北布置設(shè)計(jì)，以利于建筑日照；合理布置住宅平面套型的起居廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間等各功能空間[11]。受新冠肺炎疫情影響，在風(fēng)能利用的高層住宅套型設(shè)計(jì)時(shí)，不得不考慮相關(guān)的預(yù)防和隔離問題，套型設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)南北良好通風(fēng)；將電梯廳設(shè)計(jì)成兩個(gè)，當(dāng)疫情突發(fā)時(shí)，通過電梯廳、樓梯間的有效封閉隔離實(shí)現(xiàn)潔污有效分離，南側(cè)電梯廳為潔凈區(qū)，北向樓電梯廳為污染區(qū)，兩部電梯潔污分離；入戶通道設(shè)兩處，潔污分離；在南向電梯廳結(jié)合豎向風(fēng)管構(gòu)建鄰里交流空間，設(shè)置潔凈第二入戶通道；在北向樓電梯廳入口處專設(shè)疫情防控通道，設(shè)置消殺區(qū)和隔離間；在套型平面布局時(shí)，結(jié)合餐廚分離的設(shè)計(jì)，將餐廳功能定位擴(kuò)大為第二起居廳，使家庭成員起居與外來人員到訪會(huì)客有效分離，第二起居廳布置在套型平面布局單元分隔墻端部，結(jié)合空中花園平臺(tái)有效布置。寒區(qū)冬季漫長(zhǎng)且寒冷，業(yè)主缺少交流活動(dòng)適宜場(chǎng)所，在高層住宅套型單元間應(yīng)植入風(fēng)能收集利用的水平聚風(fēng)風(fēng)道，努力構(gòu)建共享花園平臺(tái)，使高層住宅套型平面布局與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)現(xiàn)綠色建筑“以人為本”的核心目標(biāo)，以滿足當(dāng)前人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需求(如圖1、圖2、圖3所示)。

圖1 自繪狹管層住宅單元套型平面組合圖

圖2 自繪空中花園層住宅單元套型平面組合圖

圖3 自繪屋面花園平面圖

4.4 建筑外表皮設(shè)置取風(fēng)口

風(fēng)在高層住宅建筑外表皮的聚集效應(yīng)給建筑表皮設(shè)置風(fēng)能收集利用風(fēng)口帶來有力支撐，通過風(fēng)聚集理論研究和建筑通風(fēng)(VENT)、建筑性能化分析，尋找出高層住宅外表皮風(fēng)聚集部位，設(shè)置風(fēng)收集風(fēng)口，安裝豎向和水平狹管，使狹管與風(fēng)機(jī)一體化。在進(jìn)行風(fēng)能收集的風(fēng)口布置和建筑外表皮設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮外立面風(fēng)管裝飾性、藝術(shù)性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)口、風(fēng)道與建筑外表皮一體化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4.5 住宅套型設(shè)計(jì)植入風(fēng)管

風(fēng)的風(fēng)壓效應(yīng)和風(fēng)聚集效應(yīng)原理，使風(fēng)能利用成為可能，建筑師運(yùn)用風(fēng)的風(fēng)壓效應(yīng)和風(fēng)聚集效應(yīng)，在住宅套型中植入豎向風(fēng)管和水平聚風(fēng)管提高風(fēng)速，可有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)電能量轉(zhuǎn)化，供本棟建筑照明使用，使風(fēng)能利用的高層住宅套型設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。

一是運(yùn)用“狹管效應(yīng)”，利用高層住宅端山墻間防火間距，建立空中聯(lián)系平臺(tái)，搭建水平狹管風(fēng)道、發(fā)電設(shè)備、風(fēng)能存儲(chǔ)設(shè)備、電力轉(zhuǎn)換設(shè)備等，通過風(fēng)管、風(fēng)罩與風(fēng)葉有效結(jié)合，設(shè)計(jì)新型建筑聚風(fēng)道，收集風(fēng)能，來提升風(fēng)力電機(jī)發(fā)電率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能連續(xù)轉(zhuǎn)化電能的目的，實(shí)現(xiàn)高層住宅套型風(fēng)能利用的可靠性，風(fēng)管植入要考慮藝術(shù)性，與平臺(tái)共同組成空中花園，實(shí)現(xiàn)建筑與發(fā)電設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，如圖1、圖2、圖3所示。

二是運(yùn)用豎向風(fēng)壓風(fēng)速提高效應(yīng)，在客梯廳空間植入豎向風(fēng)管，構(gòu)建鄰里交流空間。通過高層住宅套型功能布局設(shè)計(jì)，在高層住宅電梯廳部位結(jié)合鄰里交流功能需求，設(shè)置休閑平臺(tái)，平臺(tái)中植入豎向風(fēng)壓風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)建筑、風(fēng)道、發(fā)電設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，可以使風(fēng)定向流入風(fēng)道，通過風(fēng)的狹管效應(yīng)、高位效應(yīng)提高速度，風(fēng)管、風(fēng)罩與風(fēng)葉有效結(jié)合、一體化設(shè)計(jì)，使建筑立面表情設(shè)計(jì)有序而增色(如圖1、圖2、圖3所示)。

三是在高層住宅單元間高空建筑屋面女兒墻處，南北對(duì)向布置狹管一體化風(fēng)機(jī)，提高風(fēng)速收集風(fēng)能，利用住宅套型建筑屋面，打造豎向聚風(fēng)風(fēng)能利用轉(zhuǎn)化裝置與空中花園一體化休閑與實(shí)用功能相結(jié)合的空間。風(fēng)能設(shè)施的積極采用賦予了高層住宅設(shè)計(jì)的綠色建筑新體驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了與屋面空中花園、建筑外表皮一體化建筑藝術(shù)設(shè)計(jì)(如圖3所示)。

4.6 風(fēng)能利用的寒區(qū)高層住宅套型一體化空中花園體系

在綠色生態(tài)花園城市建設(shè)理論提出之前，人們把城市比作鋼筋混凝土的叢林，城市高層住宅建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和管理，設(shè)計(jì)科技創(chuàng)新不足，鄰里之間缺少空中交流場(chǎng)所，缺少人情化[12]。近年來，建筑師與結(jié)構(gòu)、設(shè)備工程師協(xié)作，探索風(fēng)能利用與建筑一體化設(shè)計(jì)，開展風(fēng)能利用建筑裝配式、綠色生態(tài)花園住宅的設(shè)計(jì)、風(fēng)能利用的裝配式高層住宅套型設(shè)計(jì)的研究，為高層花園城市住宅建設(shè)提供了一個(gè)新途徑[13]，使寒區(qū)高層住宅生活的人們更加舒適，更便于交流，提高了人們城市生活的質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)大眾綠色生態(tài)美好生活發(fā)揮了積極的作用。

4.6.1 套型內(nèi)豎向聚風(fēng)道與平臺(tái)花園一體化

高層住宅18層以上的住宅單元套型設(shè)計(jì)兩部電梯，一部為消防電梯兼客梯，另一部為客梯，同時(shí)應(yīng)具備容納擔(dān)架的功能[11]。客梯廳是公共空間，是鄰里出行通道場(chǎng)所，也是相識(shí)、見面交流的場(chǎng)所，具有開放性和可塑性；可以將客梯廳擴(kuò)大，植入豎向裝配式風(fēng)管，將綠化布置與風(fēng)管有機(jī)結(jié)合，將客梯廳設(shè)于南向，使它接觸空氣陽光，打造成空中花園的鄰里小花園，利于鄰里駐足休閑。電梯廳別開生面的設(shè)計(jì)，構(gòu)建出綠色生態(tài)與裝配式豎向聚風(fēng)道有機(jī)組合的和諧平臺(tái)系統(tǒng)(如圖1所示)。

4.6.2 套型間水平聚風(fēng)道與平臺(tái)花園一體化

高層住宅樓與樓間要有必要的防火間距，依據(jù)《民用建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》防火間距不應(yīng)小于13m[14]，結(jié)合防火間距的要求，樓與樓山墻套型間要搭建防火平臺(tái)，豎向3層聚風(fēng)空間分別設(shè)計(jì)水平提高風(fēng)速裝配式聚風(fēng)管，收集風(fēng)能。豎向3層聚風(fēng)空間與豎向3層鄰里交流共享空間，設(shè)置間隔或設(shè)置室外樓梯連通，共同構(gòu)建本樓鄰里居民交流的場(chǎng)所，形成高層住宅樓與樓間水平聚風(fēng)道與平臺(tái)組合系統(tǒng)(如圖4所示)。

圖4 自繪空中花園剖視圖

4.6.3 屋頂風(fēng)能利用設(shè)備與平臺(tái)花園一體化

隨著人口大量涌入城市，可開發(fā)建設(shè)的土地日益短缺，居住區(qū)建筑容積率逐漸增大，建筑物之間的縱向樓間距變得越來越小，導(dǎo)致近地面低空風(fēng)能的利用效率較弱。為良好收集風(fēng)能，設(shè)計(jì)師將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安裝在建筑物頂層，全面收集風(fēng)能，為綠色建筑群提供電能。通過風(fēng)能收集設(shè)備與建筑物女兒墻的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用設(shè)備與建筑屋面花園的一體化設(shè)計(jì)，共同構(gòu)建高層住宅屋頂風(fēng)能利用花園平臺(tái)(如圖3所示)。

5 風(fēng)能利用能量轉(zhuǎn)化效果

以展示設(shè)計(jì)風(fēng)能利用的套型18層高層住宅設(shè)計(jì)為例，選用先進(jìn)的垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)南側(cè)電梯廳高位處2臺(tái)、單元間平臺(tái)處2臺(tái)、單元間高位處8臺(tái)，共計(jì)12臺(tái)；北側(cè)樓梯間高位處2臺(tái)、單元間平臺(tái)處2臺(tái)、單元間高位處8臺(tái)，共計(jì)12臺(tái)。確保風(fēng)機(jī)夏秋與春冬有12臺(tái)運(yùn)營(yíng)，每日12臺(tái)風(fēng)機(jī)以額定功率發(fā)電。根據(jù)相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，哈爾濱年平均風(fēng)速都在3m/s以上[6]，狹管入口風(fēng)速參照3m/s，通過提高風(fēng)速的發(fā)電功率計(jì)算供電使用情況，展現(xiàn)風(fēng)能利用的效果。

5.1 風(fēng)狹管效應(yīng)效果

當(dāng)水平聚風(fēng)時(shí)，根據(jù)已知，聚風(fēng)管道進(jìn)風(fēng)口直徑d=9m，出風(fēng)口直徑d=3m，入射風(fēng)速vi=3m/s，結(jié)合流體的連續(xù)性原理代入公式(5)，可得出口風(fēng)速：vo=27m/s。

5.2 風(fēng)壓效應(yīng)效果

當(dāng)垂直送風(fēng)時(shí)，即假定進(jìn)風(fēng)口高度為3m，出風(fēng)口高為30m，入射風(fēng)速vi=3m/s。根據(jù)伯努利原理，將標(biāo)準(zhǔn)條件下(20℃，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)的空氣密度和重力加速度代入公式(7)，可得出口風(fēng)速：vo=26m/s。

5.3 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)

目前,市場(chǎng)上先進(jìn)的垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率Pwt,0=5000W，額定風(fēng)速限值為12m/s≤v0<45m/s。利用風(fēng)壓效應(yīng)提高風(fēng)速值為vo=26m/s；利用狹管效應(yīng)，提高風(fēng)速為vo=27m/s；風(fēng)速滿足額定風(fēng)速要求，即在系統(tǒng)和設(shè)備正常運(yùn)行過程中，每臺(tái)風(fēng)機(jī)均能達(dá)到額定發(fā)電功率Pwt,0=5000W，即1小時(shí)5度電。

5.4 供電使用效果

每臺(tái)風(fēng)機(jī)1小時(shí)發(fā)電5度，一天24小時(shí)，發(fā)電量為120度。假設(shè)用戶使用8W節(jié)能燈具，一天用電10小時(shí)，則每日供電照明燈具數(shù)=每日總發(fā)電量÷單個(gè)燈具能耗÷用電時(shí)長(zhǎng)，每日供電照明燈具數(shù)=5000(W)×24(h)÷8(W)÷10(h)=1500(盞)；即每臺(tái)風(fēng)機(jī)可提供假定照明燈具數(shù)1500盞[15]。前述南北雙向布置發(fā)電機(jī)組，每日保證12臺(tái)風(fēng)機(jī)以額定功率發(fā)電，可供不少于1.8萬盞8W節(jié)能燈具照明，實(shí)現(xiàn)了綠色建筑節(jié)能。

6 結(jié)語

綠色建筑是當(dāng)今建筑的發(fā)展方向，追求健康舒適的生活是人類共同的愿望。科技創(chuàng)新給綠色建筑的發(fā)展帶來了源動(dòng)力，風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)研究目前僅僅是一個(gè)設(shè)計(jì)方案，雖然理論依據(jù)成熟，但裝配式豎向與水平風(fēng)管的風(fēng)能利用的效果還有待實(shí)驗(yàn)測(cè)試，高層住宅套型設(shè)計(jì)也有待國(guó)家出臺(tái)政策予以進(jìn)一步扶持，有待建筑開發(fā)商的了解、認(rèn)同和百姓的接受。風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)絕不是一個(gè)空想，隨著國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)政策的不斷落實(shí)，相關(guān)課題研究的不斷深入，相信風(fēng)能利用的寒區(qū)高層花園住宅套型設(shè)計(jì)一定會(huì)走進(jìn)人們的生活，為實(shí)現(xiàn)人類綠色美好生活發(fā)揮積極的作用。