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摘 要：随着社会的发展与科技的进步，高层与超高层建筑的发展十分迅猛。然而能源紧张和环境恶化一直以来都是世界各国面临的两个重大问题，为了充分利用可再生资源，减少有限常规能源的消耗，本文探讨了高层建筑设备层在风能发电中的应用前景，通过在设备层中开设风洞并组建与安装具有特殊性能的垂直轴风力发电机（如H型垂直轴风力发电机），充分利用风力发电为高层建筑提供清洁的可再生能源。
关键词： 风力发电；垂直轴风力发电机；高层建筑；设备层
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、环境是现代社会生存和发展所面临的紧迫问题。随着人们生活水平的日益提高，所消耗的能源也与日俱增，同时由于技术水平有限，能源的利用率普遍不高，而且在不合理的开采、运输、加工、使用、回收过程中，地球的生态环境也遭到相当严重的破坏，开发和利用清洁的可再生绿色能源如今已成为全世界所面临的紧迫任务。
风能，作为一种清洁、无污染、分布广、可再生的绿色能源，在全世界的蕴藏量十分丰富，利用风能进行发电可谓是节能环保理念的最直接体现，与风能发电相比较，中大型的水力发电站、火力发电站和核能发电站等不仅占地面积大，建造、运营和维修费用更是巨大。随着风电技术的发展，风能利用率不断提高，风电设备也得到了不断的改进和完善。我国能源消耗巨大，其中建筑能耗约占总能耗的30%，因此，建筑节能意义重大，风能发电在建筑中的有效应用必将对经济、社会、环境等各方面产生巨大的影响。
高层建筑风能来源稳定，可利用程度高，因此近年来在世界范围内出现了一些风能与建筑的一体化设计案例。如巴林世贸中心利用水平轴风力发电机进行风力发电，三座风力发电涡轮机每年可为大楼提供10%-15%的电力；又如位于广州市的珠江城项目采用垂直轴风力发电机，4台WS-10型垂直轴风力发电机组预期每年发电量可达到13万kW·h左右。
但这些案例均为地标性超高层建筑，造价高昂。在普通高层或超高层建筑中能否利用风能发电呢？考虑到在高层或超高层建筑中每10-20层会设置一层设备层，但目前的建筑设计对设备层空间并未充分利用，所以作者认为充分利用设备层，进行风力发电，为建筑提供源源不断的清洁能源将会带来巨大的收益。因此，本文着重探讨了如何充分有效地利用高层建筑设备层进行风能发电，在不对建筑使用功能产生损害的前提条件下，对风机选择、设备层风洞形式、建筑立面设计等方面进行了研究。
2.风力发电机的选择
风力发电机组的形式多种多样，一般来说可以按照风力发电机的风轮转轴与风向的位置不同分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机的研究已趋于成熟，并且得到了有效的推广，但就高层建筑而言，垂直轴风力发电机则更具应用潜力。
垂直轴风力发电机中最为典型的是达里厄式直叶片（H）型结构，该型垂直轴风力发电机是法国人达里厄在20世纪30年代初提出的，由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比（叶尖处的线速度和风速之比）不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机，从而导致此类风力发电机长期得不到重视。随着科技的发展和测量技术的提高，人们逐渐发现达里厄型垂直轴风轮的尖速比不仅能大于1，甚至可以达到6，并且其风能利用率不低于水平轴风力发电机。更值得一提的是，与野外环境的应用相比，当风机应用于建筑物时，噪音抑制便成为亟待解决的问题，在这方面H型垂直轴机组便充分显示出了其低噪音的优点，使其比水平轴机组更适宜应用于人口密集的地区，最新的磁悬浮发电机组甚至可以做到静音的工作状态。应用于高层建筑的风能发电时，H型垂直轴机组还具备以下优点：同样的风机重量和成本，H型垂直轴机组比水平轴风机拥有更高的功率输出；不依赖风向，在风向改变时无需对风，不需要对风跟踪系统，使结构设计得到简化；风轮在旋转时，旋转离心力在叶片上产生纯拉力，可保持空气动力特性不变；风机的主要部件可置于风轮的基础底座中，使得运行维护费用较低；运转时转速低，减少由于高速旋转而导致的叶片变形，同时还可以有效减少给鸟类带来的威胁；运行条件宽松，适合运行的风速范围为2.5～25m/s，一般在45m/s的风速下仍可运行，可以更有效的适应高层建筑的风力环境。 图1 H型垂直轴发电机
3. 建筑设备层的设计
3.1 建筑整体立面设计
作者认为，利用高层建筑设备层进行风能发电需要考虑以下两个方面的问题：（1）如何在不妨碍设备层使用功能的同时做到对风能的高效合理利用；（2）如何做到在建筑设备层设置风洞的同时保持建筑外部的美观协调。
在高层建筑中，根据总建筑面积的不同，设备层层高也有所不同，有的设备层层高可达到6米以上，这样就比较适合于风洞和风力发电机的灵活布置。研究表明，建筑总高度60%-70%的位置为气流“分离点”所在区域，被高层建筑所阻挡的风会从“分离点”产生上下及左右的回旋气流，其相互碰撞形成旋风和强风区域。利用这一特点，将风电机组在该位置充分布置则可以有效地提高风能的利用率。
设备层中风洞的开设会极大影响建筑的立面效果，所以合理美观的立面设计是设备层风电设计的另一个重要方面。作者认为，可将风洞的进出口设计成曲面形状，根据英国卢瑟福·阿普尔顿实验室和德国斯图加特大学联合设计的风能建筑方案实验结果，合理的曲面设计可以使发电效率提高一倍。但将建筑物整体做成曲面形状的方案使得造价非常昂贵，所以在本文中，作者仅对风洞的进出口局部进行曲面设计。这样的设计一方面可以改善建筑物的立面造型，另一方面“喇叭口效应”还有利于设备层风洞入口处气流的引导和增强。
3.2 设备层平面、剖面及功能设计
从现阶段风能建筑一体化的发展趋势看，通过改变风电机组设备自身的性能来提高发电效率是比较困难的，所以其风能利用率很大程度上取决于场地的风力环境和设备层内部风洞布置方案的选择。针对这两个问题我们从以下几个方面进行了分析：
3.2.1因为风力发电依赖于风力环境，所以其输出很不稳定，这就要求我们要针对不同的场址，进行充分的风力环境调查、分析及计算，必要时对整个建筑布局进行调整以适应风力环境的变化。
3.2.2设备层中原有的给排水及暖通系统等往往为了达到有效利用和节约空间的目的而按高度进行分区，所以设备层内的风洞布置需要结合风电机组的安装要求及原有系统的功能要求进行合理的设计以达到节约空间、降低造价的目的。
3.2.3在符合建筑物自身结构要求的基础上按照空气动力学原理进行风电设备层的布局设计，达到风能的合理利用。
3.2.4在设备层内装配风力发电机时，由于风机在工作状态时会大幅度降低周边环境温度，所以可考虑与制冷机房等设备系统相结合，在减少能耗的同时提高能源的利用率。
4. 经济性评估
随风电系统的应用环境不同，其经济性评估标准也会随之发生改变。对于风能建筑一体化方案，若要使其具有更大的发展潜力和更强烈的市场效应，必须完善以下几点：
（1）基于智能电网将不稳定的风能转化为质量有保证的电能，不断提高发电量、容量系数和风能利用率；
（2）优化风机组装设计，减少风机对周围环境的不利影响，提高风机装配的安全系数；
（3）将风力发电技术标准化和规范化，使得风电机组可进行大规模生产和市场化流通，从而降低风电设备的成本。
风能建筑一体化的经济性评估取决风力发电的成本和风力发电产生电能的货币经济效益，以及在未来显现的环境和生态效益。此处主要针对前者进行浅析，作者认为其经济性评估应考虑以下几个方面：
（1）基于风力环境的详细调查推测风能的利用率
（2）风电系统的使用年限
（3）预测并计算年发电量
（4）资金成本
（5）融资成本
（6）运行维修成本
对于每一个风能建筑项目，在开展之前都需要针对具体情况进行仔细核算，以确保最大的收益，并非每个项目都适合于此方案。但随着风力发电技术的发展，各种型号和款式的风电机组层出不穷，必将对本文设计方案的推广应用起到巨大的推动作用。
5.结论
通过对风力发电在高层建筑设备层中的设计运用探讨，可得出如下结论：
（1）巧妙地将风力发电与建筑物相结合可以减少不可再生能源的消耗，减少有害气体的排放，遏制温室效应，具有很好的环保效益。
（2）高层建筑中的设备层非常适合于安装风力发电机，合理的设备层高度、风洞的合理布置及合理的立面设计是设备层风电方案成功与否的关键。
（3）中小型（H型）垂直轴风力发电机与建筑物的一体化设计是一个新颖而且具有巨大发展潜力的节能环保方案。
参考文献
[1] 徐大平、柳亦兵、吕跃刚.风力发电原理[M].第1版.北京：机械工业出版社，2011；145-153
[2] 牛山泉著.刘薇、李岩译.风能技术[M].第1版.北京：科学出版社，2009；545-56.201-208
[3] 李秋胜、李永贵、陈伏彬、赵松林、朱楚南.风能发电在超高层建筑中的应用研究[J].第十四届全国结构风工程学术会议论文集，2009
[4] 王海云、王维庆、朱新湘、梁斌.风力发电基础[M].第1版.重庆：重庆大学出版社，20010；90-98
[5] 王绍合、徐自国、肖从真、罗海林、耿娜娜.高层建筑设备层结构方案对结构抗震性能的影响研究[J]. 建筑科技，2011；27（5）
关键词： 风力发电；垂直轴风力发电机；高层建筑；设备层
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、环境是现代社会生存和发展所面临的紧迫问题。随着人们生活水平的日益提高，所消耗的能源也与日俱增，同时由于技术水平有限，能源的利用率普遍不高，而且在不合理的开采、运输、加工、使用、回收过程中，地球的生态环境也遭到相当严重的破坏，开发和利用清洁的可再生绿色能源如今已成为全世界所面临的紧迫任务。
风能，作为一种清洁、无污染、分布广、可再生的绿色能源，在全世界的蕴藏量十分丰富，利用风能进行发电可谓是节能环保理念的最直接体现，与风能发电相比较，中大型的水力发电站、火力发电站和核能发电站等不仅占地面积大，建造、运营和维修费用更是巨大。随着风电技术的发展，风能利用率不断提高，风电设备也得到了不断的改进和完善。我国能源消耗巨大，其中建筑能耗约占总能耗的30%，因此，建筑节能意义重大，风能发电在建筑中的有效应用必将对经济、社会、环境等各方面产生巨大的影响。
高层建筑风能来源稳定，可利用程度高，因此近年来在世界范围内出现了一些风能与建筑的一体化设计案例。如巴林世贸中心利用水平轴风力发电机进行风力发电，三座风力发电涡轮机每年可为大楼提供10%-15%的电力；又如位于广州市的珠江城项目采用垂直轴风力发电机，4台WS-10型垂直轴风力发电机组预期每年发电量可达到13万kW·h左右。
但这些案例均为地标性超高层建筑，造价高昂。在普通高层或超高层建筑中能否利用风能发电呢？考虑到在高层或超高层建筑中每10-20层会设置一层设备层，但目前的建筑设计对设备层空间并未充分利用，所以作者认为充分利用设备层，进行风力发电，为建筑提供源源不断的清洁能源将会带来巨大的收益。因此，本文着重探讨了如何充分有效地利用高层建筑设备层进行风能发电，在不对建筑使用功能产生损害的前提条件下，对风机选择、设备层风洞形式、建筑立面设计等方面进行了研究。
2.风力发电机的选择
风力发电机组的形式多种多样，一般来说可以按照风力发电机的风轮转轴与风向的位置不同分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机的研究已趋于成熟，并且得到了有效的推广，但就高层建筑而言，垂直轴风力发电机则更具应用潜力。
垂直轴风力发电机中最为典型的是达里厄式直叶片（H）型结构，该型垂直轴风力发电机是法国人达里厄在20世纪30年代初提出的，由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比（叶尖处的线速度和风速之比）不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机，从而导致此类风力发电机长期得不到重视。随着科技的发展和测量技术的提高，人们逐渐发现达里厄型垂直轴风轮的尖速比不仅能大于1，甚至可以达到6，并且其风能利用率不低于水平轴风力发电机。更值得一提的是，与野外环境的应用相比，当风机应用于建筑物时，噪音抑制便成为亟待解决的问题，在这方面H型垂直轴机组便充分显示出了其低噪音的优点，使其比水平轴机组更适宜应用于人口密集的地区，最新的磁悬浮发电机组甚至可以做到静音的工作状态。应用于高层建筑的风能发电时，H型垂直轴机组还具备以下优点：同样的风机重量和成本，H型垂直轴机组比水平轴风机拥有更高的功率输出；不依赖风向，在风向改变时无需对风，不需要对风跟踪系统，使结构设计得到简化；风轮在旋转时，旋转离心力在叶片上产生纯拉力，可保持空气动力特性不变；风机的主要部件可置于风轮的基础底座中，使得运行维护费用较低；运转时转速低，减少由于高速旋转而导致的叶片变形，同时还可以有效减少给鸟类带来的威胁；运行条件宽松，适合运行的风速范围为2.5～25m/s，一般在45m/s的风速下仍可运行，可以更有效的适应高层建筑的风力环境。 图1 H型垂直轴发电机
3. 建筑设备层的设计
3.1 建筑整体立面设计
作者认为，利用高层建筑设备层进行风能发电需要考虑以下两个方面的问题：（1）如何在不妨碍设备层使用功能的同时做到对风能的高效合理利用；（2）如何做到在建筑设备层设置风洞的同时保持建筑外部的美观协调。
在高层建筑中，根据总建筑面积的不同，设备层层高也有所不同，有的设备层层高可达到6米以上，这样就比较适合于风洞和风力发电机的灵活布置。研究表明，建筑总高度60%-70%的位置为气流“分离点”所在区域，被高层建筑所阻挡的风会从“分离点”产生上下及左右的回旋气流，其相互碰撞形成旋风和强风区域。利用这一特点，将风电机组在该位置充分布置则可以有效地提高风能的利用率。
设备层中风洞的开设会极大影响建筑的立面效果，所以合理美观的立面设计是设备层风电设计的另一个重要方面。作者认为，可将风洞的进出口设计成曲面形状，根据英国卢瑟福·阿普尔顿实验室和德国斯图加特大学联合设计的风能建筑方案实验结果，合理的曲面设计可以使发电效率提高一倍。但将建筑物整体做成曲面形状的方案使得造价非常昂贵，所以在本文中，作者仅对风洞的进出口局部进行曲面设计。这样的设计一方面可以改善建筑物的立面造型，另一方面“喇叭口效应”还有利于设备层风洞入口处气流的引导和增强。
3.2 设备层平面、剖面及功能设计
从现阶段风能建筑一体化的发展趋势看，通过改变风电机组设备自身的性能来提高发电效率是比较困难的，所以其风能利用率很大程度上取决于场地的风力环境和设备层内部风洞布置方案的选择。针对这两个问题我们从以下几个方面进行了分析：
3.2.1因为风力发电依赖于风力环境，所以其输出很不稳定，这就要求我们要针对不同的场址，进行充分的风力环境调查、分析及计算，必要时对整个建筑布局进行调整以适应风力环境的变化。
3.2.2设备层中原有的给排水及暖通系统等往往为了达到有效利用和节约空间的目的而按高度进行分区，所以设备层内的风洞布置需要结合风电机组的安装要求及原有系统的功能要求进行合理的设计以达到节约空间、降低造价的目的。
3.2.3在符合建筑物自身结构要求的基础上按照空气动力学原理进行风电设备层的布局设计，达到风能的合理利用。
3.2.4在设备层内装配风力发电机时，由于风机在工作状态时会大幅度降低周边环境温度，所以可考虑与制冷机房等设备系统相结合，在减少能耗的同时提高能源的利用率。
4. 经济性评估
随风电系统的应用环境不同，其经济性评估标准也会随之发生改变。对于风能建筑一体化方案，若要使其具有更大的发展潜力和更强烈的市场效应，必须完善以下几点：
（1）基于智能电网将不稳定的风能转化为质量有保证的电能，不断提高发电量、容量系数和风能利用率；
（2）优化风机组装设计，减少风机对周围环境的不利影响，提高风机装配的安全系数；
（3）将风力发电技术标准化和规范化，使得风电机组可进行大规模生产和市场化流通，从而降低风电设备的成本。
风能建筑一体化的经济性评估取决风力发电的成本和风力发电产生电能的货币经济效益，以及在未来显现的环境和生态效益。此处主要针对前者进行浅析，作者认为其经济性评估应考虑以下几个方面：
（1）基于风力环境的详细调查推测风能的利用率
（2）风电系统的使用年限
（3）预测并计算年发电量
（4）资金成本
（5）融资成本
（6）运行维修成本
对于每一个风能建筑项目，在开展之前都需要针对具体情况进行仔细核算，以确保最大的收益，并非每个项目都适合于此方案。但随着风力发电技术的发展，各种型号和款式的风电机组层出不穷，必将对本文设计方案的推广应用起到巨大的推动作用。
5.结论
通过对风力发电在高层建筑设备层中的设计运用探讨，可得出如下结论：
（1）巧妙地将风力发电与建筑物相结合可以减少不可再生能源的消耗，减少有害气体的排放，遏制温室效应，具有很好的环保效益。
（2）高层建筑中的设备层非常适合于安装风力发电机，合理的设备层高度、风洞的合理布置及合理的立面设计是设备层风电方案成功与否的关键。
（3）中小型（H型）垂直轴风力发电机与建筑物的一体化设计是一个新颖而且具有巨大发展潜力的节能环保方案。
参考文献
[1] 徐大平、柳亦兵、吕跃刚.风力发电原理[M].第1版.北京：机械工业出版社，2011；145-153
[2] 牛山泉著.刘薇、李岩译.风能技术[M].第1版.北京：科学出版社，2009；545-56.201-208
[3] 李秋胜、李永贵、陈伏彬、赵松林、朱楚南.风能发电在超高层建筑中的应用研究[J].第十四届全国结构风工程学术会议论文集，2009
[4] 王海云、王维庆、朱新湘、梁斌.风力发电基础[M].第1版.重庆：重庆大学出版社，20010；90-98
[5] 王绍合、徐自国、肖从真、罗海林、耿娜娜.高层建筑设备层结构方案对结构抗震性能的影响研究[J]. 建筑科技，2011；27（5）