风能在城市建筑中的应用前景研究

风能在城市建筑中的应用前景研究

摘要

风能作为可再生能源，在节能领域得到了大力推广。目前风能发电技术在我国尚处于起步阶段，在城市建筑中的应用更是少之又少。通过分析风能发展与城市建筑环境，得到风能在城市建筑中的发展方向。以城市高层建筑、公共建筑、民用住宅三方面进行举例论证，得出风能发电在建筑节能的应用方向。

关键字

风能；城市建筑；建筑节能

1.背景

地球受太阳辐射导致其表面温度分布不均，直接引起大气压力也呈现不均，这就使得水平方向产生压力梯度，从而出现空气流动，流动的空气所具有的动能就是风能。

从世界范围看来，风能利用历史已经相当悠久，几千年前的尼罗河上就有了风帆船的身影。在电出现以后，丹麦人在19世界末研发制造出了可用风力发电的机器，后来又紧接着建成了世界上第一座风力发电站。技术的不断传播、发展和完善，使得时至今日各地出现多个各种规模的风力发电站。分布广、投产量大，风电事业的蓬勃发展对全世界尤其是发展中国家益处巨大。在偏远的用电极不方便甚至没有电用的地区，风力发电可借助地利和当地气候条件提供每家每户的小额用电量。看似解决家庭问题，实则解决了国家的大问题。

根据目前气候和资源现状，风能不断为人所用，预测到21世纪中叶，风能将会成为全球一大支柱能源，为所有国家的民族的可持续健康发展提供源源不断的动力。

2.风能在建筑中的应用前景

2.1风能发展前景

2006年我国《可再生能源法》实施，对风电的发展有很大的推动作用。二氧化碳是产生温室效应的主要原因，它会导致全球气候变化，引起灾难性气候的发生。而每生产100万kWh的风电，平均可减排二氧化碳600t。至2020年，每年生产的风电可减排二氧化碳18.32亿t，累计减排二氧化碳107.71亿t。目前，中国各大动力公司都已进入风电国产领域。虽然由于受电网建设滞后与严重缺乏调峰手段两大瓶颈制约，已造成不少风机空转，浪费严重，国内风机也从供给不足演变成了产能过剩。但事实上应该说，过剩的只是风机整机制造的产能，且“过剩”只是暂时现象。

今天，在一些国家，风能已经是主要能源种类之一。到2020年，将实现风

电生产量占全球电力需求总量的12%。当12%的风电发展目标实现时，风力发电就可以和原子能发电以及大型水力发电处于相近的地位。按照我国能源资源和对能源的需求，我国风力发电量还很少，以发电量及所占比例极低，风能在能源结构中所占比例还远远不够，风力发电有巨大的发展空间。

2.2风能在建筑中的应用前景

由于风力和风向时常不稳，导致风电机组的输出功率是波动的，具有很强的随机性。当大规模风电场接入后，会对电网的调峰、调频、电能质量、电网潮流、暂态稳定等方面产生影响。那么，风能除了未来的海上风电甚至深海风电，在建筑领域会有哪些应用可能呢？

在风电全球迅速发展的同时，风电开发也遭遇了技术上的瓶颈制约。为了应对常规能源资源枯竭、环境污染和气候变化的威胁，风力发电任重道远。国际上正积极进行全方位的研究，通过技术进步使风电真正成为替代能源。研究的热点有以下几方面：

（1）大功率、长叶片；（2）海上风电；（3）风电并网技术；（4）基于气象预测风力发电量系统的研究；（5）开发适合于当地环境的风机；（6）非并网发电；（7）蓄能技术。

其中（1）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）的研究技术都是有助于风电的稳定，即会提高风电在日常建筑中的应用可能。

3.风能在建筑中的应用方向

不少处于我国风能资源较为丰富的地区，如厦门市。进入21世纪以来，政府都大力贯彻以生态城市建设为方针。在这样的大发展趋势下，越来越多高层建筑鳞次栉比，使得近地风环境变得复杂。如何让环境与经济协调发展，是决定城市可持续化的关键。抛开现有观念：风力发电机一般用于偏远，人烟荒芜的区域，将风机大力引进城市，结合各方面的优势加以利用，正是顺应健康可持续发展的要求。

在参考部分对风能利用研究的论文后，将风能在建筑中可能的应用方向归结

为：（1）城市高层建筑应用；（2）城市公共建筑应用；（3）民用住宅应用。3.1风能在城市高层建筑的应用

早在1968年，KC.White就对一高层建筑所引起的建筑群风环境问题进行了实地考察分析。1982年，MiceleG Melaragno总结了影响城市建成区街道风速的因素，指出建筑高度和宽度、街道的朝向是控制城区街道风速的关键因素。

大气边界层中的自然风遇到地面建筑物时，一部分被建筑物阻挡而绕行，从而使建筑物周围的风场产生了很大的变化。随着现代化和城市化的发展，建筑环境中的风场变化越来越大。尤其是建筑物高度和密度比较大的城市，由于其下垫面具有较大的粗糙度，可引来更强的机械湍流，其局部风场的变化也将明显加强。基于此，城市建筑尤其是高层建筑的风能利用就是大可研究的了。

利用高层建筑屋顶上的较大的风速区“屋顶小急流”是很有必要的。目前国内外已有了一些风能利用在高层建筑中的实际例子。例如2007年，巴林这个海湾国家在两栋超高层建筑中间安装三个直径为29m的风机来充分利用风能发电，还有很多研究者也进行了适用于建筑的风机。

图1 巴林建造的实际工程

这是世界上第一座大型的结合风力涡轮的建筑，它由两座50层高240m风帆一般的塔楼组成，并支撑者三座直径29m的水平轴风力涡轮，预计能满足大厦每年耗电量的11%-15%。此外还有大卫·费希尔设计的全球首个旋转摩天大楼——“动态城堡”将在迪拜建成，大楼高约420m，共80层，每层可360°旋转。通过安装在旋转楼板之间的79个风力涡轮机，大楼可实现自我供电。由乍得·奥本海默设计的the COR Buikling坐落于美国迈阿密，风力机与建筑有机结合，成为当地设计区的又一地标。

图2 动态城堡图3 建筑COR 我国广州正在建造一座69层高303m的零能源大楼——珠江大厦。它由SOM 设计事务所设计，完全采用风力、太阳能供电。垂直风力涡轮机将安装在用于紧急避险的设备层，不占用任何办公空间。据数据表明，其通道内风速最大可达到10m/s能有效进行风力发电。2008年11月，一座实用型生态建筑“生态大厦”在青岛市崂山区落成。大厦使用了光伏发电、风力发电等10多项新技术新工艺。其中，由太阳能电池阵列、风力发电机、智能管理系统、并网逆变器和交流配电柜组成的“风光互补发电系统”，实现了太阳能、风能与建筑一体化。2010年上海世博会充分发回了环保理念，出现了许多“零排放”场馆。其中，印度馆屋顶就安放了一个小型垂直型风力发电机。

3.2风能在城市公共建筑的应用

风能还可以用于城市公共建筑如公园等的基础照明设施。

除了比较大型的建筑用风机，建筑使用风机更多的是需要小型或微型风力发电设备。对于城市的公共建筑如公园景区、广场等在夜间不需要大量的电力消耗，只需要维持基本的照明，所以可以在公园景区内安放小型的风机发电维持局部照明。而公园等公共建筑周围风速较小，且需要考虑噪声污染问题，需要设计在低风速启动并且具有静音效果的小型风机来实现城市风力发电。

考虑到建筑环境中风能的特点，大型风机发电机的运用受到了一定限制。开发研究适宜建筑环境的小型风力发电机成为当前的一个热门话题。建筑环境中风力发电机的研究主要着眼于增大发电功率、减小噪音和振动以及安全美观性等几个方面。风力机的发电功率与风速的三次方和风力发电机的风能利用效率成正