城市风能利用在绿色建筑中的运用综述

戴靠山，唐 精，何任飞，孟家瑶，卢文胜（1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 0009；.同济大学 土木工程学院，上海 0009）

城市风能利用在绿色建筑中的运用综述

Introduction on Application of City Wind Energy in Green Building

戴靠山1,2，唐 精2，何任飞2，孟家瑶2，卢文胜1,2（1.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092；2.同济大学 土木工程学院，上海 200092）

近年来，对城市风环境的研究和对城市风能的利用逐渐成为新的热点，得到了学术界和工业界的普遍关注。为了促进城市风能的进一步利用，系统梳理了城市风环境、风电建筑一体化特别是垂直轴风力机在建筑中应用的研究现状，并对城市风能利用的前景进行了探讨和展望，以期对城市风环境和城市风能利用研究提供基础资料。

风能；风电建筑一体化；垂直轴风力机；绿色建筑；城市风环境

进入 21 世纪以来，能源危机已经成为人类社会一个日益严峻的挑战。传统的石油、煤等化石能源不但面临着枯竭的命运，还会带来诸如酸雨等严重的环境污染。随着可持续发展、绿色生态等概念深入人心，全球能源结构必将实现由传统能源向新型可再生清洁能源的转型。风能作为现阶段研究技术最成熟、利用最广泛的一种新型能源，拥有着巨大的利用前景，必将在转型阶段扮演重要角色。许多国家都已经把风力发电看作最大的能源补充途径之一。在风力发电的先驱国家丹麦，风电产业也成为经济中极富竞争力的一个产业[1]。我国早在 2010 年，风电装机总量就已经占到了全球总量的 22.7%，居世界首位；而根据现有情况推测，到 21 世纪 30 年代初我国风力发电机组装机容量甚至可能到达 3 亿kW，风力发电在我国具有巨大的发展潜力[2]。

虽然风力发电的市场前景十分广阔，但目前为止，世界范围内对风能的利用主要还是通过集中的大型风电场来实现，发电稳定性问题一直没有得到彻底解决，在部分地区和部分阶段风电甚至被认为是“垃圾电”；此外由于历史和自然环境的原因，人口密集的城市往往距大规模发电场比较远，能源远距离传输的损耗成为另外一个急需解决的技术问题。近年来，分布式供能(Distributed Energy System)在城市中得到了探索应用。分布式供能技术一般是指现场型、靠近负荷源、在电力公司电网外独立进行电力生产的小型供能技术，与城市风能的自身特点十分契合[3]。它具有靠近用户、梯级利用、能源利用率高等优点[4]。城市风能虽然集中程度不高，但是分布极为广泛，非常适用于分布式供能。目前相关技术在国外已经有了许多值得借鉴的经验，国内也有了初步的发展。不难想象，如果将城市风能与分布式供能进行有效的结合，不但能够大大提高对分散能源的利用效率，降低输配电成本，还能减弱城市中的风灾害，变废为宝，一举多得。

1 城市风环境概述

城市高楼林立，空气在流动过程中难免要与建筑物发生相互作用，从而在市区形成了独特的建筑风场分布。由于地面粗糙度的提升和空间环境的复杂化，城市风能风速较低，且紊乱程度较高，表面上看可用性不高，然而研究表明，高层建筑前的涡流区和绕大楼两侧的角流区风速都要比平地风速大 30% 左右；如果两座建筑距离太近，风受到楼与楼之间狭窄通道的挤压会产生“夹道效应”，也能够产生更大的强风[5]。由此可见，城市部分区域风能有一定的利用价值。但由于高层建筑周围各种风效应之间相互作用，城市风环境十分不稳定，因此人们对其利用还处于起步阶段。为了找到在城市高效利用风能的办法，缓解能源与环境之间的矛盾，国内外许多学者都对城市风环境及市区风能利用形式等方面进行了研究。

由于风压随高度增加而增加，因此高层建筑显然是城市风能利用的主力军，对其风场的研究就显得尤为重要。目前主流对建筑风环境进行研究的方法主要有 3 种：现场实测、计算机仿真模拟和风洞试验。由于现场实测存在着明显的不便，因此到目前为止，主要是在计算机仿真模拟基础上，再结合风洞试验数据来研究建筑周围的风场[6]。国内外的许多学者采用上述方法，对实际的建筑或建筑群进行了研究。王远成[7]通过研究不同外形建筑物周围的风环境，了解到影响建筑物周围流场分布的主要原因是它本身的几何结构，并且建筑群之间的风场由于相互干扰会变得更加复杂；李胜英[8]采用数值模拟方法，利用软件 Fluent 对天津市某建筑群风环境进行了数值模拟计算，具体分析了该小区建筑群周围的空气流动规律，以及其速度场分布等，为城市建筑群风能利用提供理论基础；Mertens[9]利用风能数据建立了相应的数学模型，研究屋顶风场的变化特征和时空分布，进行风场的数值模拟。高楼建成后对原有风环境影响较大，会导致过去没有的局地强风现象的出现，进而带来一系列环境和安全问题，因而近几十年来国外对建筑建成后原址风环境的变化及评估研究一直没有间断[10]。

虽然许多学者都对城市风环境进行了相关研究，但总体上，城市风能研究主要还是集中在单体建筑和简单布局的建筑群上，对复杂、大范围建筑群的研究还停留在起步阶段；并且目前大多文献中采用的模拟软件在进行城市风环境模拟时，用于方程和网格的精细度有余，但模型的准确度有限，造成风环境模拟的精确度下降[11]。现场实测是反映风环境最真实的手段，既不存在计算精度问题，也没有风洞试验的缩尺问题。在城市中适当布局一些测点，对城市环境下的风场进行监测，是了解城市复杂风场的有效手段，可以为今后的工程实例提供更多更准确的有益借鉴。要将对城市风环境的研究转化为成功的城市风能利用形式，除了以上风能利用方法的开发与优化，民众的认可度等社会学因素也不容忽视。

2 风电建筑一体化相关研究

风电建筑一体化包括风场、建筑结构和风力发电系统 3 大要素。只有这三者协同工作，才能保证建筑环境风能的有效利用[12]。对城市风环境的研究只是第一个步骤。1998 年，欧盟开展了 WEB (WIND ENERGY FOR THE BUILDING)项目，将风力机与城市位置和建筑形式综合考虑，提出了风力机类型的选择必须与建筑美学和空气动力学相结合的观点[13]。综合国内外的研究状况，建筑风能的利用共有 4 种形式：建筑顶部风能利用、建筑间或建筑群巷道风能利用、建筑风道风能利用，以及旋转建筑风能利用[14]。根据实际情况找到合适的位置来安装风力机，正是高效利用城市风能的关键所在。对于已有建筑，可以根据合适的利用形式直接寻找风场内的适宜位置，或者增加一些辅助措施来改进风能利用的情况。如杨蓉[15]运用 CFD 进行数值模拟分析，发现架空层的合理设置对增大屋顶风速有显著效果。对于规划设计中的建筑，则可以对建筑和风力机进行风电建筑一体化设计。一体化设计从一开始就要在建筑平面设计、剖面设计、结构选择以及建筑材料的使用方面融人新能源利用技术的理念，进一步确定建筑能量的获取方式和建筑能量流线的概念，再结合经济、造价以及其他生态因素的分析，最终得到一个综合多个生态因素的最优化建筑设计[16]。

针对城市建筑，国内外学者提出了多种能加强风能利用效率的建筑模型，其中 Mertens[17]根据建筑中风力机的安装位置提出的 3 种基本模型具有很好的代表性，分别是：扩散体型、平板型、非流线体型，分别对应建筑间的风道、孔洞和顶部的风能利用；在此基础上，Abe 等[18]通过对一种扩散体型建筑的风场特性进行数值模拟，得到了这种建筑形式风能聚集的最佳地点。国内也有学者开展了有关方面的研究，苑安民等[19]通过对高层建筑群的“风能增大效应”及相关的计算方法的介绍，为提高风能利用效率的建筑设计和改造提供了有益的借鉴。由此可见，只有结合建筑特点对风力机和建筑进行恰当的风电一体化设计，才能在不影响建筑自身情况下保障风能的高效利用。

在国内外，对建筑进行风电建筑一体化设计已有许多良好的范例：上海中心作为中国首座同时获得“绿色三星”设计标识认证与美国绿色建筑委员会颁发的 LEED 白金级认证的超高层建筑，在屋顶的外幕墙上，就有与大厦顶端外幕墙整合在一起的 270 台 500 W 的风力发电机，每年可以产生 118.9 万 kWh 的绿色电力[20](图 1)[21]；龙卷风造型般的迪拜旋转大厦每层旋转楼板之间都安装了风力涡轮机，一座80 层的大楼将拥有 79 台风力涡轮机，这让大楼成为一座绿色的发电厂；由于大厦每个楼层可随风独立转动，建筑外观时刻变化，丰富了高层建筑的表现力[23]；除了大型建筑上的风力机，还有诸如旋转公寓等新概念的建筑出现，风力发电与建筑的一体化进程前景十分广阔。

图 1 上海中心大厦

风电一体化虽然取得了许多令人瞩目的成就，但是也带来一些新的问题。目前来看，单纯将建筑和风能二者简单拼接在一起已经远远不能满足现代社会对于风能利用的需求。风能利用效率自然是重要的考虑因素，但是城市环境复杂，人口密集，风电一体化进程中对安全性的考量也是必要且必须的。目前普遍认同的 4 个可能安全问题为：风机失效或附属设备失效导致坍塌、与人安全距离不足、叶片脱落、覆冰的形成和脱落等[25]。必须采取措施避免以上问题，并进行相应的风险评估与分析。同时，发电机运行过程中带来的噪声和振动问题可能会对居民生活和建筑产生不良影响，其他环境问题还可能包括视觉闪烁，广播、电视干扰，飞机安全，鸟类生活等。然而目前对一体化研究的主要目标还是提高风能利用率，其他部分涉及较少。

3 垂直轴风力机在建筑中应用

风力发电机按照其叶片旋转轴与吹入风力机风向的角度可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。其中，水平轴风力机是国内外研制最多、最常见、技术最成熟的一种风力机[26]。除了在大型建筑上的应用，适合普通居民使用的小型风力机也有了一定的应用实践(图 2)[28]。然而水平轴风力发电机应用也有一定的局限，Tjiu等具体介绍了现阶段水平轴风力发电机所遇到的技术瓶颈。虽在目前水平轴风机在城市环境中有相当范围的应用，但在风电建筑一体化进程中垂直轴风机的应用总体趋势上越来越多。

图 2 小型水平轴风机在城市中的应用

按照风力机叶片的工作原理，垂直轴风力机可分为两个主要类型：一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是S 型风轮，其优点是起动转矩较大，缺点是转速低，风能利用系数也低于高速型的其他垂直轴风力机[32]；另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄型风力机，以 H 型和Ф型风轮为典型。H 型风轮结构简单，且具有无噪声的特点[33]，接点处弯曲应力较大，支撑产生的气动阻力还会降低发电效率；Ф 型风轮采用的弯叶片所承受的张力比弯曲应力要强，所以对于相同的总强度，Ф 型叶片比较轻，且比直叶片可以以更高的速度运行[34]，升力型风力机的风能利用率明显高于阻力型风力机，且不会产生侧向推力[35]。垂直轴风力发电机在测风向时不需要安装偏航装置，且拥有良好的空气动力学性能、结构简单及造价便宜，具有很好的可开发实用价值和应用前景[36]。

城市复杂的建筑环境使得风场不可能像空旷平坦地区一样集中，就垂直轴风力机各方面综合而言，更适宜在城市环境中的应用[37]。目前，许多学者对于垂直轴风力机在城市环境下的应用开展研究和尝试(图 9～图 12)。有研究提出不同的新机型(图 12)[30]；也有运用 CFD 数值模拟方法，模拟小型垂直轴风力机的旋转过程，探究建筑环境中中小型垂直轴风力机对风场的影响[39]。如尹秀伟[40]提出垂直轴风力机风轮尺寸大小应结合建筑物体量确定；Bahaj 等[41]发展了一种新的建模工具，评估微型风机在住宅中应用的适用性和经济可行性。

4 城市风能利用前景展望

根据 2010 年 10 月 GWEC 和绿色和平国际组织(Greenpeace)预测，风力发电将在未来 20 年内成为世界的主力电源，可供应全世界 22% 的电力需求。同时，据资料统计，我国可加以利用的低空(即 10 m 以内)风能资源相当丰富，如果风力资源开发率达到 60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求[42]。目前，我国小型风力发电机技术已逐渐成熟，风电市场逐渐稳定，风电开发增速不断加快。事实上，除去特殊情况，大型的风电机组在某种意义上都可以用小型机组进行替换。因此在未来的风能利用上，我国除了建立百万千瓦级超大型风电基地，进行大规模风电开发的同时，也可以考虑小型风电场的发展，注重结合当地的实际条件，因地制宜地促进风电行业发展[43]。

随着城市化进程不断加快，城市对能源的多方面需求导致城市风能的利用备受瞩目。风力机结合建筑的形式已经开始以小型的风力机走进城市公共建筑屋顶、居民住宅。在英国，架设于私人住宅屋顶的迎风转动叶片的微型风力机已然成为一种新兴景观。家庭安装风力发电设备，不但可提供生活用电，节约开支，还有利于环境保护。这对于推动我国能源转型和提高能源效率有着积极的借鉴意义。

但是由于风能自身有着较大的局限性，其间歇性和随机性特点致使这种新能源无法广泛应用，也无法提供大量的电能。为提高风力发电的灵活性，将垂直轴风力机发电机组与其他发电方式组成互补系统，或与储能装置联合应用已经成为小型风能利用的趋势，尤其是风能-太阳能组合。该系统很好地利用了风-光可再生资源在季节、天气、地域上的互补性，可拓展风能和太阳能经济利用的范围。这种互补的发电机组给别墅、分户供暖等用户的生活带来极大的方便。虽然风光一体发电机仍有功率较低的缺陷，但从实用性、可靠性、经济性方面进行分析，已可基本满足家用及路灯光源的供电和户外使用强度，实现风-光发电真正一体化。分布式供能充分开发利用各种分散能源，发电方式灵活，初期建设投资低，临近用电负荷终端，在全球范围内越来越受到重视。此形式可为商业区和居民供电，亦可作为本地电源节省输变电的建设成本和投资、改善能源结构、促进电力能源可持续发展。可以预测，将风能等可再生能源分布在用户终端，并通过信息技术优化用电需求，最大限度地保证用户能源供应的高效、经济和清洁，将是今后能源发展的方向[48]。

城市风能利用潜力巨大，但目前国际普遍认为这个行业仍面临重大挑战，也缺乏标准以确保小型风机满足安全安装、操作或安装后产生预期的输出产量等要求。深入分析我国小风机市场发展瓶颈，除了政策机制等制约条件，风能转化效率、年发电量、安全可靠性、并网能力及并网对电力系统安全稳定的影响等也是重要因素。但是相信随着技术的发展和政策的支持，城市风能的利用一定会向着更加规范高效的明天发展。

作为上海地区风光储可再生能源综合利用的示范工程，在同济大学彰武路校区某学生宿舍楼顶利用 2 台垂直轴风机集风、倾角式和壁挂式太阳能板集热，两者协同发电，通过贮水箱中水蓄热，产生的热水供楼中学生日常使用(图3)，项目的建设和运行积累了宝贵的经验。

图 3 同济大学彰武路校区“风光储一体化”系统

5 结 语

风能是现阶段研究技术最成熟、利用最广泛的一种新型能源，拥有着巨大的利用前景。随着城市的发展和城市住宅建筑的建设，采用风电建筑一体化等适当方法，利用城市特有的风环境进行高效的风力发电，已经成为国内外研究的热点。垂直轴风力机由于具有安装、维修方便等诸多优势，因而在风电建筑一体化中得到了越来越广泛的应用。随着风能与风力发电相关研究的进一步深入，城市风能利用得到逐步的发展，但同时这个行业也面临包括公众认可度和技术可靠度等方面的巨大挑战。利用政策激励和技术创新，可以进一步推动城市风能利用，促进绿色建筑可持续发展。

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TU50

A

1674-814X(2017)03-0044-05

上海科技支撑计划(13dz1203402)

2017-02-20

戴靠山，博士，副教授，主要从事能源基础设施防灾研究，现供职于同济大学。

作者通信地址：上海市杨浦区四平路1239号同济大学，邮编：200092 。