发布日期:2016.11.22
信息来源:LEED丨USGBC
风能建筑永动空间

 

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。

 

 

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。


 

风能在建筑中的应用前景
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。


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。


 

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。

 

 

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。

 

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。

 

 

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。



 

风能在民用住宅的应用
随着风机的快速发展,一些因特有环境气候条件引起的故障问题随之而生。为了使风机安全运行,同时为了更好的利用风能,需设计适合当地环境、风况、地形、气候条件的风机。针对民用建筑,开发相适应的风力电动机才能使风能真正应用在民用建筑中,也才可能实现风力发电12%的可能。


近年来,适合于民用住宅的小型风力发电机的开发也是逐渐提上了日程。中国小型风力发电机组的生产应用已有较长的历史,主要用于农村、牧区、海岛等电网不及地区(使用非并网风力发电),除满足国内需要还出口国外,曾经在世界上有一定影响,但如与近年来崛起的新型小型风机相比,技术上有极大的差距,已不能适应国内外市场需求,需加紧研发新型现代小型风力发电机组。

 

 

对于风能在民用住宅中应用,我国也将风力发电机直接应用于了住宅建筑。在偏远山区或是不通电网的地方将风力机安装于屋顶之上,利用当地丰富的风能资源进行发电。


现在风能在民用住宅中实例应用还很少,尤其是对已建成建筑安装风力发电机更是少之又少。但风能走入民用住宅的先河已经开启,未来风能在住宅小区的大力推广将是可以预见到的。

目前对建筑环境中的风能利用在我国起步不久,此类研究尚未成熟。为推广建筑环境中的风力发电技术,对于风场的模拟、建筑风环境的舒适性、结构安全与可靠性等都还有待进一步的研究。而当研究有所成果的时候,也就是风能走向城市建筑的时候。到2020年,实现风电生产量占全球电力需求12%这一目标也必然需要风能在城市建筑中大放光彩。预计未来,风能在城市建筑节能这一领域必然拥有一席之地。

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