风能利用技术高层住宅建筑外表皮一体化研究与设计应用_曹茂庆.pdf

012023.03/Low Carbon Architectural Design 低碳建筑设计们的精神生活。建筑是一门综合艺术，建筑外表皮以高科技运用为背景，结合哲学、社会学、艺术学、美学进行综合设计，使建筑艺术美学向着技术与艺术一体化的良性方向发展；绿色建筑科学技术的魅力已经拓展，具有了建筑艺术审美取向，建筑艺术美学原则在绿色建筑科技的引领下，增添了建筑新技术美学特征，人们对建筑艺术的美学取向发生了变化，促使建筑师以充分表现高新技术为设计理念，在建筑外表皮刻意强化新技术的表现魅力，将建筑技术从改变人们的物质生活手段，升华到人们的审美精神文化层面上，展现建筑的新技术美，引领建筑艺术美学发展的新方向。目前风能利用技术与建筑功能性一体化设计，绿建通风性能化分析技术，风能利用技术与高层住宅建筑外表皮艺术一体化设计，体现建筑一体化设计艺术美的研究，成果发表者寥寥1-3。风能利用技术日益成熟，给风能技术在建筑领域的利用带来了广阔的前景，基于“绿建通风性能化分析”技术，运用风在建筑外表皮的风聚集效应、风压效应和风的狭管效应原理，通过风能收集设备安装，实现绿色节能建筑。风能利用设备与高层住宅建筑外表皮一体化设计，实现了绿色建筑时代，风能利用技术的建筑外表皮一体设计的艺术形态美已走入人们的视野，成为绿色建筑追求的目标之一。1 风能利用技术高层住宅建筑外表皮一体化设计优点众所周知，建筑是一门艺术，艺术是要有创意构思的，如同其他门类艺术一样，建筑外表皮创意构思是由建筑师在伟大创新时代，催生的强烈求新求异的意念所支配的。如今科学技术迅猛发展，人类正以接纳新技术的更宽广的胸怀去探索建筑世界，追求人与社会、感知与理性、摘要本文通过绿建通风性能化分析与风在建筑表皮的聚集效应简介，推进风能利用技术在高层住宅设计中的运用，通过环境风在建筑外表皮的聚集效应、风压效应、狭管效应的原理运用，实现高效率收集风能；风能利用技术与高层住宅建筑外表皮一体化设计，以及完善绿建风能利用新技术的创意构思，给高层住宅建筑外表皮带来风能利用新技术，推进我国绿色、生态美好家园建设，实现国家提出的未来“碳达峰”“碳中和”建设奋斗目标。关键词风能利用；高层住宅；建筑外表皮；一体化中图分类号T U 2 0 1文献标识码A基金项目寒区城乡建设可持续发展协同创新项目“寒区风能利用的高层住宅套型节能设计创新与应用”（H I C T 2 0 2 0-0 2）。DOI1 0.1 9 8 9 2/j.c n k i.c s j z.2 0 2 3.0 3.0 1Abstract Based on the analysis of the ventilation performance of green buildings and the brief introduction of the gathering effect of wind on building skin,this paper aims to promote the application of wind energy utilization technology in high-rise residential design.This paper applies the wind aggregation effect,wind pressure effect and narrow tube effect of the environmental wind on the building surface to achieve the efficient collection of the wind energy.The paper proposes the integrated design of wind energy utilization technology and exterior skin of high-rise residential buildings,improves the creative idea of the new wind energy utilization technology of green buildings,and proposes to use new wind utilization technology on the exterior skin of the high-rise residential buildings.It aims to promoting the building of a green and ecological homeland in China,and to achieve the national goal of“carbon peak”and“carbon neutrality”in the future.Key words wind energy utilization;high-rise residential housing;building exterior skin;integration科学技术的发展给人类生活带来深远影响，科技发展不但提升了人们的物质生活，更重要的是极大地丰富了人作者简介：曹茂庆（1968-），男，副教授。研究方向：绿色建筑与职业教育。通信作者：邢宇凝（1992-），女，工程师。研究方向：建筑环境景观设计。邮箱：。作者单位：1.黑龙江建筑职业技术学院；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司风能利用技术高层住宅建筑外表皮一体化研究与设计应用Research on Integrated Design of Wind Energy Utilization Technology and Exterior Skin of High-Rise Residential Buildings曹茂庆1 邢宇凝2Cao Maoqing1,Xing Yuning202城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.03生命与自然的融合，追求建筑科技与艺术无限发展的理想境界4。在建筑创作活动中，建筑技术在满足人们不断增长的物质需求的同时，也满足了人们强烈的改革创新、求新求变的心理需求，这为建筑师的建筑艺术创作打开了一扇通往新技术无限发展的、奔向广阔天地的大门，建筑师以建筑新技术所表现的形态为出发点，以满足人们求新求异的审美需求为创意，展开建筑外表皮的构思，表达与众不同的新技术特征和魅力，追求人与建筑和社会的融合，促使建筑师探索风能利用技术与高层住宅建筑外表皮一体化设计的建筑表情，使人们领略新技术表现的智慧美4。1.1 满足审美心理科技飞速发展，不断给人类生活注入新鲜血液。生活节奏加快，人们必须适应当今富于变化的生活，建筑新技术的应用，使人们对建筑外表皮悄然产生了喜新求变的审美心理，追求新技术美是如今建筑外表皮创意构思的时尚，作为当今城市大量建设的高层住宅，其外表皮风能利用技术一体化设计日益受到建筑师的关注。1.2 体现人与建筑互动心理高科技的出现，拓展了建筑师建筑外表皮创作领域，思考人与建筑的互动体验，追求人与建筑情境交融的生活环境。建筑的发展走向，建筑外表皮的创意构思，向着人和建筑互动对话，人和建筑视觉、听觉、触觉多元融合体验的方向发展。作为贴近城市百姓生活的高层住宅，其外表皮风能利用技术一体化设计日益受到建筑师的青睐。1.3 领略人类智慧之美高科技运用于建筑创作，满足了人们的审美心理，实现人与建筑互动效果，更重要的是让人们领略到了人类的智慧之美。建筑师运用高科技、建筑外表皮设计创作，实现理想、超越现实，人类对自我能力的欣赏和喜新求变本性价值的实现，让人们领略到了建筑科技成果所包含的人类智慧。黑格尔在讨论艺术的心灵品质时谈道：“当一个孩童把一块石头抛进平静的河水里，河水泛起涟漪，孩子以惊奇的神色，去欣赏水中所展现的圆圈，孩子认为湖面的涟漪是他的一个作品。”4建筑创作中，社会、文化等诸多因素影响着人们的审美，人们对建筑新科技所包含的创造之美、智慧之美的欣赏，是深层次的审美。领略人类智慧之美正是建筑高科技美学精神的内涵之一。作为当今城市大力建造的高层住宅，其外表皮风能利用技术一体化设计日益受到党和政府的高度重视。2 风能利用技术原理概述2.1 绿建通风性能化分析技术风能利用技术与高层住宅建筑外表皮一体化设计有赖于“绿建通风性能化分析”技术，绿建通风性能化分析即建筑通风（VENT）模拟分析，通过“风场计算域选取”“计算精度网格划分”“搭建能够模拟出真实的流场数值的湍流模型”“反映高层建筑对风速的放大作用的风速放大系数计算”等几个方面，模拟出建筑的通风设计效果，并给出绿建通风性能评价。绿建通风性能化分析技术涵盖了室外通风、室内自然通风和室内机械通风，可进行气流组织分析、多区域网络法换气次数计算、通风开口面积计算、室外儿童娱乐区和休息区风速达标计算、建筑表面风压相关计算，并分别提供对标的报告书。其中室外通风、建筑表面风压相关计算分析，有利于在建筑外表皮进行风的收集与利用。如图1、图2所示的红色区域，为建筑表皮风压、风速、风聚集较大区域；在建筑表皮风压大、风速高、风聚集区设置风收集狭管，进行风能收集、风电转换，有效利用风能，进而降低建筑能耗。2.2 理论依据2.2.1 风压效应城市的高楼密布，极大地降低了自然风速，提高风速图 1 夏季风云图（图片来源：作者自绘）图 2 冬季风云图（图片来源：作者自绘）032023.03/Low Carbon Architectural Design 低碳建筑设计是风能利用的首要任务，根据伯努利原理，在理想情况下有如下高差与风速关系式5：22122121ghvghvoi=（1）pi为风管入口风压，po为风管出口风压，为空气密度，g 为重力加速度值：9.8m/s2vi为入口空气速度，v0为出口空气速度，h1为入口高度，h2为出口高度。风在空中流动时，具有风压效应，也就是在自然环境中，高空的风速较大。运用绿建通风（VENT）技术软件，进行建筑风环境性能化模拟分析，也可以得到高空的风速较大的结论。2.2.2 风聚集效应建筑间风的流动会在建筑表面产生风聚集，在建筑全高的 1/24/5 范围内风能聚集效应明显，其中在建筑高度3/4处达到最佳5-9。同样运用绿建通风（VENT）技术软件，进行建筑风环境性能化分析，也可以得到模拟形象化结论，如图 1、图 2 所示。2.2.3 狭管效应在自然环境下，建立一个理想的狭管叶轮，设风轮进口风速为 v1，流经出口处叶轮后的风速为 v2；设进口风速流经叶片时的扫掠面积为 s1，叶片中平面的扫掠面积为 s，风速流经叶片后的扫掠面积为 s2。风速产生的机械能即为风在叶轮上做的功转化而来，按流量计算公式6，10，11有：s1v1=sv=s2v2 （2）即风管面积与流经风速成反比关系。如面积缩小 1/n则风速提高 n 倍。2.2.4 风电转换原理风电转换的原理在于风力发电机将风的动能转化为机械能，并最终转化成电能。风电机组输出功率主要取决于风力机轮毂高度处的风速。其基本关系式8如下：+=cocorwtrciiciwtvvvvvPvvvkvkvvP，000,23（3）)/(330,1cirwtvvPk=（4）其中，312civkk=（5）Pwt,0为风机的额定功率；vci为风机的切入风速，即风机开始并网发电的最低风速；vco为风机的切出风速，即风机达到结构或系统安全发电上限的最高风速；vr为额定风速；v 为实际风速；综上，通过上述（3）（4）（5）公式可知：当实际风速小于等于切入风速 v vci，或大于等于切出风速 v vco时风机停止运转，电能转化率为 0。当实际风速大于切入风速小于电机额定风速 vcivvr时，其电功率可按关系式（6）进行计算；（6）)()/(3330,3330,231cicirwtcirwtwtvvvPvvvPkvkP+=+=只有当实际风速大于等于额定风速并且小于切出风速时 vr vvco，风机发电功率才能达到其额定功率值 Pwt,0。提高风速，达到合