摘要：随着新能源技术的发展，利用城市风环境进行风电转化已经逐渐受到人们的重视。本文通过对城市风环境特性的分析，深入探讨城市建筑周边风环境的基本特点、风电利用的方法以及风电设施与建筑一体化的结合形式。
关键词：城市风电，建筑风环境，风电设施与建筑一体化
现今能源问题已成为困扰人类社会发展的主要问题之一。传统化石能源的燃烧污染和储量枯竭都迫使人类去寻找新的可持续替代能源。目前可能的发展方向主要有可持续清洁能源（如：太阳能、潮汐能、地热能、风能等绿色能源）和核能两种。与核能相比，无污染可持续的绿色能源更加安全可靠。近些年以太阳能为代表的可持续能源的开发和利用得到了高速的发展，风力资源的利用也在多个国家发展的如火如荼。根据IEA的数据，到2050年风电的产出能达到全球总电能需求的4.2%到5.8%（此数据基于对经济发展速度的估计和能源利用效率增加的预计）。但是根据全球风能委员会的估计这一数字能达到20%。传统的风能发电多是设置在城市外的空旷区域，而在城市中利用风能发电是为了更加广泛的使用风能的一种新的尝试。
1、城市风能的特点及利用方式
1.1 城市风能利用的可能性
对于风电资源的利用从来就有两种质疑的声音。一是担心自然风的不稳定性，二是它能否提供标准的电力供给。从常规中央电网控制者的角度来看，风电资源被定义为低“生产保证”的能源类型。生产保证是用来测量能源供给可信度和稳定性的概念。
相对于风力发电站而言，城市风电的利用存在更大的“生产保证”问题，因为城市风车的建造都是单个行为，目前还无法规模化系统化的建设。所以要解决城市风力资源利用的问题，将单个的城市风车网络化，与城市公共电网相连接是一个前提条件。
1.2 城市风车的基本形式
城市利用风能有两种划分方式。一是安装风车安装模式划分，可分为独立式风车和建筑一体化风车。独立式风车顾名思义是直接安装于地面的独立于建筑的风车，而建筑一体化风车则是安装在建筑上的风车类型。二是按照风车结构来划分，可大体分为水平轴风车（HAWT）和垂直轴风车（VAWT）。
1.3 城市风流的基本特点
可以用两个基本特征来描述城市风环境的特性；低年平均风速和相对于开阔地区更多的乱流。气流形式可以分为三种情况：连续干涉型、短间距干涉型、独立干涉型，下面将分别介绍。
连续干涉型：
当建筑间距小于建筑高度的三倍时，那么这一区域就可看作是连续干涉型。
建筑之间的区域有较多的乱流且风速很低.
短间距干涉型
这一类型中建筑间距至少要大于5倍建筑高度。在建筑之后会产生一个乱流区域，在这个区域乱流强度和风速都会比‘高干扰区’要强。
独立干涉型：
当建筑间距增加到10-20倍的建筑高度时，将会在建筑间形成独立干扰气流。由于建筑之间距离足够远，所以前一栋建筑对后面的建筑的影响相对较小。
2、城市风电设施与建筑一体化结合方式
建筑一体化风车是城市风车的主要类型。由于建筑物是载体所以它会以不同的方式影响到风车的选型和安装。
2.1. 安装于建筑顶端
目前为止，大多数的建筑一体化风车都是这一类型的。首先大部分的风车是在建筑建成以后才被决定安装的，所以除了屋顶以外基本无处放置风车。其次，将风车安装在建筑屋顶是最简单有效的风车建筑一体化的方式。
基本上我们可以将屋顶安装型的风车按照建筑屋顶样式分为直角屋顶和流线型屋顶两种。气流在直角屋顶和流线型屋顶上的表现有很大差异。流线型的屋顶可以使气流更加平稳，而且还能起到加速气流的作用，此外，流线屋顶相对于直角屋顶来说制造更少的乱流。
●风车的支撑塔必须足够高以便躲开建筑产生的乱流。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆支撑塔的高度同时也可以避免风叶撞击到屋面上的各种物品。
●如果安装的是HAWT，风车的震动会随着支撑杆的升高而急剧加大，VAWT的震动相对较小但是也依然存在。
●视觉影响是另一个值得关注的问题。在建筑顶端加装一个大风车并不是在城市的任何一个地方都合适的，例如一些名胜古迹周围，或者较为庄重的公共场所。
2.2. 在建筑立面进行风力集中
这种类型的风车建筑一体化只能够在高层或超高层建筑上找到，因为在建筑立面上设置风力集中结构需要相当大的空间而且需要相当高的高度才能发挥作用。根据建筑的结构不同此类风车结合可以分为方形集中型和圆形集中型。方形模式更加适用于VAWT，因为VAWT的风叶扫过面积为方形截面。圆形模式则明显更加适用于HAWT。风向对于这一类型非常重要，因为只有两个方向的风能被利用。所以建筑立面必须直面所在区域的盛行风向。此外，外建筑的近深不能过大，以避免产生较强的乱流。
●风力集中结构大小应因技术实现的可能性适当而定，否则会使建筑成本过高。
●风车会产生较大的噪音和振动又是还会产生较对热量。所以与风车相连的建筑部分应该在设计时考虑到阻隔噪声和振动。
●安全问题需格外关注，因为此类型的风车建筑一体化程度最高。风车完全安装在建筑屋内部。同时日常维护也许小心谨慎。这些在设计之初必须考虑周全。
在建筑一侧安装
高度和局部风加速是这一类型的特点。然而如果建筑体没有能形成风加速的形体那么此类型风车的效率将低于同等高的独立式风车。所以如果设计者想要选择此类建筑一体化风车形式的话，必须将建筑体设计成一个很好的风力收集和加速器。
●由于靠近底部的风车可能受到较多乱流的影响，并且风速可能相对较低。所以VAWT将是较为理想的选择。
●由于风车与建筑充分融合，风车所产生的噪声震动和热量都会较大程度上的影响的建筑，所以在与风车相结合的建筑体部分应注意噪声震动的隔离设计。
●安全因素也尤为重要。较为安全可靠的风车应当被采用，比如效率较低但是安全系数好的drag type VAWT就很合适。
在多栋建筑之间
如果将风车安装在不同建筑之间，建筑体之间所形成的风加速效果将是可观的。ＨＡＷＴ和ＶＡＷＴ都可以被应用在这一类型上。但是如果建筑之间有足够的距离且所在地有较强盛行风，那么ＨＡＷＴ将是首选。
●建筑的朝向、体量、形状、以及建筑之间的间距将是影响风车表现的关键因素。
●尽可能多安装风车，以充分利用建筑所形成的风力集中区域。
●建筑同样需要考虑建筑风车结合处的防噪音、防震动、隔热的问题。
●最后安全性也许重点考虑。
结论
风车可以通过很多种形式被安装在建筑上，不同的方式产生不同的结果。如果建筑物本着利用风能的出发点而设计建造那么通常其结构、形体和立面都能起到收集加速风力的效果以便让风车更好的工作。风向是风能利用个因素中非常关键的一项，如果建筑设计适当，便可以将不同方向的风集中，从而加大风车的利用率。不同种类的风车被用于不同的情况，虽然垂直轴风车被证明更加适用于复杂的城市环境下，但是在某些情况下水平轴风车却是更好的选择，如伦敦的城堡大厦和巴林的世贸大厦。建筑一体化风车还通常和太阳能电池板等可持续技术结合使用。
风车建筑一体化会带来很多负面效应，如：噪音、震动、光污染等。但实际工程表明，如果在设计之初就细心考虑解决办法这些负面效应大都可以减弱。此外，由于目前风车建筑一体化实际的经济成效较低，所以各国政府的相关鼓励政策就成了推动产业发展的主要动力之一。比如英国政府就出台了例如ＲＯＣｓ的政策，此类政策大大推动了城市风能利用的发展。很多地方政府也都签署法令来推动风力资源发展。
此外，在建筑上安装风车不单单可以为使用者和社会共计能源，同时也可以为公众提供一个良好的绿色形象，这会促使更多人去思考环境问题去寻找人与自然之间的平衡点。而这也许比风车所能产生的能量要更加重要。
参考文献
[1]http：//en.wikipedia.org/wiki/File：Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpg
[2]《英国可持续能源政策纲要》http：//www.erec.org/fileadmin/erec_docs/Projcet_Documents/RES2020/UK_RES_Policy_Review_09_Final.pdf
[3]http：//www.r-e-a.net/power/wind-power/UK_overview
[4]Sinisa Stankovic，Dr Neil Campbell，Dr Alan Harries，Urban Wind Energy，published by Earthscan UK 2009
论文作者:张煜1,宋丹娜2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/11
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