超高層建筑自然能源利用的可持續(xù)性問題研究★

徐蘇容 周 科

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 450007；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450011)

0 引言

自從20世紀初期將自然能源利用的概念引入到超高層建筑設計中以來，改變了傳統(tǒng)的建筑設計模式，以提高超高層建筑物的經(jīng)濟價值和融合外部環(huán)境變化的需求。長期以來，超高層建筑物自然能源利用的理論從其實際效果研究和設計方法等方面都取得了許多進展。隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和現(xiàn)代化城市的建設，超高層建筑的數(shù)量在迅速增長，不但高度在向更高空間伸延，規(guī)模也在不斷擴大。在區(qū)域分布上，超高層建筑的建設不斷從經(jīng)濟發(fā)達的沿海地區(qū)向內(nèi)地城市轉(zhuǎn)移，從北京、上海、廣州等一線大城市轉(zhuǎn)移至二、三線城市。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)有已建、在建或規(guī)劃中的超高層建筑1 100多座，高度從100 m躍升至近600 m。超高層建筑的建設一方面加快了城市現(xiàn)代化建設，在節(jié)約用地、減少城市空間交通擁堵、整合城市資源等方面都具有十分顯著的作用，但是超高層建設的發(fā)展也帶來了許多不容忽視的問題。例如超高層建筑的能耗問題、室內(nèi)舒適度問題，建筑藝術(shù)外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，尤其是超高層建筑增加城市洪澇災害、引起城市局部氣候條件的變化，引發(fā)城市熱島效應問題以及增加水文極端事件的概率問題等，都受到國內(nèi)外越來越多的學者的重視。因此，探索如何優(yōu)化利用當?shù)刈匀荒茉?、超高層建筑與當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的融合以及超高層建筑的外觀設計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理布局等，對于超高層建筑設計與發(fā)展以及自然能源的優(yōu)化利用都具有十分重要的意義。本文就超高層建筑物自然能源利用的理論、設計標準、可持續(xù)性等方面進行了探討。

1 超高層建筑物自然能源利用設計標準

超高層建筑常見的自然能源利用類型為太陽輻射能、風能和雨水資源利用。下面研究這三種自然資源的計算方法與設計標準。

1.1 風能設計標準

對于超高層建筑來說，風能資源的開發(fā)利用設計主要考慮風力、風向、風速、風的紊流特點等。通常氣象資料中的風速測試站高度為10 m，若氣象資料中風速為2 m/s，則根據(jù)梯度風規(guī)則，100 m高處的風速則約為3 m/s，400 m～500 m高處的風速則增加到5 m/s。

1)風的朝向設計。

在設計風的朝向指標時，應統(tǒng)計多年來氣象觀測站對風的觀測，利用統(tǒng)計學的概念，統(tǒng)計風的歷年朝向，可以繪制風的朝向特征指標變化過程線圖，綜合考慮超高層建筑朝向與對應于一定概率風的朝向，按照對風力資源利用的要求，設計最佳風力朝向。

2)風速的設計。

通過氣象站多年觀測資料，用下式計算超高層建筑的風速：

(1)

其中，Vh為高度h處的風速，m/s;Vref為參考高度處的風速，m/s(查氣象資料得出)；href為參考高度，m(氣象資料中href為10);a為地面粗糙系數(shù)。

3)風力設計。

風力即風的壓力，指垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。根據(jù)伯努利方程得出的風壓關(guān)系，風的動壓為：

Wp=0.5·R·v2

(2)

其中,Wp為風壓,kN/m2;R為空氣密度,kg/m3;v為風速,m/s。

1.2 太陽輻射能源利用設計

我國太陽能資源豐富，尤其是南方地區(qū)和河西走廊地區(qū)，分布著豐富的太陽能資源，為超高層建筑太陽能資源利用提供了良好的條件。對于超高層建筑，作為初步估算，太陽輻射能源利用可采用式(3)計算：

S′=Q(a+bS1)

(3)

其中，S′為直接輻射平均月(年)總量，Q為計算直接輻射的起始數(shù)據(jù)，可采用天文總輻射S0，即理想大氣總輻射；a,b均為系數(shù)；S1為日照百分率。

1.3 雨水資源利用設計

按照不同地區(qū)降雨量大小和降雨特征，設計超高層建筑可能利用的雨水資源量?？梢圆捎盟脑O計中常用的概率分布計算的辦法，設計對應一定標準的雨水資源量。

2 超高層建筑自然能源利用案例研究

下面通過對國內(nèi)外超高層建筑自然能源利用案例調(diào)查，研究其自然能源的利用，從而提出可持續(xù)性問題。

2.1 太陽風大廈

美國加州大學規(guī)劃建造了太陽風大廈。太陽風大廈的建筑設計是藝術(shù)、建筑和環(huán)境可持續(xù)性的融合，將風能、太陽能和雨水收集利用綜合考慮在內(nèi)。該大廈是學生、教師經(jīng)常聚會進行重要活動休閑和學習的地方。

2.2 組合式動能資源——巴林島的世貿(mào)中心(WTC)

該大廈由兩個240 m高的雙子塔組成(見圖1)，分為50層，2004年開建，2006年年底完工。該大廈是麥納麥(Manama)的第二超高層大廈。該大廈安裝了三個風力機組，發(fā)電量占大廈用電的15%。

該大廈是第一個利用風力解決本身用電的超高層大廈。雙子塔大廈外部造型像一對帆船，利用風能的沖浪滿足大廈內(nèi)部用電。雙子塔通過三個橋梁連接，三個橋梁支撐著三個風力發(fā)電機組。整體大廈的設計優(yōu)化了風力通道，增加自然風力強度30%。三個風力機組滿負荷運轉(zhuǎn)可以解決大廈能量需求的11%～15%，年發(fā)電量達到1 100 MW～1 300 MW。

2.3 廣州珠江大廈

該大廈建于2006年7月～2009年12月，69層303 m高(見圖2)。廣州珠江大廈是世界上著名的環(huán)境友好型超高層建筑，所產(chǎn)生的能源自給自足。其特點是安裝了一個風力發(fā)電系統(tǒng)，一個太陽能發(fā)電和雨水收集利用系統(tǒng)，雨水收集后可以由太陽能加熱。通過散熱器和垂直通風使得樓房涼爽。樓房渦輪機內(nèi)有一個風道，可以減少風對大廈的影響。

3 超高層建筑物動能資源利用可持續(xù)性分析

3.1 外形與內(nèi)部組成單元的設計可持續(xù)性

1)曲線型、非對稱性減少了風力荷載，平均減少24%，從而減少了樓房的結(jié)構(gòu)荷載，也減少了能耗。

2)新型的外墻設計技術(shù)是大廈可持續(xù)設計和能源更新系統(tǒng)中的亮點。圓形的玻璃內(nèi)墻與同等面積方形樓房的玻璃使用量對比，減少了14%。同時也大大減少了能耗。

3)雙層垂直前廳起到了熱緩沖器的作用。具有改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，給人提供歇息的空間等功能。

4)樓房盤旋式欄桿可以收集雨水，可以用作大廈加熱和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)的形狀可以促進渦旋脫落，生成非對稱表面，從而減少樓房的風力荷載。風力渦輪機安裝在護欄的正下方，可以提供內(nèi)部電源。

3.2 氣候響應問題

將旋轉(zhuǎn)運動理論應用到樓房朝陽面以防護陽光。實際上，樓房的百葉窗也是對氣候的響應，它可以按照時間和季節(jié)的變化，實現(xiàn)優(yōu)化利用太陽能和光線的目的。對氣候響應的一個突出亮點是雨水資源的收集利用，將收集起來的雨水經(jīng)凈化后，用于樓房生活或冷卻用水等。其次是太陽能和風能資源的利用。

3.3 自然能源利用需要進行跨學科研究

超高層建筑自然能源開發(fā)利用所對應的層次是“人類+自然環(huán)境”,屬于地理學、地質(zhì)學、生態(tài)學、水文資源、經(jīng)濟學、社會學、環(huán)境學等眾多學科研究的范圍。因此,超高層建筑自然能源開發(fā)利用是一個學科密集的層次,需要多學科參與，形成一個獨立的學科研究體系。

3.4 超高層建筑自然能源利用的標準化問題

超高層建筑自然能源可持續(xù)利用的管理應遵循可持續(xù)發(fā)展原則、生態(tài)質(zhì)量原則、動態(tài)性原則、可比性原則和可行性原則。我國已經(jīng)成為全球超高層建筑自然能源利用的大國,也是相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大國,但是缺乏統(tǒng)一的政策法規(guī)和技術(shù)標準,缺乏嚴格統(tǒng)一的行業(yè)準入標準,相關(guān)部門的管理范圍及管理權(quán)限尚未得到明確的界定,缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新。因此,需要制定超高層建筑自然能源可持續(xù)利用的戰(zhàn)略動態(tài)規(guī)劃,加強自然能源利用相關(guān)科技的創(chuàng)新和研發(fā),建立完備的超高層建筑自然能源開發(fā)利用綠色產(chǎn)業(yè)鏈,建立健全超高層建筑自然能源可持續(xù)利用的相關(guān)法律法規(guī),從而實現(xiàn)超高層建筑自然能源的可持續(xù)利用。

[1] 王松霈.論我國的自然資源利用與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[J].自然資源學報,1995,10(4)：32-33.

[2] 棲邦博.超高層辦公樓[M].劉樹信,譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] 楊維菊．緣色建筑設計與技術(shù)[M].南京:東南大學出版社，2011.

[4] 李東華．高技術(shù)生態(tài)建筑[M].天津:天津大學出版社，2002.

[5] Kostas,T.(2008)Kinetic architecture,course website locator:2309,Harvard Design School,accessed 13 June，2009.

[6] Maria,L.L.(2008)Sensing architecture,design science:The ideal architecture process,accessed 3 June，2009.

[7] Zadinac(2009)Free essays on kinetic architecture.Kinetic Architecture,21 March,accessed 3 June，2009.