风能与建筑一体化设计——巴林世贸中心

102atdIntegratedDesignofBuildingandWindEnergyUsage:BahrainWorldTradeCenter风能与建筑一体化设计——巴林世贸中心撰文赵华高辉天津大学建筑学院绿色建筑研究中心摘要关键词本文详细介绍了巴林世贸中心的风能与建筑一体化设计。在世界各国都在寻求新能源与建筑集成设计方法的今日，巴林世贸中心的建成无疑给了探索中的建筑师们一个启示和参考。风能与建筑一体化设计巴林世贸中心可持续发展风力涡轮机引言风能与太阳能一样，是一种取之不尽，用之不竭的可再生绿色清洁能源。风能利用的历史比较久远，2000多年前，古老的中国、巴比伦、波斯就开始利用风车碾米和抽取井水。自1927年起，由于使用柴油、煤等化工燃料的蒸气机、发动机占据优势，风能的利用一度沉寂。但从上世纪70年代“能源危机”的爆发和日益严重的环境污染问题，风能重新引起了全世界的重视。同时，建筑能耗占社会终端总能耗的比重越来越大（欧洲为25.6％，中国为30％），其中仅有1％是由可再生能源提供的，所以如何将新能源与建筑设计一体化必将成为未来建筑设计的主流，也是建筑师面临的艰巨挑战。近20年里，太阳能与建筑一体化设计发展迅速，而风能由于其不稳定性和噪音污染等问题很难大规模地与建筑进行一体化设计。但2007年6月刚竣工的巴林世贸中心（WTC）（图1）却成功地将大型风轮机集成到建筑当中，可称为风能建筑一体化的典范之作。图1atd1031简介巴林位于波斯湾西南部，介于卡塔尔和沙特阿拉伯之间，属热带沙漠气候，夏季炎热潮湿。巴林世贸中心座落在首都麦纳麦市的波斯湾沿岸上，耗资9600万美元，总建筑面积120961m2，除了设置有办公空间和商务设施外，还有喜来登大酒店、商场、咖啡屋、饭馆和健身俱乐部，并设有1700个停车位（图2－5）。巴林世贸中心由两座外观完全相同的塔楼组成，双子塔高240多米共50层，平面为椭圆形，外形呈帆状，线条流畅，具有强烈的视觉震憾力，深绿宝石色的玻璃和白色的外表皮使大厦与周边沙漠景观和海上风光融为一体。2风能与建筑一体化设计设计师在双塔之间16层（61m）、25层（97m）和35层（133m）处分别设置了一座重达75吨的跨越桥梁，三个直径达29m的水平轴风力发电涡轮机（图6-7）和与其相连的发电机被固定在这三座桥梁之上。建筑师ShaunKilla受传统阿拉伯“风塔”的启发，利用文丘里原理将两座塔楼的平面和剖面设计成椭圆形和帆形，两座塔楼主体如同两片巨型机翼将来自波斯湾海面上的毫无阻碍、经年不息的海风集中并加速使其在经过两座塔楼时形成漏斗效应，将风速提高了30％，大大提高了风力涡轮机的工作效率。水平轴风力涡轮机通常被安装在杆件上，当涡轮机的正面与空气流向垂直时发电效率最高。在风向随季节变化而改变的气候条件下，将如此大型的水平轴风力涡轮机整合在建筑上是非常困难的。为了获得与涡轮机正面垂直的气流，并将有限风向角度范围内的气流尽量多地引入双塔之间形成漏斗效应，加快空气流速，巴林世贸中心从设计阶段开始就注定要采用这种建筑形式。近两年，垂直轴的风力涡轮机被广泛使用，因为垂直轴的涡轮机不受风向的限制，发电效率比水平轴涡轮机高的多，但在巴林世贸中心的设计阶段，还没有出现将大型的垂直轴涡轮机与建筑进行一体化设计的成熟技术和案例。图2图4图3图5104atd在垂直方向上，双塔的锥形造型也体现了空气动力学的原理。随着高度的增加，双塔之间的风速越来越大，而由于双塔主体的机翼断面越来越小，所以通过三个涡轮机的风速大致是一样的。如果假设中间的涡轮机发电量为100％的话，那么最上面和最下面的涡轮机的发电量分别为109％和93％。此外，风洞试验证明，由于采用这种建筑形式，双塔中轴线两侧各45o范围内的气流经过涡轮机时基本上都是与其正面相垂直的，从图8所示的关于风速与涡轮机输出电功率的试验数据中可以看出：当风速在15m/s~20m/s时，涡轮机的电能输出功率最大。三座风力发电涡轮机每年可为大楼提供10％~15％的电力，即1100~1300兆瓦时，这些电力足以满足巴林300个家庭一年的用电量。尽管之前建成的一些生态摩天大楼如位于英国伦敦的StGeorgesWharf上也安装了风力涡轮机，但将如此大尺寸的风力发电装置整合在商业建筑物上，巴林世贸中心仍属首次，也因此获得“大型规划中技术使用最佳奖”和“阿拉伯建筑世界”颁发的“可持续设计奖”。3可持续设计相对于欧洲和其它世界范围内的可持续设计标准，巴林世贸中心并不能称得上是低炭排放建筑，但与其它中东地区的建筑相比，它除了安装有风力发电涡轮机外，还包含多项降低炭排放量的措施，现列举如下：1）在室外环境和空调房间之间设置了缓冲空间，例如在大厅的上方和南侧设置了停车甲板，以此来降低热空气温度并减少空气对流传热；2）玻璃幕墙外侧设置了尺寸比例恰当的遮掩设施；3）悬挑阳台兼有遮阳功能；4）在没有遮阳设施的外表皮上则使用了低遮阳系数的高性能太阳能玻璃，以此将太阳能热量的获得降至最低；5）气密性高、可开启的窗户有助于冬季保温；6）不透明的建筑构件采用性能较好的热绝缘材料；7）建筑内部采用较厚的穿孔混凝土楼板，穿孔内铺设冷水降温系统，避开空调用电高峰期。图6图7atd1058）采用节能、高效、高频率的荧光灯具，并实行分区控制；9）采用双重排水系统，将污水和废水分开排放，并将安装中水循环利用系统；10）节水厕所；11）入口处设置水池，对进入建筑内部空间的空气进行降温；12）大面积的景观绿化降低场地的日光反射，产生氧气，并为停车场提供遮阳；13）太阳能路灯。然而，巴林世贸中心令人瞩目之处不仅因为它所展现的绿色建筑设计理念，而且还因为它已成为巴林的标志性建筑，它的光辉甚至超越了近邻迪拜的一些主要建筑物，也唤醒了人们对巴林曾经作为波斯湾地区贸易中心的历史记忆。结语从建设伊始至今，巴林世贸中心吸引了世界的眼球，为巴林吸引了多家投资商，众多游客也纷纷来到巴林一睹它的壮丽身姿。在全世界都在对能源高度关注的今天，巴林世贸中心的建成让我们看到了风能与建筑一体化集成的希望，其可持续性能的提高和建筑的独特魅力也正在逐渐转化和体现成为一种具有市场效益和宣传效应的价值。参考文献[1]ShaunKillaBASBArch,RichardSmithMSc,HarnessingEnergyinTallBuildings:BahrainWorldTradeCenterandBeyond,CTBU8thWorldCongress,2008.[2]