Thông thường, trong các nhà cao tầng, thiết bị năng lượng gió được bố trí theo phương ngang chỉ sử dụng với một hướng gió. Các phương án cơ bản trong thiết kế nhà cao tầng có máy phát chạy bằng sức gió gồm:
- tòa nhà có các ô cửa sổ xuyên suốt và tầng kỹ thuật, bảo đảm việc thu nhận gió và tăng cường các luồng khí tới các bánh xe gió, hoặc hệ thống bánh xe gió bên trong tòa nhà;
- tòa nhà trong đó một phần tường ngoài được sử dụng như bệ đỡ cho các máy phát được gắn trên mái nhà;
- tổ hợp hai (2) tòa tháp hình tròn hoặc hình elip có bố trí các thiết bị năng lượng gió giữa các tòa nhà;
- tòa nhà có các thiết bị năng lượng gió lắp đặt tại các lỗ thông gió trên tường ngoài bằng bê tông cốt thép, tại các vị trí cao hơn mái của khung kim loại được lắp kính bên trong.
Có thể cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng gió của các tòa nhà bằng các biện pháp kiến trúc đô thị khác nhau:
1. Trên cơ sở nghiên cứu các số liệu thống kê về mặt khí tượng, tính chất địa hình, độ mở của diện tích xây dựng, và theo các số liệu thu được từ kết quả khảo sát luồng khí xoáy trong ống khí động, các khu vực được bảo đảm năng lượng gió một cách chắc chắn trong vùng vi khí hậu hoặc trong một vùng của đô thị - mà trong phạm vi đó, tòa nhà tiết kiệm năng lượng có thể liên quan - sẽ được làm rõ. Mối liên kết này thể hiện tại khu vực được bảo đảm năng lượng gió nhiều nhất trong tòa nhà.
2. Xác định các yếu tố kinh tế - tự nhiên tối ưu hóa địa hình khu vực, nhằm thiết lập hệ thống dẫn khí động và sử dụng các hệ thống này để cung cấp những luồng gió mạnh hơn cho các thiết bị năng lượng gió trong tòa nhà .
3. Nếu xây dựng đồng thời hoặc liên tiếp các nhà cao tầng, mà một (hoặc nhiều hơn một) tòa nhà trong số đó có liên quan tới việc sử dụng năng lượng gió, các nhà nghiên cứu sẽ xem xét khả năng bố trí tương tác để có thể tăng cường hiệu quả khí động học chung, nhằm tăng cường việc cung cấp các luồng khí cho các thiết bị, hoặc hệ thống các thiết bị năng lượng gió của các tòa nhà.
Để lắp đặt các turbin gió, hình dáng các tòa nhà cần làm sao để bảo đảm luồng gió chủ đạo đạt vận tốc tối đa, có tính tới đặc điểm khu vực:
- không gian mở như bờ biển, bờ hồ, vùng nông thôn có các công trình có chiều cao dưới 10 m; sa mạc, thảo nguyên, đài nguyên;
- khu vực đô thị, các cánh rừng, và các vị trí được bao phủ bởi các vật cản có chiều cao dưới 10 m;
- các quận nội thị có mật độ các tòa nhà chiều cao h > 25 m ở mức cao.
Để xác định hình dáng tối ưu của các tòa nhà cho mục đích lắp đặt các turbin gió, các nhà thiết kế đã áp dụng các kết quả nghiên cứu về mặt khí động học của các nhà cao tầng, vì các đặc điểm khí động học của mỗi tòa nhà hay công trình trên thực tế phụ thuộc khá nhiều vào hình dáng cũng như kích thước hình học của chúng; vào tính chất và cơ cấu của dòng khí chuyển động; và phụ thuộc vào môi trường xây dựng xung quanh, cùng một số yếu tố khác.
Ngoại trừ trường hợp tòa nhà được xây độc lập; trong những trường hợp còn lại, các hệ số khí động học của lực, moment và áp suất bên trong cũng như bên ngoài cần được xác định trên cơ sở các số liệu của thí nghiệm mô phỏng được tiến hành trong những ống thổi khí động chuyên dụng. Quá trình tiến hành các thí nghiệm mô phỏng khí động cần kèm theo một số điều kiện nhất định để bảo đảm tính chính xác của các thông tin về tải trọng gió lên tòa nhà.
Cũng cần ghi nhận một điều: nếu hướng gió hình thành một góc 450 so với mặt tiền của tòa nhà, ở các biên cản gió của mái che sẽ xuất hiện dòng xoáy, tạo điều kiện tăng cường áp suất phản lực tại các biên, nhất là trong trường hợp gió mạnh. Do đó, tại khu vực này cần nghiên cứu kỹ tính hợp lý trong việc lắp đặt các thiết bị năng lượng gió.
Những luồng xoáy mạnh của các khối khí tại các biên mái của các nhà cao tầng được ứng dụng để lắp đặt turbin gió trong thiết kế của toà nhà COR building.
Sự gia tăng vận tốc gió giữa 2 tòa nhà cao tầng được ứng dụng trong thiết kế của tòa nhà Bahrain World Trade Centre Towers.
Giữa các tòa nhà đứng cạnh nhau, vận tốc các luồng khí chuyển động sẽ tăng lên, như vậy, nếu vận tốc trung bình của gió là 3,3m/s; vận tốc luồng khí giữa các tòa nhà sẽ tăng lên khoảng từ 4,0 - 4,6 m/s.
Các ví dụ về hình dáng phổ biến nhất của các nhà cao tầng với thiết bị năng lượng gió được sử dụng chỉ để đón một hướng gió, như sau:
1. Tòa nhà có các lỗ thông gió xuyên suốt và có tầng kỹ thuật bảo đảm thu nhận gió và tăng cường các luồng khí tới các bánh xe gió hoặc hệ thống bánh xe gió bên trong tòa nhà.
Có thể lấy tòa nhà Pearl River Tower tại thành phố Quảng Châu (Trung Quốc) làm ví dụ. Trên mặt tiền của tòa nhà 69 tầng này, tại các tầng kỹ thuật, các nhà thiết kế đã xem xét việc tạo những rãnh nằm ngang xuyên qua lòng nhà dẫn tới 4 turbin gió có đường kính sải cánh 5 m, được đặt bên trong những lỗ thông gió xuyên suốt, còn mặt tiền tòa nhà được định theo hướng gió. Bên cạnh đó, hình dáng xoáy quanh của mặt tiền tòa nhà cũng định hướng rõ ràng cho luồng khí đi vào các lỗ thông gió trên hai tầng kỹ thuật được phân bố lần lượt tại 1/3 và 2/3 độ cao tòa nhà.
2. Tòa nhà trong đó một phần tường ngoài được sử dụng như bệ đỡ gắn các thiết bị năng lượng gió trên mái.
Castle House là tòa nhà chọc trời đầu tiên tại London (Anh), trên mái của nó có lắp đặt các turbin gió. Các turbin này với trục quay nằm ngang có 5 cánh quạt thay vì 3 cánh như thông thường, nhằm giảm rung chấn và tiếng ồn. Các turbin được gắn với các kết cấu bằng kim loại và có 4 bộ giảm chấn đi kèm. Việc lắp đặt turbin gió ở độ cao 148 m (tòa nhà 43 tầng) tỏ rõ ưu điểm, do vận tốc gió tại độ cao như thế luôn có công năng và ý nghĩa rất lớn.
3. Tổ hợp hai tòa tháp hình tròn hoặc hình elip có bố trí các thiết bị năng lượng gió giữa các tòa nhà.
Hai tòa tháp của Bahrain World Trade Centre Towers được liên kết bởi 3 cây cầu bằng kim loại, trên đó, các nhà thiết kế đã lắp đặt những turbin gió với công suất 225 kw. Hình dáng các tòa tháp, với những đường nét kiến trúc mặt tiền như những cánh buồm đã tạo ra bề mặt khí động học, và thiết lập giữa các tòa nhà một cái phễu khổng lồ “bắt” các luồng gió phơn vùng duyên hải; còn áp suất phản lực từ hướng ngược lại của các tháp được gia tăng, giúp cải thiện vận tốc gió đi qua các turbin.
Kết quả các thí nghiệm trong ống khí động đã khẳng định: Hình dáng tòa tháp, việc bố trí không gian tạo nên luồng khí hình chữ S đủ mạnh, nên trung tâm luồng gió gần như thẳng góc với turbin trong phạm vi 450 góc phương vị của gió tới một hướng bất kỳ của trục trung tâm. Điều này giúp cải thiện đáng kể tiềm năng sản xuất năng lượng điện của các turbin.
4. Tòa nhà có thiết bị năng lượng gió được lắp đặt tại các lỗ thông gió trên tường ngoài bằng bê tông cốt thép, tại các vị trí cao hơn mái của khung kim loại được lắp kính bên trong.
Bản thân hình dáng tòa nhà văn phòng COR building, bang Miami, Hoa Kỳ đã khá độc đáo: khung kim loại lắp kính bên trong, vỏ ngoài là tường bằng bê tông cốt thép có khả năng tránh tác động của ánh nắng mặt trời, trên tường có những lỗ thông gió hình tròn tương đối lớn. 12 m tường bê tông cốt thép trên cùng được xây cao hơn mái tòa nhà. Trong khi đó, các luồng gió mạnh có thể xuyên suốt các lỗ thông gió. Nhờ đó, các turbin gió được đặt tại các lỗ thông gió, với các trục xoay nằm ngang, sẽ hoạt động tương đối hiệu quả. Ngoài ra, việc bố trí các turbin này cao hơn mái giúp giảm tác động của âm thanh tới các căn phòng được lắp kính ở bên trong. Tải trọng rung được truyền trực tiếp từ các turbin tới tường bê tông cốt thép chịu lực bên ngoài, tác động rung từ các turbin gió tới khung kim loại được lắp kính bên trong cũng giảm thiểu đáng kể.
Đối với các tòa nhà sử dụng năng lượng mặt trời, những tòa nhà như sau chiếm ưu thế:
1. Những tòa nhà được gắn các panel quang điện làm tường bao che mờ;
2. Những tòa nhà ứng dụng các khối kính quang điện dưới dạng tường bao che xuyên sáng;
3. Những tòa nhà có các panel quang điện được gắn trên mái;
4. Những tòa nhà có thiết bị hội tụ tự xoay, được cố kết với khung kim loại đặt nằm từ hướng ngoài vào theo chu vi tòa nhà.
Khi thiết kế các nhà cao tầng với các panel quang điện và thiết bị thu sáng, các panel được gắn theo hướng từ ngoài vào; còn các thiết bị thu sáng tự xoay được cố kết vào khung kim loại bố trí theo chu vi tòa nhà, theo hướng từ bên ngoài vào.
Có thể lấy một vài ví dụ điển hình cho phương pháp ứng dụng các yếu tố quang điện trong các nhà cao tầng:
1. Các tòa nhà gắn panel quang điện làm tường bao che mờ.
Trên mặt tiền chính và các mặt tiền bên hông của tòa nhà Pearl River Tower tại thành phố Quảng Châu (Trung Quốc), các panel mặt trời được bố trí theo 2 cách: từ hướng mặt tiền chính - ở phần bên dưới các lỗ thông gió với các thiết bị năng lượng gió và trên mái tòa nhà; trên mặt tiền bên hông phía nam của tòa nhà.
2. Các tòa nhà sử dụng khối kính quang điện dưới dạng tường bao che xuyên sáng.
Đặc điểm của kết cấu khối kính quang điện (photovoltaic glass unit) là vừa tạo ra năng lượng vừa không cản trở tầm nhìn từ bên trong tòa nhà. Bên trong các khối kính có các lăng trụ trong suốt cho ánh sáng lọt qua, hướng một phần ánh sáng mặt trời trực tiếp tới những dải rất mảnh của các tế bào quang điện được bố trí theo phương nằm ngang.
3. Các tòa nhà với các panel quang điện được gắn trên mái.
Dự án sinh thái của Trung Quốc Wuhan Energy Flower (tác giả là kiến trúc sư nổi tiếng Jos van Eldonk) là một tòa tháp kỳ vĩ có hình dáng một bông hoa huệ, chiều cao xấp xỉ 140 m, trong đó là trung tâm nghiên cứu khoa học. Còn các lá dưới chân tòa tháp là các phòng thí nghiệm. Jos van Eldonk cũng đã nghiên cứu việc lắp đặt các panel quang điện trên mái tòa nhà, và việc sử dụng các turbin gió tại phần trung tâm tòa nhà. Với mục đích giảm tải trọng gió, mái nhà theo thiết kế có dạng hình tròn, không rộng lắm và độ dốc mái không lớn; bởi vì độ dốc mái cũng rất quan trọng để có thể thu nhận năng lượng mặt trời nhiều hơn.
4. Các tòa nhà có thiết bị hội tụ tự xoay cố kết vào khung kim loại được bố trí theo hướng từ ngoài vào theo chu vi tòa nhà.
Trong thiết kế toà nhà Solar Tower tại Chicago (Hoa Kỳ), các kiến trúc sư đã xem xét việc lắp đặt các thiết bị hội tụ trên các khung hình trụ bằng kim loại bố trí theo hướng từ ngoài vào theo chu vi tòa nhà. Một hệ thống đặc biệt cho phép các thiết bị này trong vòng một ngày tự quay, để luôn có thể thẳng góc với mặt trời, nhờ đó hiệu suất của các thiết bị được nâng cao rõ rệt.
Khi nghiên cứu thiết kế của tòa nhà đa năng tại thành phố Kiev (Ucraina), nhiệm vụ sử dụng các thiết bị năng lượng gió đối với nhiều hướng gió khác nhau theo tính toán, kết hợp sử dụng các yếu tố quang điện đã được đặt ra cho các nhà thiết kế. Giải pháp thiết kế nằm trong việc áp dụng các thiết bị năng lượng gió được bố trí trong các hộp hình cầu (3 hộp mỗi tầng), và trong một thiết bị năng lượng gió tự xoay ở trên mái có công suất mạnh; cũng như trong việc kết hợp sử dụng các khối kính quang điện xuyên sáng trên bề mặt các mặt tiền hướng nam, đông nam và tây nam của tòa nhà.
Khu vực được chọn để thực hiện dự án này cho phép tận dụng tối đa năng lượng mặt trời, bởi vì xung quanh không có các công trình cao tầng khác có thể tạo bóng râm; còn các tòa nhà 5 tầng hiện hữu nằm ở những khoảng cách tương đối lớn.
Hình dáng các hộp với thiết bị năng lượng gió và vị trí lắp đặt các hộp bảo đảm sự thuận tiện cho các khu vực đi bộ xung quanh, và bảo đảm vận tốc gió trong mỗi đợt gió không vượt ngưỡng 1,5 m/s; tính liên tục của các luồng gió trong giới hạn cho phép, theo yêu cầu của các văn bản hướng dẫn xây dựng.
Các nhà thiết kế cũng nghiên cứu kỹ các văn phòng làm việc nằm từ tầng 5 tới tầng 33; các kiosque thương mại từ tầng 1 tới tầng 4; và bãi đỗ xe ngầm có 4 tầng hầm.
Việc lựa chọn hình thức tối ưu cho tòa nhà có ứng dụng các thiết bị năng lượng gió cần dựa trên kết quả những công trình nghiên cứu các tòa nhà khí động học và sử dụng thiết bị năng lượng gió tại các khu vực giao thoa giữa bề mặt cản gió với các tường bên hông trước đó.
Với các tòa nhà hình lăng trụ, lăng trụ vuông với các góc tròn, và lăng trụ bát giác, các luồng gió tối đa được mặc định theo các góc của tòa nhà, tại các điểm giao thoa giữa bề mặt cản gió với các tường bên hông. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với những tòa nhà hình trụ. Như vậy, trong các tòa nhà hình ống trụ, tại các vị trí giao thoa, có thể bố trí tối đa các turbin gió, với công suất hoạt động tối đa. Ngoài ra, trong tòa nhà, bản thân các turbin gió cũng được bố trí tại những vị trí thuận lợi, để năng lượng gió làm quay các cánh quạt turbin được tận dụng một cách hiệu quả nhất.
Theo bằng sáng chế số 2012/0080884A1 của Hoa Kỳ, các luồng gió tối đa cũng được mặc định theo góc của các tòa nhà tại vị trí giao thoa giữa bề mặt cản gió với các tường bên hông của công trình.
Trong thiết kế tòa nhà cao tầng đa năng tại thành phố Kiev, để nhấn mạnh các đường nét kiến trúc, các nhà thiết kế đã đề xuất đưa các thiết bị năng lượng gió vào các hộp kính hình cầu có đường dẫn ra vào. So với bằng sáng chế số 2012/0080884A1, ưu điểm của giải pháp này là khả năng biểu đạt tối đa về mặt kiến trúc, giảm mức tiếng ồn, đồng thời giảm sự chuyền động các rung chấn bên trong tòa nhà.
Để tận dụng năng lượng mặt trời, việc ứng dụng các khối kính quang điện - bên trong có các lăng kính trong suốt và các tế bào quang điện được bố trí theo phương nằm ngang - với tính chất là tường ngăn xuyên sáng từ hướng nam, tây nam và đông nam của tòa nhà cũng được nghiên cứu. Ứng dụng này cũng cho phép gia tăng công suất sản xuất chung các dạng năng lượng thay thế.
E. Goncharova (Nguồn: Tạp chí Kiến trúc & Xây dựng Nga tháng 12/2012)