群体建筑环境中的风能利用效能的研究论文.pdf

论文作者签名： 瘩受 指导教师签名：j 叠灶 论文评阅人1 ： 墨坐熬拯 评阅人2 ： 苤壹副熬拯 评阅人3 ： 隆丕熬拯级壶王 评阅人4 ： 评阅人5 ： 答辩委员会主席： 委员l ： 委员2 ： 委员3 ： 委员4 ： 委员5 ： 答辩日期：2 q 1 4 31 0 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堂婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：赤磺 签字日期：2 。一年3 月i j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝婆盘茔 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：欺袭 导师签名： 表咿 签字日期：西l 牛年3 月j 日 签字日期： 纠中年岁月，1 侣 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文是在导师袁行飞教授的悉心指导下完成的，在论文的写作过程中，从 最初的选题、文献分析、数值模拟到最后的论文修改定稿，袁老师总是不厌其烦 地耐心点拨，不断给予支持与鼓励，论文的字里行间无不凝结着导师的悉心指导 和谆谆教诲。三年的研究生生涯中，袁老师以其渊博的学识、严谨求实的治学态 度、不断创新的精神以及平易近人的人格魅力深深地感染着我，从导师那里学习 到的不仅仅是专业上的知识，更是严谨的工作态度、高度的使命感、乐观进取的 精神，这些品质将使我一生受益。值此成文之际本人要对袁老师在本课题执行和 论文写作过程中所给予的关心和指导表示衷心的感谢。 衷心感谢空间结构研究中心的董石麟院士、关富林教授、罗尧治教授、高博 青教授、邓华教授、赵阳教授、肖南副教授和苏亮副教授等老师对我的教诲与帮 助，他们深厚的理论功底、勤奋刻苦的钻研精神以及丰富的工程实践经验让我受 益匪浅，是我学习的榜样；感谢张玉、杜刚、方少文、周练、李利民、陈冲、余 俊伟、顾观东等师兄师姐在课题研究过程中给予的帮助，感谢同门李跃、李阿龙 以及丁锐、周倩楠、梁笑天、谢恩献、蒋淑慧等师弟师妹的关心鼓励，感谢安中 a 7 1 8 实验室所有同学的无私帮助和热情关怀，我的研究生生活因为有他们而更 加丰富多彩。 感谢我的父母，是他们为我提供了良好的生活和学习环境，帮助我走过了我 所经历的每一个幸福与艰苦的阶段，他们的恩情我将永远铭记于心；感谢一直以 来支持我的亲朋好友，也祝你们健康平安。 最后，衷心感谢评阅本文和出席论文答辩的各位老师、专家，感谢你们在百 忙中给我的帮助和指导， 张瑛 2 0 1 4 年1 月于浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着城市现代化的不断发展，密集建筑群的体型、布局已经成为影响建筑环 境中风能利用的重要因素。相邻建筑之间的相互干扰，使得流态异常复杂，对其 进行研究具有重要意义。本文从建筑环境中的风能利用出发，研究了不同平面、 不同立面布局下建筑物的集风效能，并分析了垂直轴风力机旋转对风场的影响。 本文首先研究了平面布局对风能效应的影响，用计算流体力学的方法对建筑 群周围风环境进行数值模拟，比较了不同体型的建筑物侧排集风效能，分析了七 种不同平面布局下，建筑群屋顶及侧排的可利用风能，总结出有利于提高风能利 用的建筑体型及排布方式。 其次，论文对两座串联布置的高层建筑周围风场进行了研究，通过改变建筑 的高差、间距、宽度以及屋顶形式，找到了影响目标建筑屋顶风速的关键因素。 为了研究风力机安装后对建筑风场的影响，论文进一步运用滑移网格的方法 通过二维数值模拟了小型垂直轴风力机旋转情况，得到了相应的风场分布，总结 了风力机尾流速度与叶尖比的关系。 最后，论文以杭州市钱江新城的市民中心为群体建筑实例，研究其风能可利 用的若干位置，并针对加强建筑屋顶风速，提出高度优化方案。 关键字： 建筑环境；风能利用，0 建筑布局；风速增大系数；垂直轴风力机；滑 移网格；数值模拟 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc i t ym o d e r n i z a t i o n ，b u i l d i n gs h a p ea n d a r c h i t e c t u r a ll a y o u th a v eb e c o m et h ei m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ew i n d e n e r g y u t i l i z a t i o ni nb u i l te n v i r o n m e n t t h er e s e a r c ha b o u ta r c h i t e c t u r a ll a y o u ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c e ，b e c a u s et h ef l o wp a t t e r n i sm o r ec o m p l i c a t e dw i t ht h em u t u a l i n t e r f e r e n c eb e t w e e na d j a c e n tb u i l d i n g s o nt h ep e r s p e c t i v eo fw i n d - e n e r g yu t i l i z a t i o n ， t h ew i n d - e n e r g yc o l l e c t i o n e f f i c i e n c yo fb u i l d i n g si nd i f f e r e n tk i n d so fp l a n e a r r a n g e m e n ta n dv e r t i c a la r r a n g e m e n tw e r es t u d i e d ，a n ds i m p l ea n a l y s i sa b o u tt h e i n f l u e n c et ow i n df i e l dc a u s e db yv e r t i c a la x i sw i n d - t u r b i n e sr o t a t i n gw a sc a r r i e d t h e w i n d - e n e r g y u t i l i z a t i o ni nb u i l te n v i r o n m e n ti n f l u e n c e d b yp l a n e a r r a n g e m e n tw a sf i r s ts t u d i e d w i t ht h ea i do ft h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s m e t h o d ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a si m p l e m e n t e do nw i n df i e l da r o u n db u i l d i n g si n s e v e nd i f f e r e n tk i n d so fp l a n ea r r a n g e m e n t w i n d - e n e r g yu t i l i z a t i o nb o t ho nt h er o o f a n da l o n gt h es i d eo f b u i l d i n g sw a sa n a l y z e d ，a n dt h ew i n dv e l o c i t yb e s i d eb u i l d i n g s i n f l u e n c e db yv a r i e t ys h a p e sw a sc o m p a r e d s ot h a tt h ep l a n ea r r a n g e m e n ta n d b u i l d i n gs h a p ew h i c hb e n e f i tw i n d - e n e r g yu t i l i z a t i o nw e r es u m m a r i z e d w h a t sm o r e ，t h ew i n df i e l da r o u n dt w ob u i l d i n g si ns e r i e sw a ss t u d i e d b y c h a n g i n gt h eb u i l d i n ge l e v a t i o nd i f f e r e n c e ，s p a c i n g ，w i d t ha n dr o o ff o r m ，t h ek e y f a c t o ri n f l u e n c i n gw i n dv e l o c i t yo nt h er o o f o f t a r g e tb u i l d i n gw a sf o u n d i no r d e rt os t u d yt h ew i n df l o wi nt h eb u i l te n v i r o n m e n ta f t e ri n t e g r a t i n gw i n d t u r b i n e s ，t h et w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tt h er o t a t i n go fas m a l l v e r t i c a la x i sw i n d - t u r b i n ew a sm a d e ，w i t ht h eh e l po fs l i d i n gm e s hm e t h o d t h ew i n d f i e l dd i s t r i b u t i o nw a sa n a l y z e da n dt h er e l a t i o nb e t w e e nw a k ev e l o c i t ya n dt i ps p e e d r a d i oo fw i n d t u r b i n ew a ss u m m a r i z e d f i n a l l y , h a n g z h o uc i t i z e nc e n t e ri nq i a n j i a n gn e wc i t yw a sc h o s e na sam o d e l ， i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n dt h ew i n df i e l da r o u n di tw a ss i m u l a t e d s o m es p e c i a lp l a c e sw i t hl a r g ew i n d v e l o c i t yw e r ec h o s e nt od of u l t h e ra n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o np r o p o s a l sa b o u tb u i l d i n g h e i g h tw e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：b u i l te n v i r o n m e n t ；w i n d - e n e r g yu t i l i z a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； a r c h i t e c t u r a ll a y o u t ；w i n ds p e e di n c r e a s ec o e f f i c i e n t ；v e r t i c a la x i sw i n d - t u r b i n e ； s l i d i n gm e s h ； i v 浙江大学硕士学位论文目录 目录 致 射i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外建筑风环境研究概况2 1 2 2 国内建筑风环境研究概况3 1 3 高层建筑群风环境研究方法4 1 3 1 现场实测4 1 3 2 风洞试验4 1 3 3 数值模拟4 1 4 建筑环境风场特殊性5 1 5 建筑环境风能应用实例6 1 6 目前建筑风能利用的不足及需考虑的问题8 第2 章风能利用基本理论1 0 2 1 风能基本概念1 0 2 1 1 风能密度1 0 2 1 2 风机利用的风能1 1 2 1 3 风速倾斜角对风功率的影响1 3 2 2 建筑环境中的风能利用1 3 2 2 1 建筑环境中的风资源1 3 2 2 2 风能利用基本形式1 5 2 2 3 建筑环境风能利用效能评价指标1 6 2 3c f d 数值模拟方法1 7 2 3 1c f d 简介1 7 v 浙江大学硕士学位论文目录 2 3 2 控制方程1 7 2 3 3 求解方法1 9 2 4c f d 数值模拟计算过程2 0 2 4 1 基本假定2 0 2 4 2 几何模型及网格划分2 0 2 4 3 湍流模型的选取2 0 2 4 4 边界条件2 1 2 4 5 计算方法2 2 2 5 本章小结2 2 第3 章群体建筑平面布局风能利用效能研究2 3 3 1 单体建筑风场对比2 3 3 2 侧排安装风力机建筑的风能利用2 4 3 2 1 侧排安装风力机形式2 4 3 2 2 建筑体型对侧排风能利用的影响2 4 3 2 3 风力机安装位置的选择2 7 3 3 不同平面布局下群体建筑风能利用2 7 3 3 1 行人舒适度2 9 3 3 2 屋顶风能比较2 9 3 3 3 侧排风能比较3 l 3 4 本章小结3 2 第4 章群体建筑立面布局风能利用效能研究3 4 4 1 前置建筑的影响3 4 4 1 1 前置建筑高度影响3 4 4 1 2 建筑间距影响3 6 4 1 3 前置建筑宽度的影响3 7 4 1 4 前置建筑屋顶形式的影响3 8 4 2 来流分离特征角度的影响3 9 4 2 1 来流分离特征角度定义3 9 4 2 2 风速增大系数与b 的关系4 0 v 1 浙江大学硕士学位论文目录 4 2 3 前置建筑宽度影响的本质4 0 4 2 4 前置建筑屋顶影响的本质4 l 4 3 左右建筑的影响4 1 4 4 本章小结4 3 第5 章建筑环境中小型垂直轴风力发电机对风场的影响4 5 5 1c f d 研究方法4 5 5 1 1 滑移网格介绍4 6 5 1 2 风力机几何与气动性能相关概念4 7 5 1 3 湍流模型比较4 8 5 2 计算实例4 8 5 2 1 几何模型4 9 5 2 2 边界条件与参数设置4 9 5 2 3 结果分析4 9 5 3 二维小型垂直风力机尾流研究5 2 5 2 1 来流风速的影响5 2 5 2 2 风力机转速的影响5 3 5 2 3 来流与尾流差与叶尖比的关系：5 4 5 4 三维小型垂直风力机尾流5 5 5 5 本章小结。5 6 第6 章杭州市民中心风能利用优化5 7 6 1 市民中心介绍5 7 6 2 侧排风能利用研究5 8 6 2 1 点0 1 在三个风向下的风能研究5 9 6 2 2 点0 1 、0 2 、0 3 迎风时的风能研究6 0 6 3 连廊风能利用研究6 l 6 4 竖向优化6 3 6 4 1 在一座建筑上安装一排风力机6 6 6 4 2 在两座建筑上各安装一排风力机6 7 6 5 本章小结6 7 v 浙江大学硕士学位论文目录 第7 章结论与展望6 9 7 1 本文主要结论6 9 7 2 展望7 0 参考文献一7 l 作者简历一7 5 基本信息7 5 教育经历7 5 发表论文7 5 v i i i 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 能源危机一直是全球共同关注的热点问题，随着世界现代化经济的迅猛发 展，传统化石能源消耗量与日俱增，而且对全球气候和生存环境有很大的负面效 应。面对能源储藏逐步耗竭，能源危机逐步逼近，新能源的开发刻不容缓，可再 生能源的利用包括太阳能、风能、生物能、水能、地热能以及海洋能源等等。其 中，风能是一种清洁无污染、取之不竭的新能源，因其利用便捷、成本低廉而受 到人们的青睐；目前风力发电是新能源利用技术中最成熟的，已在很多国家和地 区得到广泛开发。我国是发展中国家，对能源的需求十分迫切，加之我国幅员辽 阔，海岸线长，有着丰富的风力资源，因此，大力开发利用风能是解决我国能源 短缺、实现可持续发展战略的重要途径之一。 在我国，目前风电技术已经非常成熟【1 1 ，但风电机组多安装于旷野、沙漠或 近海等偏远区域，输送过程中电力损耗大、费用高。最好的选择是利用城市中建 筑环境中的风能发电，并直接用于建筑本身，则可降低电能在输送上的投资和损 耗，同时缓解城市电力紧张的问题。但是城市风环境由于大量建筑物的存在变得 复杂，空气在流动过程中与建筑物相互作用，形成了独特的建筑风场分布，因此 在城市规划和建筑设计时，应考虑到这个问题，优化建筑体型，合理建筑布局， 在建筑环境中合适的位置布置风力机，利用风能发电用于建筑本身，缓解城市电 力短缺问题的同时降低输配电成本。所以，建筑环境中的风能利用具有较大的优 势，寻找合适的方法将这些风能加以充分利用，成为目前国际上学者广泛关注和 探讨的前沿课题，对发展绿色建筑和低能耗建筑，实现建筑行业的可持续发展有 着重大意义。 浙江省位于我国的东部沿海，海域广阔，海岸线较长，有着丰富的风能资源， 在政府大力贯彻以生态城市建设为方针的趋势下，环保绿色可随取随用的风能将 是不错的选择。随着城市化步伐的加快和人口密度的日益增加，各种布局多样、 形体各异的高层建筑群拔地而起，当风在靠近地面的流动过程中与近地建筑物发 生相互作用，高层建筑群周边会产生独特的风能量场，寻找合适的能源利用方案， 实现与建筑一体化的风能利用系统，对于建筑业的可持续发展，势必起到事半功 1 浙江大学硕士学位论文 第t 章绪论 倍的效果。 1 2 国内外研究现状 城市建筑中的风能发电始于1 9 9 8 年欧洲委员会开展的“w i n de n e r g yi nt h e b u i l te n v i r o n m e n t ”( w e b ) 研究项目，该项目要求：无论是新设计的或翻新改进的 装有风力涡轮发电机的建筑物，必须有2 0 的用电来自风能发电，以证明他们的 安装成本是合算的【2 1 。随后，国内外学者开展了对建筑环境中风能利用技术的各 项研究。 1 2 1 国外建筑风环境研究概况 在建筑环境中，根据建筑中安装风力机的位置，s a n d e rm e r t e n s 提出了三种 基本空气动力学集中器模型【3 】：扩散体( d i f f u s e r ) 型、平板( f l a t p l a t e ) 型、非 流线体( b l u f f b o d y ) 型。英国科学家d rd e r e kt a y l o r 最早提出建筑物屋顶风能 系统，利用屋顶对风力的强化效应在房顶安装风力机【4 1 。1 9 9 9 年到2 0 0 2 年，英 国及荷兰的学者分别对扩散体型和平板型建筑进行了较为深入的研究，采用c f d 数值模拟和风洞试验相结合的方法，分析评价了不同形式的风能建筑风能利用效 果，建造了扩散体型集中器模型和平板型集中器模型。2 0 0 4 年，k e n i c h i a b e 、 y u j io h y a 利用c f d 软件模拟了一种具有折边的扩散体建筑形式周围的流场，进 而分析了这种建筑形式对风能的集结效果。 2 0 0 5 年g j w v a nb u s s d 和s a n d e rm e r t e n s 研究了小型风力机在建筑环境中 的使用、安装的必要条件。2 0 0 6 年，e m m a d a y a n 准确地阐述了建筑环境中可利 用的三种风力发电机，并提出了风力机发电技术的挑战与未来。2 0 1 0 年，在i e e e p e sg e n e r a lm e e t i n g 上，z i y a ds a l a m e h 和c h i n t a nv i n o dn a n d u 总结了当时各种 形式的小型风力发电机在世界各地与建筑物相结合的成功案例，以及相应的技术 特点，表明建筑风机一体化仍有很大的进步空间【5 1 。同年，p a b j a m e s 和m f s i s s o n s 等人在英国分别选取城市、郊区、农村作为试验地点安装小型水平风力 机进行实测，对比理论预测值，分析经济效益，并计算出了各个地区要符合相应 成本的午平均风速【6 1 。 随后，学者们开始注重高层建筑风场与风力机结合的研究。2 0 1 2 年， 2 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 c w t s a n g ，k c s k w o k 和p a h i t c h c o c k 研究了两平行高层建筑周围风场，重点 分析了建筑尺寸、间距及平台对夹道风速的影响【7 j 。t k o n o 和t k o g a k i 在n e d o ( n e we n e r g ya n di n d u s t r i a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to r g a n i z a t i o n ) 的支持下，用 数值模拟的方法研究了正方形建筑屋顶风速、湍流与平面位置及高度的关系，寻 找安装小型风力机的最佳位置【8 】。f b a l d u z z i 和a b i a n c h i n i 等人用二维数值模拟 的方法讲究了蒿层建箕屋顶风速和冰平敢变角与前排建筑高度、宽度、间距等的 关系，进而采用能量的观点加以证实，总结了提高建筑屋顶风能的竖向排布形式， 并严格评价了一台安装在欧洲城市建筑屋顶的d a r r i e u sv a w t 风力机的能量利 用【9 ，10 1 。2 0 1 3 年，i a b o h e l a ，n h a m z a 和s d u d e k 进一步深入研究了建筑屋顶形 状、风向、建筑高度及城市布局对风力机安装位置和能量的影响【1 1 】。 国内建筑风环境研究概况 我国关于建筑风环境的研究始于2 0 世纪9 0 年代，开始利用流体力学商业软 件( c f d ) ，对不同形式及排列的建筑物进行了数值模拟，重点研究建筑周围风 速、风压分布情况。随后，赵彬【1 2 1 、樊友景1 3 1 等人分别对建筑群风环境中的舒 适度问题进行了详细研究，为分析环境问题提供了有利参考。周莉、席光【1 4 】对 具有不规则形状的单个建筑物和建筑群进行了数值模拟分析，对研究建筑物的结 构形状以及建筑群的布局有指导意义。王辉i l5 j 运用数值模拟着重探讨了建筑群 布局改变而引起的风速和风压场的变化，为群体布局优化及抗风设计提供了科学 依据。马剑【16 模拟了6 幢方形截面高层建筑呈8 种不同布局形式的建筑群环境， 对各建筑群周围人行高度( 2 m ) 处的风速比和风速矢量场进行了比较。 2 0 0 5 年，苑安民、田思进【1 7 】介绍了高层建筑群的“风能增大效应”及计算方 法，提田了建筑“风洞”和“风坝”的概念，为城市如何提高风能利用的建筑设计和 建筑改造，提供了一种新思路。2 0 0 6 年起，以陈宝明为代表的山东建筑大学的 学者们【1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 ，利用数值模拟与风洞实验相结合的方式，以三种基本建筑 集中器形式为基础，研究分析了多种建筑形式的风能集结效果及其影响因素。 2 0 0 8 年，香港学者l i nl u 、k a y a hi p l 2 4 】利用数值分析的方法，研究了单个建筑， 两个建筑和多个建筑的风环境，分析了建筑倾斜屋顶对风能利用的影响。2 0 1 0 年，张玉【2 5 2 6 1 通过引入风速增大系数来衡量建筑对风能的强化集结效果，并定性 3 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 分析了单幢建筑的体型、尺寸等因素对屋顶风能利用效能的影响。2 0 1 2 年，杨 蓉提出在高层屋面之上加设一架空层，进一步有效提高屋顶风能利用的效率， 运用c f d 数值模拟分析不同高度架空层对风能收集产生的影响，探讨其可行性 并得出架空高度和风机安装高度最优值。 1 3 高层建筑群风环境研究方法 一 目前，主要有现场实测、风洞试验及数值模拟三种方法研究建筑风环境特性。 1 3 1 现场实测 现场实测是建筑环境风能利用研究中最直观有效的方法，在建筑物建造之前 进行观测，为建筑周围风环境设计提供参考。但是，对于高层建筑，这种方法局 限性较大，周期长，代价昂贵而且费时费力。同时，现场实测的方法受测量次数 限制，每次实测只能记录一组数据，并受很多因素影响，测量进程具有一定的难 度。因此，对建筑物进行现场实测并不是最好的研究办法，但其实测的数据是非 常具有参考价值的，可作为很多数值模拟和实验准确与否的判断依据。 1 3 2 风洞试验 目前，风洞试验方法的理论研究及技术支持水平已经发展较为成熟。其具体 方法是通过计算出相应的比例，将实际建筑物制作为风洞试验的缩尺模型，放入 大气边界层风洞中进行试验。通过风洞中的风机制造出类似于实际建筑周围环境 的风场，然后通过布置相应的实验仪器如风速仪等，完成建筑模型表面及其周围 环境的风速、风压等相关数据的测量。为了确保风洞试验的准确性，使风滑模型 试验结果能够更能接近实际建筑的周围风场，风洞试验段中的流动和大气边界层 的流动应该与实际大气做到几点相似。但是风洞试验也存在着很多不足，用于风 洞试验的建筑模型制作较复杂，缩尺度模型会带来一系列的物理量相似问题。而 且模型制作费时费力，试验周期较长，难以同时研究不同的建筑设计方案等。 1 3 3 数值模拟 4 随着计算流体力学的发展及计算机能力的提高，在研究建筑物外围流场时， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 数值模拟方法发挥了其巨大的优势。数值模拟是通过建立某种数学模型计算得到 相应结果，并不是来源于真实的实际物理模型结果，它的前提为构造模型方程的 算法以及建立数学模型。在假设流动的风为不可压缩粘性流体的基础上，对流体 连续性方程和动量方程进行离散。目前广泛应用的风环境模拟软件都是基于计算 流体动力学( c f d ) 原理，借助p h o e n i c s 、f l u e n t 等软件系统平台，并且 使用专项的开发计算软件来完成的。大型、复杂的建筑物韵风环境问题均可以借 助模拟软件设置相应初始条件，在较短时间内完成数值模拟，模拟结果形象直观， 简单明了，这是其最显著的优点。但是，模拟结果的可靠程度是数值模拟方法最 大的问题。近年来，各国学者对于研究建筑周围的风环境，在进行数值模拟时， 同时进行相关风洞试验，对比两种模拟结果。结果表明，数值模拟方法可以较好 的完成对建筑物周围的风场流动特性的模拟预测。 1 4 建筑环境风场特殊性 自然界中的风速随着高度的增加而增加，建筑物对梯度风的阻挡会造成建筑 物周边的气流在空间和时间上都具有非常复杂的非定常流性状。尤其是在建筑物 密集的城市地区，当风遇到建筑形式不规则及建筑物布局复杂的建筑物或建筑群 时，其流场将变的更加复杂。对于高层建筑周围的风环境，当风受到高层建筑物 的阻挡，其大部分向上和向两侧穿过，而另一股则顺建筑物向下到达地面，被分 成左右两侧，一股从而形成侧面的角流疾风，另外一股汇入了建筑背面风区，进 而形成祸旋风，这样城市上空的高速气流就被建筑引向地面，加大了地面的风速。 总体来说，高层建筑以侧面绕流为主，且侧面风速较屋顶、地面更为平稳，是风 能利用的潜力位置。建筑环境中的风效应有如下几种： - ： _ 一 ( 1 ) 逆风。气流受到高层建筑阻挡反刮所致，由下降气流而造成的风速增大。 在高处高能量的气流受到了高层建筑的阻挡，从上至下在建筑物迎风面处形成了 垂直方向的漩祸，从而造成了局部的风速加大。特别是与高层建筑迎风方向相邻 接的低层建筑物与来流风呈正交的时候，在低层建筑物与高层建筑物之间的漩涡 运动会更加剧烈。 ( 2 ) 穿堂风。建筑物开口部位通过的气流，由于建筑物迎风面与背风面的 压力差，使得穿堂风风速增大。 5 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 下冲风。越过建筑物屋顶的气流在建筑物背风面下降而产生的气流。 一般建筑物背风面的气流比较紊乱，危害很大。 ( 4 ) 分流风。来流风受到建筑物的阻挡，由于气流分离而产生的流速收敛的 自由流区域，使得建筑物两侧的风速明显增大。 另外，建筑物周围风环境与建筑布局密切相关，建筑物与主导风向的角度、 建筑物密集度、建筑物之间的距离、排列方式等都会产生相应的风效应，影响风 场分布o 1 5 建筑环境风能应用实例 1 9 8 1 年英国i d e a lh o m ee x h i b i t i o n 的屋顶上安装了第一座现代化水平轴风机 t r i m b l e m i l l ，这种风力机有2 组反向旋转的转子，直径为5 m ，前后两组分别是 3 个叶片和5 个叶片，风力机安装高度( 即水平轴中心到屋顶的距离) 为9 3 m ， 来流风速在1 5m s 左右，输出功率约为9 k w t 2 8 1 。 位于都柏林的t e m p l eb a r ( 图1 1 ) 曾因屋顶上安装了风力机与太阳能光电 板相互补偿的风光互补系统而获得绿色建筑奖，该建筑的屋顶上安装了3 座小型 风力机，直径为3 2 m ，来流平均风速为1 2 m s ，输出功率为1 5 k w 。不过最初这 些风机却给建筑物带来了共振问题，最后通过在叶片上安装橡胶垫加大其重量来 改变振动频率，共振问题才算解决。 2 0 0 3 年，f o r t i s 公司在一座厂房上安装了3 座直径为5m 、功率为4k w 的 风机，如图1 2 ，成为当时最大的安装在建筑物上的风机组【2 9 。 图1 1 都柏林t e m p l eb a r 上的风机 图1 2f o r t i s 在厂房上安装的风机 2 0 0 9 年竣工的迪拜国际财政中心( 迪拜灯塔) 高4 0 2m ，共6 6 层，见图1 3 。 屋顶安装了3 台直径2 9m 、输出功率2 2 5k w 的风机，风机与建筑做了统一设计， 外观看上去和谐统一。另外一座2 0 0 9 年竣工的生态环保大厦美国迈阿密 6 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 c o r 大厦也将风机与建筑做了统一整合的设计，如图1 4 。 2 0 0 7 年竣工的巴林世贸大厦使大型风机与建筑一体化建造成为现实【3 。建 筑师肖恩奇拉受传统阿拉伯“风塔”的启发，在双塔之间1 6 层( 6 1 m ) 、2 5 层( 9 7 m ) 和3 5 层( 1 3 3 m ) 处分别设置了一座重达7 5 t 的跨越桥梁，三个直径达2 9m 的水 平轴风力发电涡轮机被固定在这三座桥梁上，如图1 5 。建筑断面采用平滑的梭 形以加强敛风作用，风洞试验证明，采用这种建筑形式，双塔中轴线两侧各4 5 。 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。三座风力发电涡轮机 每年可为大楼提供l o 1 5 的电力，即1 1 0 0 1 3 0 0 兆瓦时，这些电力足以满足 巴林3 0 0 个家庭一年的用电量。 图1 3 迪拜灯塔 图1 4 建筑c o r 图1 5 巴林世贸大厦 由于在建筑的正面和背面存在压力差，且气流处于短暂停滞状态，导致背面 上的风压比相同高度上没有受到阻挡处的风压高，当建筑中有空洞时，气流会从 空洞中穿过且风速被大大提高。美国s o m 建筑事务所设计的广州烟草大厦，如 图1 6 就采用了这种方式，设计师将风机设置在建筑物的空洞中，并将周围的建 筑立面处理成曲面，以敛聚更多的气流，提高风机的发电效率。 2 0 1 0 年，s t r a t a 大厦坐落于伦敦大象城堡区( e l e p h a n ta n dc a s t l e ) ，是世界 上第一座在楼顶安装风能涡轮发电机的摩天大楼，现已成为伦敦的地标性建筑， 见图1 7 。s t r a t a 大厦高1 4 8 米，是一座4 3 层的住宅大厦。大厦周围城区高楼林 立，底部的风速极低，不利于利用风能，而楼顶风速却可高达1 5 6 m s ，因此大 厦顶部安装三台风力涡轮发电机利用高空风能，风力机直径9 m ，功率为1 9 k w ， 为整幢建筑提供约8 的能源供应，可以满足整个大楼的照明需求，或相当于2 0 套公寓的全部用电需求。这座大楼的发电机能够将不同方向的风能收集过来，提 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 高风在通过祸轮时的速度。每个电机安装五个叶片，比普通风能发电机多两个， 以减少噪音。 图1 6 广州烟草大厦图1 7 英国s t r a t a 大厦 1 6 目前建筑风能利用的不足及需考虑的问题 风能利用的研究仍然存在很多问题，特别是我国对于建筑环境中风能利用的 研究剐起步不久，尚未成熟。 ( 1 ) 风速小 实际测得，城市中的气流受建筑群的阻挡，风速减小很多。j w o o d 3 1 1 研究 了一栋1 0 0 m 高的建筑物分别在空旷、城郊及城市地区的风速，研究表明：5 0 m 高度处，空旷地区的风速为5 m s ，城郊地区为4 1 m s ，减少了2 0 ，城市地区 为3 ，0 m s ，减少了4 0 ；1 0 0 m 高度处，空旷地区的风速为5 5 m s ，城郊地区为 4 8 m s ，减少了1 3 ，城市地区为3 9 m s ，减少了2 9 。另外，p a b j a m e s 和 m f s i s s o n s 也选取了英国空旷、城郊及城市地区安装小型水平风力机研究其经 济效益，城市环境中的风能要远小于空旷地区，要想取得实际的经济效益，还需 加强提高局部风速。 ( 2 ) 研究局限性 国内的研究大都集中在通过改变三种基本风力集中器本身形状或尺寸来提 高风速，进而增加可利用风能，诸如改变非流线体型建筑尺寸、平板型建筑风通 道的尺寸形状、扩散体型建筑的形状间距来提高风速。甚少考虑在基础形状之上 加以完善。但是，城市建设无法为收集风能而出现较多极具特殊性的建筑样式和 尺寸，所研究出的集风建筑往往具有很大的局限性，可能就脱离了实际应用的范 8 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 畴。 ( 3 ) 布局多样性 城市现代化的发展促使不同布局的密集建筑群日益增多，与单体建筑相比， 相邻建筑物之间流场相互干扰，使得流态异常复杂，尤其是在不同的风向下，风 速、风向都难以人为预测。高层建筑周围风能是否可利用与建筑平面、立面布局 直接相关，而且布局形式也是最主要、最多变的影响因素。 ( 4 ) 和谐性 根据以往的工程经验，成功的风能利用建筑不仅是在屋顶突兀的树立一架风 机，而是要实现风机与建筑的完美结合，形成和谐的一体化建造。但是，制约风 机与建筑一体化仍然存在难题：外观、噪音、安全隐患、振动、增加建筑结构荷 载等。 建筑的外观是极其重要的，不能为了追求安装风机而忽略建筑美感，而是应 该将风机与建筑物进行整合设计，采用合适的比例和尺度，使其成为建筑的一个 自然组成部分，使建筑外观更具魅力。 风机产生的噪音与振动密不可分。噪音从有规律的撞击声到低鸣之间变化， 如果风机的转速与建筑物的谐波共振频率一致，建筑物自身也会跟着振动，从而 产生巨大的噪音。解决的办法有加大建筑结构重量，采用垂直轴风机或者在风力 机基底安装减震架，但是还需更多的研究和更多的减震措施。 城市建筑物上安装大型风机会威胁到市民和财产的安全，还会带来很多其他 问题。大型风机叶片重达数百千克，叶片端部转速可超过l o k m h r ，一旦叶片飞 出将会带来无法想象的破坏。不过随着设计者们的不断努力，现代化的风机已经 具有安全特性，包括转速控制和在暴风雨天气的适应性。 在以往的实际应用中，有很多安装在建筑上的小型风机因无法适应复杂的城 市风环境往往都以失败告终。也有一些具有创新性的建筑设计备受争议，如纽约 自由大厦( 新世贸大厦) 将在建筑顶部设置一系列风机为大厦提供部分电能，无 论结果如何，这些设计都为风机与建筑一体化的实现积累了宝贵经验。随着技术 的进步，制约风能与建筑一体化发展的问题必将会解决。 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章风能利用基本理论 2 1 风能基本概念 第2 章风能利用基本理论 风能利用主要是将它的动能转化为其他形式的能量，所以计算风能的大小实 际就是计算气流流过的动能，常用的风能功率公式如下所示【3 2 】： 1 j | j r ：一1 础v 3( 2 1 ) n ， 式中，形为风能功率，w ；p 为空气密度，在常温常压下，p 的变化可以忽略不 计，一般取p