269扩压风道型建筑风能利用探讨

1、扩压风道型建筑风能利用探讨山东同圆设计集团潘雷，李刚山东建筑大学 陈宝明摘要目前建筑风能利用主要集中于对三种基本的风能集中器型式风能场特性的研究。本文由扩散型风力机的原理，构想了一种新型风能利用建筑型式一一扩压风道型建筑，本文探讨了扩压风道型建筑的特点，并对影响其风能利用的因素（扩散角a、建筑尺寸、来流偏向角0）进行了数值模拟，通过分析可以看出扩压风道型建筑能够强化风速及风能密度，是一种有效的风能集结建筑。关键词：扩散型风力机扩压体型建筑风速场风能密度数值模拟Study of Wind Energy Utilization in the Pressure Expanding Tunnel Bu

2、ildingPan Lei1, Chen Baoming 2, Li Gang11 Jinan Tongyuan Architectural Design Institution CO.LTD, Jinan, Shandong, 2500012 Shandong Jianzhu University, Jinan, Shandong, 250101Abstract: At present study of wind energy utilization in the built environment is mainly focused on the three basic aerodynam

3、ic concentrators. This thesis a new form of wind energy building based on Diffuser is brought forward. This paper attempts to analyze performance of the concentrator with the change of diffuser angle a ,building geometry, and yaw angle 3 . So the pressure expanding tunnel building is an effective wi

4、nd power concentrating building.Keywords: diffuser augmented wind turbine, pressure expanding tunnel building, wind field, wind power density, numerical simulation1概述风能可以显著减少矿物燃料的消耗，温室气体的排放，以及传统能源对自然生态 的破坏。在建筑环境中发展风力发电有免于输送的优点，可以发展绿色建筑或零能耗 建筑。城区建筑环境中的风场有紊流加剧、风速降低的特点。因此，风力强化和集中 的问题需要得到解决。目前国内外对建筑风能利用

5、主要集中于三种基本的空气动力集 中器：非流线体型、平板型和扩散体型建筑的研究 12。本文对一种新的建筑型式一一扩压风道型建筑的风能利用进行了探讨，采用数值 模拟分析了其风速场、风能密度场，比较了在不同风向条件下风能利用的情况，并对 这种型式的建筑如何更好的利用风能，提出了设计意见。1三种基本的空气动力集中器模型的研究将建筑物作为风力强化和收集的载体，将风力透平与建筑物有机地结合成一体,进行风力发电，这种风力透平称之为建筑增速型风力透平（BAWT）。根据风力透平所在位置的不同，BAWT有三种不同的类型3,分别是位丁建筑物上，位丁扩散体型建筑 物之间，以及位丁建筑物的通道内。根据市区由丁建筑物的干

6、扰，风速低和紊流加剧的特点，建立空气动力学集中器，目前可借鉴三种：Diffuser型、Flat plate型和Bluff Body 型，对丁这三种基本型式的建筑模型，国内外已经进行了大量的理论和实验研究12。2扩压风道型建筑风能利用探讨2.1 扩压风道型建筑模型的构造及风力集结特点20世纪50年代，我国著名科学家钱学森提出了 “风洞风车”的概念 4,即利用附 加的扩压器（Diffuser）,在叶轮的后部造成一个低压区，从而增加通过叶轮的空气流量， 达到提高风力机效率的目的。与一般的水平轴风力机相比，这种结构不仅能使流经风 轮的风速提高，增加输出功率，而且可以增加系统的抗风能力，如图 1所示。扩

7、压风道型建筑就是基丁扩散型风力机的原理的一种建筑型式，如图2所示。这种建筑型式有以下的特点：扩压管图1扩散型风力机1、扩压风道型建筑借鉴了扩散体型（Diffuser） 风力机的风能利用原理，利用建筑形体，在两 楼之间形成的风道，进风口收缩，风速增大； 出风口向外扩张，风速减小，静压增大。由丁 狭管效应，流经叶轮的风速提高，增加了输出 效率。2、扩压风道型建筑造型简单，结构容易实现，易丁布局规划，与周围建筑环境相协调3、与其他利用风能进行发电的建筑一样，由丁风机的运转，不可避免的造成噪声、视 觉上的污染。同时，由丁建筑对风的集结效应，使得建筑的风荷载增大，对建筑的结构 提出了更高的要求。这些建筑

8、技术方面遇到的困难，是风能建筑能否有效利用的亟待解 决的问题。4、通过对建筑周围风速场的模拟， 风速在两座楼之间明显增大，图4分别是在50米高 度风速、风能密度分布图。从图中可以看出在两楼之间的狭窄通道内的风速增大很多， 集结效应比较明显，这种建筑型式对风能利用是很有效的。2.2 扩压风道型建筑风能利用的影响因素扩压风道型建筑的迎流段是由两座向外扩张的平板型建筑物构成的，迎流段与风力透平段之间的火角为a。建筑几何尺寸及扩散角a的大小不同，在风通道内即风力 透平段内的风速不同，风能密度也不同。图2 左图：扩压风道型建筑模型示意图右图：扩压风道型建筑几何尺寸、 扩散角及来流 偏向角示意图本文假设扩

9、压风道型建筑模型高度 100米，建筑平面几何尺寸如图2所示，两座建 筑物间距a,风力透平段长度b,迎流段长度c。本文假设10米高度上的参考风速为 U (10 )=4m/s，风速随高度变化系数a =0.3。由丁建筑物浸没在大气边界层内，建筑周 围的流动具有明显的紊乱性、随机性和各向异性，因而本文研究的建筑环境中空气流 动届丁湍流流动，采用标准k 一模型对建筑环境中空气流动进行数值模拟。由模拟结 果图4可以看出，在建筑物迎风角附近，有一块高湍流度值区域，并且有一块狭长的 高湍流度区域紧贴着建筑物侧面向后的区域。这些大的速度脉动与大范围的旋涡运动 有密切关系，这些旋涡往往与剪切层的分离、马蹄形涡的形

10、成有关。从扩压风道型建 筑的迎流段到风力透平段，由丁狭管效应，风速、风能密度显著增大。下文分别对不 同的扩散角a及几何尺寸的扩压风道型建筑进行了数值模拟计算，探讨了可以有效利 用风速场进行风力发电的扩散角 a及几何尺寸。2.2.1扩散角a的扩压风道型建筑风力集结的影响本文假设两座建筑物间距a= 40米，风力透平段长度b = 50米，迎流段长度c= 50 米，风的来流方向与风力透平段平行时(风向投射角a= 0),分析了随着扩压角变化a = 080°,风速场和风能密度的变化规律。如图 3所示，当扩散角a =。30°时，随 着扩散角a的增加，风速、风能密度减增加；当迎流段与风力透

11、平段之间的火角a =3050°时，风通道即风力透平段内风速、风能密度较大；当扩散角a= 5080°时，随着扩散角a的增加，风速、风能密度减小为进一步评价扩压风道型建筑风通道在不同扩散角a情况下风力集结效果好坏,(D可以用系数Ca来描述:-Uo(h)式中，Ua风通道内平均风速，Uo(h)在风机安装高度h上未受扰动的风速，h=100米。本文对扩散风道型建筑不同的扩散角a= 080°,分别计算了风力透平段内的平均风速u a与的在风机安装高度h上未受扰动的风速U°(h)的比值，即系数Ca。如图3系数G随扩散角a变化规律示意图图3所示，分析后发现a = 41

12、76;时，平均风速、风能密度最大。图 4为扩散角a = 41° 时，在高度h= 100米的截面上的风速分布及风能密度。2.2.2 建筑尺寸对风力集结影响如前文所述，风力透平段内风速、风能密度随着扩散角的变化而变化， 并且有一定 的规律性。建筑物的平面尺寸不同，扩压风道形建筑风能利用的效果也不同， 下文将对 平面尺寸的变化，建筑风力透平内风速场的变化进行讨论。1.两座楼间距a的变化对丁扩压风道形建筑，两座楼的间距a变化对丁风力透平段内风速场及风能密度的 大小有一定的影响。本文假设风力透平段长度b= 50米，迎流段长度c= 50米，风的来 流方向与风力透平段平行(风向投射角6 = 0),

13、扩散角a= 41°,计算了问距a= 4050米，风通道内的风速场的风速分布。评价不同楼间距下，扩压风道型建筑风通道的风力集结效果好坏，用系数Ca来描图4扩散角a = 41°的扩散体型建筑在高度 h = 50米截面的风速及风能密度述。如图5所示，从数值模拟的结果来看，随着间距 a的增大，系数Ca减小，风力透 平段内的平均风速减小。因此，在满足建筑设计对间距的要求， 及满足所安装的风力发 电机的直径等要求的前提下，两座建筑物的间距应尽量小，从而更有效的利用透平段内1.45404244464850间距a图5 系数Ca随间距a变化规律示意图的风能进行风力发电。2.风力透平段长度b变

14、化本文分析了风力透平段长度b不同，风速场及风能密度的变化。假设两座楼的间距 a = 50米，迎流段长度c= 50米，风的来流方向与风力透平段平行（风向投射角6= 0）, 扩散角a = 41°,计算了风力透平段长度b= 1060米，风通道内的风速场的风速分布。由模拟的结果，如图6所示，风力透平段长度越小，系数 Ca越大，风力透平段内图6 系数Ca随风力透平段长度 b变化规律示意图的平均风速及风能密度越大。从图中可以看出风力透平段长度 b较小时，风速梯度较大， 平均风速较大；当b增大时，风力透平段内风速梯度较小，风速稳定，平均风速较小。2.2.3 来流风向投射角对风力集结的影响由丁风的随

15、机性，风向总是变化的，风向不总是与风力透平段平行（风向投射角6冬0）,本文探讨了在不同风向投射角6下，扩压风道型建筑的风速场及风能密度。由数图7系数ca随偏向角&变化规律示意图值计算的结果，如图7所示，当风向投射角6= 010°时，系数Ca较偏向角为零时增 大；当6 = 20°80°时，随着风向投射角6的增大，透平段内风速场及风能密度减小。 当风向投射角6= 0°50°时，风力透平段内的风速仍可以有效利用。3结论本文对扩压风道型建筑的风能利用进行了探讨，研究了扩压风道型建筑增强风速 及强化风能利用的效果，并通过数值模拟分析了这种型式的建筑如何更好的利用风能， 提出了设计意见。(1) 扩压风道型建筑造型简单，结构容易实现，易于布局规划，与周围 建筑环境相协调。(2) 通过数值模拟分析了影响扩压风道型建筑风能利用效率的三个主要因素(扩散角a、建筑尺寸、来流偏向角6 ),可以看出扩压风道型建筑可以有效的集结风能，提高风能利用效率。1 Sander Metens.2003.Wind Energy Conversion in the Built Environment.lst SWH International Conference on Renewable Energi