《建筑风能利用》课件

建筑风能利用建筑物可以利用周围环境的风能资源,通过安装风力发电机等装置,将风能转化为电能供应建筑物使用。这不仅可以减少化石燃料的消耗,降低碳排放,还能提高建筑物的能源自给率,实现绿色可持续发展。课程概述课程定位本课程旨在系统介绍建筑风能利用的基本原理、技术方案及应用实践。课程内容包括风能资源评估、建筑物气流特性分析、风能系统类型及应用等方面的知识。课程目标培养学生的建筑风能利用设计和应用能力,为相关从业人员提供专业指导。风能利用的基本原理1动能转换风能通过叶片的动能转换为电能2空气流动风力发电利用空气流动的动能3气压差气压差产生的空气流动驱动叶片旋转风能利用的基本原理是利用空气流动的动能,通过叶片的旋转,将风能转换为机械能,再通过发电机转换为电能。这一过程依赖于气压差引起的空气流动,以及叶片在流经空气中产生的升力和阻力。风能资源评估风能资源评估是利用风能发电的关键前提。通过收集和分析大量的风速、风向、气压等气象数据,可以绘制出详细的风能资源地图,并预测特定区域的风能潜力。风速风能密度比例适用风力发电机类型3-5米/秒40%小型垂直轴风力发电机5-7米/秒60%中型水平轴风力发电机大于7米/秒80%大型水平轴风力发电机通过评估不同区域的风能资源分布和风力发电机的适配性,可以优化风电项目的设计和建设。建筑物蒙皮效应建筑物的外皮(蒙皮)对周围的气流分布有重要影响。建筑外表面粗糙程度、几何形态等特征会改变气流的流动方式,从而影响地面风速和气压分布,进而影响建筑物本身及其周边的风能利用。合理把握建筑物蒙皮效应对于提高建筑风能系统的性能很关键,需要通过详细的气流模拟分析来优化设计。建筑物簇团效应建筑物簇团效应是指当建筑物聚集在一起时,会产生特殊的气流模式。这种效应可以改变建筑物周围的风能资源,并影响到整个建筑小区的风能利用。合理设计建筑簇团可以提高整体的风能利用效率。建筑物簇团会产生风速加速或减缓、气流经路改变、涡流增强等特征,需要通过数值模拟等手段进行深入分析。建筑物边界层效应边界层形成建筑物与空气流经时,会在建筑表面形成一层边界层。边界层是一个过渡区域,从建筑表面到自由流区域之间的气流速度变化区域。边界层流动特点建筑物边界层内的气流速度较低,流动不稳定,容易发生流分离和湍流。这会影响建筑物周围的风场分布,需要进行模拟分析。边界层对建筑的影响边界层的形成会改变建筑物周围的风场分布,直接影响到风能的利用潜力。因此需要重点研究和分析建筑物边界层效应。建筑气流模拟分析1模型建立根据建筑物的几何特征和周围环境条件建立数值模型2网格划分采用合适的网格方法对模型进行离散化3边界条件设置设置风速、湍流强度等边界条件4求解计算采用合适的湍流模型进行数值求解通过建筑气流模拟分析,可以预测建筑物周围的风场分布、风速场、湍流场等,为建筑物的设计和优化提供参考依据。模拟过程包括模型建立、网格划分、边界条件设置和数值求解等步骤,需要选择合适的物理模型和数值算法。建筑风能系统类型小型风力发电系统适合安装在中小型建筑物上,可为建筑提供部分电力或热水供应。垂直轴风力发电通过建筑物本身的气流引导效应,可提高发电效率,适用于建筑立面。水平轴风力发电能充分利用上层楼宇的高空风资源,通过合理的建筑设计实现有效发电。风能供暖/制冷系统利用建筑物的边界层效应,通过自然通风实现建筑物的被动式供暖或制冷。建筑小型风力发电机小型风力发电机是风能在建筑物中的一种经济有效的应用形式。它们占地面积小、维护简单、噪音低、适用性强，能够为建筑物提供清洁、可再生的电力。这类风力发电机一般安装在建筑物屋顶或外墙上，利用建筑物周围的气流来产生电力。与大型风力发电机相比，它们的发电效率相对较低，但在城市环境中更具有应用前景。建筑垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机采用独特的竖直旋转轴设计,能够从任何方向吸收风能。它们的构造简单,易于安装和维护,即便在建筑环境中也能稳定运行。相比水平轴风机,垂直轴风机能更好地利用建筑物周围的复杂气流。这种设计适合安装在建筑物顶部或立面上,可以有效利用建筑带来的涡流和加速效应,提高发电效率。同时它们体积较小,噪音也较低,更适合城市应用。建筑水平轴风力发电机水平轴风力发电机是最常见的建筑风能利用设备。其采用水平旋转轴与风向平行的设计,利用风能驱动叶片旋转带动发电机发电。相比垂直轴风机,水平轴风机通常具有更高效率和更大发电功率。水平轴风机主要安装在建筑物的顶部、立面或边缘位置,利用建筑物产生的气流进行发电。合理的选址和布局是保证水平轴风机工作效率的关键因素。建筑风能供暖系统1动力供热利用建筑物上安装的风力发电机提供的电力驱动热泵系统,实现建筑物的供暖需求。2被动式供热通过合理的建筑设计,使建筑物能够最大程度地吸收来自风能的热量,从而降低供暖成本。3混合供热模式将主动式供热和被动式供热相结合,以提高整个供暖系统的能源利用效率。4系统集成将风力发电、热泵、蓄热装置等多种技术融为一体,实现建筑物的全面供暖。建筑风能冷却系统利用风能进行建筑制冷通过利用建筑物外部的风能,可以驱动自然通风系统或风机来降低室内温度,从而减少对电力的依赖,提高建筑能源利用效率。被动式风能制冷系统这种系统利用建筑外部的风流通过建筑物内部的通风管道,带走室内热量,实现自然降温的效果。无需电力驱动,能耗低。主动式风能制冷系统结合建筑风能发电系统,将产生的电力用于驱动制冷压缩机,实现建筑物的机械制冷。能耗和环境影响较小。混合式风能制冷系统结合被动式和主动式制冷系统,根据季节变化和建筑需求,灵活选择最佳制冷方式,最大化风能利用效率。建筑风能发电并网电网接入建筑风能发电系统需要与电网进行并网,以确保电力的稳定供应和输送。逆变器技术风力发电系统需要使用逆变器将变流电转换为与电网同步的交流电。能量调节电网并网需要采用能量调节技术,确保风电系统的输出功率与电网需求匹配。智能电网未来的建筑风能发电将与智能电网系统相结合,实现互联互通和智能调度。建筑风能电储能系统1电能储存将建筑风能产生的电能储存在电池、蓄电池等储能设备中,以备不时之需。2负荷峰值平衡储能系统可以在用电高峰时放电,在用电低谷时充电,实现负荷的动态平衡。3电网并网稳定储能系统可以平滑建筑风力发电的波动输出,提高并网稳定性。4提高能源利用效率储能系统可以充分利用建筑的间歇性风能,提高能源利用效率。建筑风能系统的平面布置合理布局根据建筑物特点和风力资源分布,采用合理的平面布局可以最大化风能收集效率。空间利用将风力发电设备、储能电池、逆变器等合理安排在建筑物屋顶或外墙上,充分利用有限的空间。屋顶布局利用建筑物屋顶作为安装风力发电机组的位置,既不影响建筑功能,又能提高风能利用效率。建筑风能系统的立面设计立面设计是建筑风能系统中关键的一环。需要根据建筑物的外观特征和周围环境因素,选择合适的风力发电设备安装位置和方式,并进行细致的外观集成。设计师要考虑发电设备的噪音控制、电缆走线、设备支架等多方面因素,确保风能系统安全美观地融入建筑立面。建筑风能系统的安装1选址优化针对建筑物的特点和周围环境,优化风能发电系统的安装位置,最大化风能利用效率。2基础设施建设根据风机尺寸和重量,建设牢固稳定的基础设施,确保风机安全运行。3系统调试对风机、控制系统等部件进行细致调试,确保各组件协调运转,发挥最大性能。建筑风能系统的维护定期检查定期对风能系统的各个部件进行检查和保养,及时发现并修复问题。润滑保养定期对轴承、齿轮等关键部件进行润滑,确保运转顺畅。清洁维护定期清洁叶片、风机的表面,避免污垢对性能的影响。故障排除及时诊断并修复系统中出现的故障,确保系统安全高效运行。风能发电系统的经济性分析$10K初始投资建立一个中型风电场需要数十万到数百万美元的资金投入。$0.03发电成本风电的发电成本已低至每千瓦时3美分,与化石燃料发电相当。15Y投资回收期风电场的投资回收期通常为10-15年,远低于核电和火电。30%利润率风电项目的利润率可达30%以上,具有良好的经济效益。风能发电系统的环境影响评估风能发电系统虽然是无碳排放的清洁能源,但在实际应用中也存在一些环境影响,包括噪音污染、生态影响、视觉景观影响等。需要通过评估这些指标,采取针对性的缓解措施,最大限度降低对环境的负面影响。国内外建筑风能应用案例国内案例：北京北航教学楼北京航空航天大学的新教学楼采用了集成式风力发电系统,利用建筑物的表皮来收集风能,年发电量可达13万度电,有效补充了建筑物的用电需求。国外案例：深圳平安金融中心深圳平安金融中心大厦采用了先进的垂直轴风力发电设备,装机容量达1.5兆瓦,为写字楼提供可再生能源,在高层建筑应用风能发电的先驱项目之一。国外案例：伦敦圣玛丽轴承位于英国伦敦的圣玛丽轴承大楼采用了水平轴风力发电机,每年可为建筑物节省约80%的电力费用,是集风能供电与雨水收集于一体的多功能绿色建筑。国内案例：上海东方明珠广播电视塔上海东方明珠电视塔采用了自主研发的大型风力发电机组,每年可为塔体提供约2千万度电,是国内最大的建筑风能供电系统之一。技术展望与发展趋势智能控制技术未来的建筑风能系统将应用先进的自动控制和监测技术，实现更高效、可靠和智能化的运行。微型风力发电机小型化风力发电机的设计和制造将进一步提高，适用于不同的建筑环境。建筑一体化设计风能系统与建筑物的一体化设计将成为未来趋势，实现更美观、高效和可持续的建筑。新型材料应用轻质、高强度的新型材料将用于风力发电机叶片和塔架的制造，提高设备性能。课程总结重点总结本课程系统梳理了建筑风能利用的基本原理、评估方法和关键技术。重点总结了建筑物蒙皮、簇团和边界层效应对风能利用的影响。应用案例通过国内外建筑风能应用案例分析,全面展示了建筑风能系统的设计、安装和维护技术。发展趋势展望了建筑风能系统的技术发展方向,为学员们未来的实践应用提供了思路和方法。课后讨论环节在本节课结束后,我们将组织一个课后讨论环节,让学生们就所学知识进行自由交流与探讨。讨论环节将鼓励学生分享他们的想法和见解,并针对课程内容提出问题和建议。这不仅有助于学生深化对建筑风能利用的理解,也能为老师改进授课内容和方式提供宝贵意见。实践训练环节在本节中，我们将通过实际操作来巩固所学的建筑风能利用的理论知识。学生将被分组,并分别完成模拟建筑物的CFD分析、不同类型风力发电机的参数优化、系统安装调试等实践训练任务。通过动手实践,学生可以更深入地理解气流动力学原理、风能利用系统的工作原理和运行特性,培养解决实际工程问题的能力。教师会指导学生进行数据分析和结果解释,并针对不同小组的问题提供现场答疑。学习心得交流在参加了这个为期三天的建筑风能利用课程后,我深有感触。这个课程不仅系统地介绍了风能利用的基本原理和技术,而且还帮助我们了解了建筑物在利用风能方面的特殊效应,以及各种类型的建筑风能系统。这些知识对我们日后从事相关工作有很大帮助。我特别感兴趣的是课堂上老师生动的演示和实物展示。通过这些直观的方式,我们更好地理解了建筑风能系统的工作原理和应用场景。同时,课