城市樓群風及其風能利用
本文分析了城市中高層建筑密集地區的樓群風產生的原因及特點，在進行城市規劃和高層建筑的設計時應充分考慮，盡量減少城市風災害，提出了利用在高層建筑群中較大的風能，如在兩座高層建筑物之間的夾道，高層建筑兩側等，風速大的位置，放置風力發電機，充分利用風能，進行風力發電，變害為寶。在建筑環境中利用風能，目前的研究只是考慮對單個建筑物的風能利用，本文利用流體動力學的基本原理和計算流體動力學（CFD）技術，分析模擬探討了一個假設的高層建筑群風速及風能密度分布，進一步分析了風能利用的可行性。
關鍵詞： 高層建筑 樓群風 建筑環境 計算流體力學 風能密度
0 概述
隨著城市規模的不斷發展，人們開始興建越來越高的建筑以增加空間的活動范圍。大城市中高層、超高層建筑鱗次櫛比，而且布局比較集中，對建筑風環境影響很大，往往會產生群樓風等城市風災害，對人們的生活工作帶來不利的影響。樓群風是指風受到高樓的阻擋，除了大部分向上和穿過兩側，還有一股順墻向下帶到地面，又被分向左右兩側，形成側面的角流風；另外一個股加入了低矮建筑背面風區，形成渦旋風，這樣城市上空的高速氣流被高層建筑引到地面上來，加大了地面風速。在行人高度上形成了我們能夠感受到的過堂風、角流風、渦流風等樓群風。
因此在進行城市規劃和高層建筑的設計時應充分考慮，盡量減少城市風災害。對已經存在的危害行人的風環境，進行一些防風隔斷的設置。同時，也可以考慮利用在高層建筑群中較大的風能，如在兩座高層建筑物之間的夾道，高層建筑兩側等，風速大的位置，放置風力發電機，充分利用風能，變害為寶。在建筑環境中利用風能，目前的研究只是考慮對單個建筑物的風能利用，本文探討了樓群風的特點及其影響，提出了在高層建筑周圍布置風機，利用樓群風的風能進行風力發電。
1 城市樓群風的特點及影響
城市建筑物聚集，高低大小不等，風流動時增加了阻力，因而城市風速一般來說比郊外小。然而，城市也能制造局地大風，以致造成災害。因為城市粗糙的下墊面好比地形復雜的山區一般，街道中以及兩幢大樓之間，就像山區中的風口，流線密集，風速加大，可以在本無大風的情況下制造出局地大風來。據風洞實驗，在一幢高層建筑物的周圍也能出現大風區，即高樓前的渦游流區和繞大樓兩側的角流區。這些地方風速都要比平地風速大30％左右。這是因為風速是隨高度的升高而迅速增大的，當高空大風在高層建筑上部受阻而被迫急轉直下時，也把高空大風的動量帶了下來。如果高樓底層有風道，則這個風道口處附近的風速可比平地風速大2倍左右。
當風接觸高大建筑物時，其迎風面，氣流被抬升；背風面，氣流則下降。下沖的風與建筑物兩側繞流而過的風匯合后會形成強風。如果兩座建筑距離太近，風通過中間的夾縫，受到樓與樓之間狹窄通道的擠壓，便會產生“夾道效應”，就形成了更大的強風。風在爬升高層建筑物頂部和穿越兩側以后，在高樓的背風面形成渦流風區和空腔區，渦流風區是風害的多發區，它不均勻、又無規則、還隨機變化。渦流風區大小與建筑物的幾何尺寸有關，一般是建筑物幾何尺寸的4-5倍，超過這個尺寸就不會受到渦流亂風的滋擾。如果渦流區還存在著其他建筑，就會受到渦流亂風的影響。輕者會造成高樓上門窗玻璃和屋頂搭建物的震動和破裂，重者足以對人和物造成傷害與破壞。
2 建筑環境的風能利用
2.1 風能利用的優點
隨著全球能源危機的加劇，可再生的綠色能源的開發勢在必行。風能作為一種無污染、可再生的清潔能源在具有風力資源的地區應該得到重視。風能是太陽能的一種轉換形式，是一種重要的自然能源。理論上僅1％的風能就能滿足人類能源需要。風能利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉化為其他形式的能，其具體用途包括：風力發電、風帆助航、風車提水、風力致熱采暖等。其中，風力發電是風能利用的最重要形式。風力發電具有很大的優越性：首先，它不需要消耗煤、油等燃料或核材料；其次，風力是一種潔凈的自然能源，沒有煤電、油電與核電所伴生的環境污染問題。另外，風能越來越得到重視的另外一個重要原因是成本顯著降低。這跟相比，風能在價格上與煤炭和天然氣相比具有很強的競爭力。
2.2 建筑環境中的風能利用
在風力資源豐富地區，探討在建筑密集的城區或者利用建筑物的集結作用進行風力發電和風能利用，成為目前國際上的前沿課題。在建筑環境中發展風力發電有免于輸送的優點，把風能和太陽能與建筑結合成一體，可以發展綠色建筑或零能耗建筑。目前國內外的研究主要是以建筑物作為風力強化和收集的載體，將風力透平與建筑物有機地結合成一體，進行風力發電。
2.2.1 國內外研究現狀
在城區利用風力發電，英國和瑞典從2001年開始進行了項目策劃，并實施了一些個別工程。荷蘭Delft技術大學和荷蘭能源研究中心開展了“Wind energy solutions for the built environment”的研究項目，建造了平板型集中器模型建筑。英國的BDSP、皇家工學院以及德國的斯圖加特大學聯合承擔了歐盟資助的項目“Wind Energy in the Built Environment”，在英國的CLRC RUTHERFORD APPLETON LABORATORY建造了風能集中器建筑模型。研究人員目前正致力于專門用于風能建筑的HAWT風力透平的設計和制造工作中。也有利用排風系統安裝風力透平的實例。英國科學家建造了屋頂風能系統。利用屋頂對風力的強化效應，在房頂上安裝垂直或水平軸流風力透平。屋頂上還可以布置太陽能裝置，與風能系統集為一體[1]。德國學者還發展了一些非常規的建筑用透平，嘗試與建筑物一體的風能利用。
但是，我國的城市建筑中利用風能的研究還剛剛起步，實例工程更是鮮有報道。在能源危機以及電力輸送中電力耗損兩大難題的困擾下，風能怎樣在城區、建筑群中利用成為亟待開發的項目。
2.2.2 研究的方法
通過理論分析、數值模擬和實驗研究以及示范工程相結合的方法，探討在當地氣候條件下建筑環境中風力資源的利用，分析風力豐富的市區上空風力發電的可行性，并嘗試以建筑物作為風力強化和收集的載體，將風力透平與建筑物有機地結合成一體，進行風力發電。
由于城市建筑物的干擾，風速局部減弱、同時局部增強和紊流加劇的特點，如何利用流體動力學的基本原理和計算流體動力學（CFD）技術，分析模擬建筑環境中的空氣流動及相關的流體動力學問題，建立空氣動力學集中器，得到最佳的氣流組織，找到合適的風能——機械能轉換裝置的部位，是風能在建筑中利用的關鍵所在。
2.2.3 三種基本的空氣動力學集中器
利用流體動力學的基本原理和計算流體動力學（CFD）技術，分析模擬建筑環境中的空氣流動及相關的流體動力學問題。擬定利用CFD探討市區或建筑物的風能利用問題。根據市區由于建筑物的干擾，風速低和紊流加劇的特點，建立空氣動力學集中器，目前可借鑒三種：Diffuser型、Flat plat型和Bluff Body型[2]，采用權威CFD模擬軟件來數值分析各種集中器的流體流動性能，以探討最佳的風能場。采用有效的湍流模型，以三種基本的建筑形式為基礎，設計不同形狀的建筑物，分析建筑物內空氣流動的基本狀況，定量給出場內的速度分布、壓力分布、風能場分布。試圖找出對應最佳的風能場的建筑物結構外型，促使風力發電的可能性得以實現。
3 城市樓群風的風能利用
3.1 城市群樓風能利用的設想
在建筑環境中利用風能，目前研究較多的主要是兩種方式：(1) 在建筑物頂上放置風機利用屋頂上較大的風速，進行風力發電；（2）將建筑物設計為風力集中器型式，利用風在吹過建筑物時的風力集結效應，將風能加強進行風力發電。
目前的研究只是考慮對單個建筑物的風能利用，而大城市中高層、超高層建筑鱗次櫛比，而且布局比較集中，對建筑風環境影響很大，如前文所述，城市風環境對人們的生活和工作都有一定的不利影響。因此在進行城市規劃和設計時應充分考慮，盡量減少城市風災害。同時，也可以考慮利用在高層建筑群中較大的風能，如在兩座高層建筑物之間的夾道，高層建筑兩側等，風速大的位置，放置風力發電機，變害為寶。這些風力發電機除向周圍建筑物供電外，還可以用于城市的照明亮化,比如可以做成路燈形式的，為路燈照明提供電力，也可以放置在廣告牌上，與周圍環境十分協調。
3.2數值算例
就本文研究的問題而言，由于建筑物浸沒在大氣邊界層內，建筑周圍的流動具有明顯的紊亂性、隨機性和各向異性，因而本文研究的建筑環境中空氣流動屬于湍流流動。
在寫出控制方程之前，作如下基本假設[3]：
(1)流體是不可壓縮的；
(2)流體為Newton流體，忽略粘性耗散；
(3)流體在固壁上無滑移；
(4)流體是各向同性的；
(5)流動為穩態情況。
由于所計算的區域比較復雜，風繞建筑物的流動是湍流、分離流、三維流動，空氣動力學在理論上還難以解決這種復雜的流動問題，當前研究的主要方法是利用流體動力學的基本原理和計算流體動力學（CFD）技術，分析模擬建筑環境中的空氣流動及相關的流體動力學問題。計算機數值模擬是在計算機上對建筑環境中的空氣流動及相關的流體動力學問題進行數值求解（通常稱為計算流體力學CFD），從而仿真實際的風環境；由于近年來計算機運算速度和存儲能力的大大提高，對建筑風環境這樣的大型、復雜問題可以在較短時間內完成數值模擬，并且可借助計算機圖形學技術將模擬結果形象的表示出來，使得模擬結果直觀，易于理解。
3.2.1 幾何模型和邊界條件
本文以一個假設的高層建筑群為例，來說明城市樓群風的風速分布及風能分布的特點。假設的高層建筑群如圖2所示，建筑群由6個高層建筑組成，建筑高度從80m到160m不等。此建筑群所在地的夏季主導風向為東南偏南方向，平均風速為4.9m/s。本文以穩態的雷諾時均Navier－Stokes方程為基礎,采用標準 雙方程紊流模型進行封閉的模擬方法。
風吹過地面時，受到地面上的各種粗糙元（草、莊稼、森林、房屋建筑等等）產生的摩擦阻力作用而使風的能量減少因而風速減小，減小的程度隨離地面的高度的增加而降低，形成上大下小的風速剖面，這一層受地球表面摩擦阻力影響的大氣層稱為大氣邊界層。不同的地面條件產生的大氣邊界層具有不同的特征，大氣邊界層特征主要包括平均風速剖面、湍流結構和溫度層結構等幾個方面，大氣邊界層風速剖面符合冪指數分布規律[4]，即：
（1）
式中的 是參考高度及其相應高度處的風速； 分別是計算區域內的某高度和對應高度的平均風速； 為地面粗糙度指數。各種下墊面的 和 值見表1[5]。
表1 不同地貌粗糙度下風速隨高度變化系數
地貌 海面 湖面 空曠平原 一般田野 鄉村 城鎮 大城市
0.003 0.01 0.03 0.10 0.20 0.30 1.00
0.107 0.13 0.146 0.205 0.25 0.28 0.33
本文假設該建筑群所在地的地面粗糙度 ＝1m，地面粗糙度指數 ＝0.3。
3.2.2 數值計算結果及分析
3.2.2.1 風速分布
大氣邊界層風速剖面符合冪指數分布規律，隨著高度的增加，風速增大。在高層建筑密集的地區，由于高低大小不等的建筑物的阻擋，在街道中及兩幢大樓之間就像山區中的風口，流線密集，風速加大，如圖3所示，為10m及20m高度截面的風速分布圖。
3.2.2.2 風能密度分布
風能的利用主要就是將它的動能轉化為其他形式的能，因此計算風能的大小就是計算氣流所具有的動能。在單位時間內流過垂直于風速截面積A（m2）的風能，即風功率為（2）
式中： 為風能，單位W； 為空氣密度，kg/m3；v為風速，m/s。為了衡量一個地方風能的大小，評價一個地區的風能潛力，風能密度是最方便和有價值的量。風能密度是氣流在單位時間內垂直通過單位截面積的風能，即（W/m2）（3）
10m及20m高度截面的風能密度分布如圖4所示，風能密度與風速成冪指數關系，風速大的地方，風能密度必然大，從圖中可以看出，在此建筑群中，兩個建筑物之間的夾道及建筑的角部有相當數量的風能是可以利用的。在這些地方可以布置一定數量的風力機，以充分利用高層建筑群中豐富的風力資源。
4 結論
由于建筑物而造成的樓群風十分復雜，它的形成與風資源環境、樓群布置密切相關。這種風不僅影響人們的生活環境和居住環境，而且當遇到風災、火災時，往往會助紂為虐，成為現代都市的一種公害。因此在城市規劃和設計高層建筑時，要充分考慮風對建筑環境的影響，把城市中的樓群風害消滅在設計與試驗之中，對已經存在的危害行人的風環境，進行一些防風隔斷的設置，加以改進。
同時，還可以考慮利用樓群風的風能進行風力發電，變害為寶，放置在建筑物周圍的風力發電機除向周圍建筑物供電外，還可以用于城市的照明亮化,比如可以做成路燈形式的，為路燈照明提供電力，也可以放置在廣告牌上，與周圍環境十分協調。與建筑物一體的風力發電系統，一方面獲得電能供應建筑本身，建成綠色建筑體系或零能耗建筑，為大批量發展風力提供示范和經驗；另一方面有望成為城市的標志性景觀，促進市民對綠色能源和環境保護的概念的形象認識。
|
京公網安備11011102000836號
