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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、建筑尺寸、来流偏向角）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
2、 BuildingPan Lei1，Chen Baoming2，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 ,building geometry, and yaw angle . So the pressure expanding tunnel building is an effective wind p
4、ower 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主要集中于三
5、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，分别是位于建筑物上，位于扩散体型建筑物之间，以及位于建筑物的通道内。根据市区由于建筑物的干扰，风速低和紊流加剧的特
6、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，对于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。增压管收缩管中央圆管扩压管发电机叶片回
7、转体图1 扩散型风力机扩压风道型建筑就是基于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：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。由于狭管效应，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，易于布局规划，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，由于风机的运转，不可避免的造成噪声、视觉上的污染。同时，由于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。这些建筑技术方面遇
8、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夹角为。建筑几何尺寸及扩散角的大小不同，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abc本文假设扩压风道型建筑模型高度
9、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=4m/s，风速随高度变化系数。由于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属于湍流流动，采用标准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、马蹄形涡的形成有关。从扩压风道型建筑的迎流段到风力透平段，由于狭管效应，风速、风
10、能密度显著增大。下文分别对不同的扩散角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及几何尺寸。2.2.1 扩散角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a40米，风力透平段长度b50米，迎流段长度c50米，风的来流方向与风力透平段平行时（风向投射角0），分析了随着扩压角变化080o，风速场和风能密度的变化规律。如图3所示，当扩散角030o时，随着扩散角的增加，风速、风能密度减增加；当迎流段与风力透平段之间的夹角3050o时，风通道即风力透平段内风速、风能密度较大；当扩散角5080o时，随着扩散角的增加，风速、风能密度减小。为进一步评价扩
11、压风道型建筑风通道在不同扩散角情况下风力集结效果好坏，可以用系数Ca来描述： （1）扩散角Ca图3 系数Ca随扩散角变化规律示意图式中，风通道内平均风速，在风机安装高度h上未受扰动的风速， h100米。本文对扩散风道型建筑不同的扩散角080o，分别计算了风力透平段内的平均风速与的在风机安装高度h上未受扰动的风速的比值，即系数Ca。如图3所示，分析后发现41o时，平均风速、风能密度最大。图4为扩散角41o时，在高度h100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
12、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的变化对于扩压风道形建筑，两座楼的间距a变化对于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b50米，迎流段长度c50米，风的来流方向与风力透平段平行（风向投射角0），扩散角41o，计算了间距a4050米，风通道内的风速场的风速分布。Ca间距a图5 系数Ca随间距a变化规律示意图图4 扩散角41o的扩散体型建筑在高度h50米截面的风速及风能密度评价不同楼间距下，扩压风道型建筑风通道的风力集结效果好坏，用系数Ca来描述。如图5所示，从数值模拟的结果来看，随着间距a
13、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的风能进行风力发电。2. 风力透平段长度b变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a50米，迎流段长度c50米，风的来流方向与风力透平段平行（风向投射角0），扩散角41o，计算了风力透平段长度b1060米，风通道内的风速场的风速分布。Ca风力透平段长度b图6 系数Ca随风力透平段长度b变化规律示意图由模拟的结果，如图6所示，风力透平段长度越小，系数Ca越大，风力透平段内的平均风速及
14、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Ca投射角图7 系数Ca随偏向角变化规律示意图由于风的随机性，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0），本文探讨了在不同风向投射角下，扩压风道型建筑的风速场及风能密度。由数值计算的结果，如图7所示，当风向投射角010o时，系数Ca较偏向角为零时增大；当20o80o时，随着风向投射角的增大，透平段内风速场及风能密度减小。当风向投射角0o50o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
15、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、建筑尺寸、来流偏向角），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.1st SWH International Conference on Renewable Energies 7th-10th.Segovia.2 潘雷，陈宝明，张涛. 建筑环境中的风能利用J.可再生能源，8789，2006.63 Sander Metens. 2003. Wind Energy Conversion in the Built Environment. 1s
