建筑风能特点及其利用研究

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摘要：随着经济发展和社会进步，城市规模逐渐扩大，大规模和高层建筑出现的越来越多，电力矛盾也日渐突出，在建筑环境中利用风能发电具有独特的优势。本文通过介绍建筑环境中风能的特点，阐述了建筑环境中风能利用的优势；并分析了目前利用建筑环境中风力发电技术存在的问题，对城市建筑中的风能利用提供重要参考。

关键词：建筑风能，风环境，风能利用

中图分类号： TK81 文献标识码： A 文章编号：

1建筑风能利用优势及城市风环境的特点

1.1 建筑环境中风能利用优势

随着传统能源逐渐消耗殆尽、生活环境日益恶化等问题的出现，可再生能源的开发利用已成为世界各国的共识。作为一种清洁而无污染的可再生能源，风能因其开发利用便捷，成本低廉受到了广泛关注。在我国，目前风电技术已经非常成熟，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。若利用城市中建筑环境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，是一种一举两得的选择。而随着社会的发展，越来越多的高层建筑群在城市中出现，这为建筑风能的利用创造了条件。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，寻找合适的方法将这些风能加以充分利用，有利于发展绿色建筑和低能耗建筑，实现建筑行业的可持续发展。所以，建筑环境中的风能利用具有较大的优势，引起了国内外学者的广泛关注，成为能源开发利用的热点。

1.2 城市风环境的特点

高层建筑群是现代城市的主要组成，它们高度、规模不等而布局集中，对城市风环境影响很大。由于建筑物的存在，空气流动时的阻力增加，所以相比郊区和偏远地区，城市风能具有风速较小，紊流大等特点。但城市也能在局部产生出较大的风力，例如，当建筑群高度较大时，空气流动受到高楼的阻挡，大部分气流从建筑上部和两侧流过，还有一部分沿建筑向下被带到地面，并分向左右两侧，这样建筑顶部的气流沿建筑被引到地面上来，加大了建筑周围的风速。同时城市街区类似地形复杂的山区，街道及建筑物之间就会像山中的风口，流线较密，风速加大，从而在无风的情况下制造出局部大风[1]。如果两栋建筑物之间的距离不合理，风通过中间的巷道时，由于受到两栋楼之间的通道挤压，会形成强大的风，产生“夹道效应”。这种空间风量较集中，能量较大。若建筑物的迎风面有开洞，则由于迎风面与背风面压差的存在，会形成明显的穿堂风。

2城市建筑风能利用的研究

根据前面分析，城市建筑环境中的气流具有湍流增强和风速减缓的特点。为提高建筑风能的利用效率，需要构建风能利用建筑的风场，再以此为基础进行建筑外形优化，从而使风力得到强化和集中。

2.1 建筑风环境的研究方法

为构建风能利用建筑的风场，首先需进行建筑风环境研究，目前建筑风环境的研究方法主要有三种：现场实测、风洞试验以及计算机仿真模拟。现场实测法无疑是最有效、最直接的方法，但此方法存在严重的缺陷，一是在建筑建成之前，其无法为设计者提供参考；二是对于高层建筑，其测量的成本非常昂贵；所以现场实测法多作为验证手段进行。风洞试验法首先按一定比例制作实际建筑物的模型，然后将其放置在风洞中，并利用相似准则在风洞中产生类似于实际建筑周围的风场，并将测试仪器放置在模型外表及其附近测得风速、风压等实验数据，分析建筑对风环境的影响；计算机仿真模拟法，又称为数值风洞实验方法，是利用数值手段对建筑风环境进行再现模拟的方法，其具有模拟真实和理想条件的能力，可以构建建筑原型的计算模型，并模拟实际的建筑风环境，弥补了风洞试验只能进行缩小模型实验的不足，而且具有成本低、周期短等优点；存在的缺点是需要风洞试验或现场实测的实验数据进行验证。

目前，关于建筑风环境的研究主要是通过计算机仿真模拟来分析模拟建筑环境中的空气流动及相关的流体动力学问题，并结合风洞试验数据研究建筑周围的风场。

2.2 风力集中器研究

高效利用建筑风能的关键是找出安装风力机的合适位置。由于建筑物存在，城市风环境具有紊流加剧、局部风速增强的特点，可通过将建筑外形设计成风力集中器的方法得到最佳气流组织。国内外学者已经对各种建筑对风能的聚集效果进行了分析，提出了多种可使风能强化和集聚的模型，其中最具有代表性的是Sander.Mertens根据建筑中风力机的安装位置提出的三种基本集中器模型[2]：扩散体（Diffuser）型、平板（Plate）型、非流线体（Bluff Body）型。其中，扩散体风力集中器是利用建筑间的风道聚集风能，并安装风力机进行发电；平板型风力集中器是利用平板型建筑物中间的空洞聚集加强风，驱动风力机发电；非流线体风力集中器是利用建筑顶部较大的风速，将风力机放置在建筑物顶部，进行风力发电；基于这三种基本模型可以从不同方面研究建筑风能的利用，分析不同的建筑外形的空气流动的情况。

3 存在问题[3]

国内外学者对风能利用的研究正在逐步深入，但目前城市中的风能利用情况并不是很理想。尚存在如下问题：目前的风力集中器多是三种基本型式形状，很少有研究在此基础上进行完善，这样的集风建筑往往有较大局限性；另外针对建筑环境中风特点而提出的风力集中器，在良好的条件时确实能起到风能强化和集结的效果。但城市中的风紊流性强，具有随机性和间歇性，在这种情况下如何尽量多的收集风能还需深入研究；在利用建筑物增强风能以提高发电效率时，也遇到了一些问题，例如风速越大风能的利用效率显然越高，但建筑物结构有一定的抗风要求，在两者矛盾的情况下，如何平衡才能使总体效率达到最优；风力机叶轮转动一定会存在噪音及一些安全隐患，与在野外环境风力发电相比，建筑环境中的风能利用对人们工作生活的影响更大，怎样在保证人们安全、舒适的基础上合理开发建筑风能也是有待解决的问题；建筑的朝向对城市环境的风能利用有很大影响，也对采光遮有决定性作用，如何在满足采光、遮阳要求的前提下，充分发展建筑风力发电技术。以上这些问题都是在城市风能利用时需要考虑的因素。逐步解决以上这些问题，可使建筑风能得到广泛充分利用，实现城市的可持续发展。

参考文献：

[1]潘雷, 陈宝明, 王奎之. 城市楼群风及其风能利用的探讨.山东暖通空调，2007, 2:608-613

[2]Sander Metens.. Wind Energy Conversion in the Built Environment. 1st SWH International Conference on Renewable Energies 7th -10th . Segovia. 2003

[3]杨蓉. 高层建筑屋顶风能利用研究[D].厦门：华侨大学,2011