城市楼群风及其风能利用

     本文分析了城市中高层建筑密集地区的楼群风产生的原因及特点，在进行城市规划和高层建筑的设计时应充分考虑，尽量减少城市风灾害，提出了利用在高层建筑群中较大的风能，如在两座高层建筑物之间的夹道，高层建筑两侧等，风速大的位置，放置风力发电机，充分利用风能，进行风力发电，变害为宝。在建筑环境中利用风能，目前的研究只是考虑对单个建筑物的风能利用，本文利用流体动力学的基本原理和计算流体动力学（CFD）技术，分析模拟探讨了一个假设的高层建筑群风速及风能密度分布，进一步分析了风能利用的可行性。
      关键词：   高层建筑  楼群风  建筑环境  计算流体力学  风能密度
      0  概述
      随着城市规模的不断发展，人们开始兴建越来越高的建筑以增加空间的活动范围。大城市中高层、超高层建筑鳞次栉比，而且布局比较集中，对建筑风环境影响很大，往往会产生群楼风等城市风灾害，对人们的生活工作带来不利的影响。楼群风是指风受到高楼的阻挡，除了大部分向上和穿过两侧，还有一股顺墙向下带到地面，又被分向左右两侧，形成侧面的角流风；另外一个股加入了低矮建筑背面风区，形成涡旋风，这样城市上空的高速气流被高层建筑引到地面上来，加大了地面风速。在行人高度上形成了我们能够感受到的过堂风、角流风、涡流风等楼群风。
因此在进行城市规划和高层建筑的设计时应充分考虑，尽量减少城市风灾害。对已经存在的危害行人的风环境，进行一些防风隔断的设置。同时，也可以考虑利用在高层建筑群中较大的风能，如在两座高层建筑物之间的夹道，高层建筑两侧等，风速大的位置，放置风力发电机，充分利用风能，变害为宝。在建筑环境中利用风能，目前的研究只是考虑对单个建筑物的风能利用，本文探讨了楼群风的特点及其影响，提出了在高层建筑周围布置风机，利用楼群风的风能进行风力发电。
      1 城市楼群风的特点及影响
城市建筑物聚集，高低大小不等，风流动时增加了阻力，因而城市风速一般来说比郊外小。然而，城市也能制造局地大风，以致造成灾害。因为城市粗糙的下垫面好比地形复杂的山区一般，街道中以及两幢大楼之间，就像山区中的风口，流线密集，风速加大，可以在本无大风的情况下制造出局地大风来。据风洞实验，在一幢高层建筑物的周围也能出现大风区，即高楼前的涡游流区和绕大楼两侧的角流区。这些地方风速都要比平地风速大30％左右。这是因为风速是随高度的升高而迅速增大的，当高空大风在高层建筑上部受阻而被迫急转直下时，也把高空大风的动量带了下来。如果高楼底层有风道，则这个风道口处附近的风速可比平地风速大2倍左右。
      当风接触高大建筑物时，其迎风面，气流被抬升；背风面，气流则下降。下冲的风与建筑物两侧绕流而过的风汇合后会形成强风。如果两座建筑距离太近，风通过中间的夹缝，受到楼与楼之间狭窄通道的挤压，便会产生“夹道效应”，就形成了更大的强风。风在爬升高层建筑物顶部和穿越两侧以后，在高楼的背风面形成涡流风区和空腔区，涡流风区是风害的多发区，它不均匀、又无规则、还随机变化。涡流风区大小与建筑物的几何尺寸有关，一般是建筑物几何尺寸的4-5倍，超过这个尺寸就不会受到涡流乱风的滋扰。如果涡流区还存在着其他建筑，就会受到涡流乱风的影响。轻者会造成高楼上门窗玻璃和屋顶搭建物的震动和破裂，重者足以对人和物造成伤害与破坏。
      2  建筑环境的风能利用
      2.1  风能利用的优点
      随着全球能源危机的加剧，可再生的绿色能源的开发势在必行。风能作为一种无污染、可再生的清洁能源在具有风力资源的地区应该得到重视。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。理论上仅1％的风能就能满足人类能源需要。风能利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能，其具体用途包括：风力发电、风帆助航、风车提水、风力致热采暖等。其中，风力发电是风能利用的最重要形式。风力发电具有很大的优越性：首先，它不需要消耗煤、油等燃料或核材料；其次，风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。另外，风能越来越得到重视的另外一个重要原因是成本显著降低。这跟相比，风能在价格上与煤炭和天然气相比具有很强的竞争力。
      2.2  建筑环境中的风能利用
在风力资源丰富地区，探讨在建筑密集的城区或者利用建筑物的集结作用进行风力发电和风能利用，成为目前国际上的前沿课题。在建筑环境中发展风力发电有免于输送的优点，把风能和太阳能与建筑结合成一体，可以发展绿色建筑或零能耗建筑。目前国内外的研究主要是以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。
      2.2.1  国内外研究现状
      在城区利用风力发电，英国和瑞典从2001年开始进行了项目策划，并实施了一些个别工程。荷兰Delft技术大学和荷兰能源研究中心开展了“Wind energy solutions for the built environment”的研究项目，建造了平板型集中器模型建筑。英国的BDSP、皇家工学院以及德国的斯图加特大学联合承担了欧盟资助的项目“Wind Energy in the Built Environment”，在英国的CLRC RUTHERFORD APPLETON LABORATORY建造了风能集中器建筑模型。研究人员目前正致力于专门用于风能建筑的HAWT风力透平的设计和制造工作中。也有利用排风系统安装风力透平的实例。英国科学家建造了屋顶风能系统。利用屋顶对风力的强化效应，在房顶上安装垂直或水平轴流风力透平。屋顶上还可以布置太阳能装置，与风能系统集为一体[1]。德国学者还发展了一些非常规的建筑用透平，尝试与建筑物一体的风能利用。
      但是，我国的城市建筑中利用风能的研究还刚刚起步，实例工程更是鲜有报道。在能源危机以及电力输送中电力耗损两大难题的困扰下，风能怎样在城区、建筑群中利用成为亟待开发的项目。
2.2.2  研究的方法
      通过理论分析、数值模拟和实验研究以及示范工程相结合的方法，探讨在当地气候条件下建筑环境中风力资源的利用，分析风力丰富的市区上空风力发电的可行性，并尝试以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。
由于城市建筑物的干扰，风速局部减弱、同时局部增强和紊流加剧的特点，如何利用流体动力学的基本原理和计算流体动力学（CFD）技术，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，建立空气动力学集中器，得到最佳的气流组织，找到合适的风能——机械能转换装置的部位，是风能在建筑中利用的关键所在。
      2.2.3  三种基本的空气动力学集中器
利用流体动力学的基本原理和计算流体动力学（CFD）技术，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。拟定利用CFD探讨市区或建筑物的风能利用问题。根据市区由于建筑物的干扰，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 plat型和Bluff Body型[2]，采用权威CFD模拟软件来数值分析各种集中器的流体流动性能，以探讨最佳的风能场。采用有效的湍流模型，以三种基本的建筑形式为基础，设计不同形状的建筑物，分析建筑物内空气流动的基本状况，定量给出场内的速度分布、压力分布、风能场分布。试图找出对应最佳的风能场的建筑物结构外型，促使风力发电的可能性得以实现。
      3  城市楼群风的风能利用
      3.1 城市群楼风能利用的设想
在建筑环境中利用风能，目前研究较多的主要是两种方式：(1) 在建筑物顶上放置风机利用屋顶上较大的风速，进行风力发电；（2）将建筑物设计为风力集中器型式，利用风在吹过建筑物时的风力集结效应，将风能加强进行风力发电。
目前的研究只是考虑对单个建筑物的风能利用，而大城市中高层、超高层建筑鳞次栉比，而且布局比较集中，对建筑风环境影响很大，如前文所述，城市风环境对人们的生活和工作都有一定的不利影响。因此在进行城市规划和设计时应充分考虑，尽量减少城市风灾害。同时，也可以考虑利用在高层建筑群中较大的风能，如在两座高层建筑物之间的夹道，高层建筑两侧等，风速大的位置，放置风力发电机，变害为宝。这些风力发电机除向周围建筑物供电外，还可以用于城市的照明亮化,比如可以做成路灯形式的，为路灯照明提供电力，也可以放置在广告牌上，与周围环境十分协调。
      3.2数值算例
      就本文研究的问题而言，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。
      在写出控制方程之前，作如下基本假设[3]：
      (1)流体是不可压缩的；
      (2)流体为Newton流体，忽略粘性耗散；
      (3)流体在固壁上无滑移；
      (4)流体是各向同性的；
(5)流动为稳态情况。
由于所计算的区域比较复杂，风绕建筑物的流动是湍流、分离流、三维流动，空气动力学在理论上还难以解决这种复杂的流动问题，当前研究的主要方法是利用流体动力学的基本原理和计算流体动力学（CFD）技术，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。计算机数值模拟是在计算机上对建筑环境中的空气流动及相关的流体动力学问题进行数值求解（通常称为计算流体力学CFD），从而仿真实际的风环境；由于近年来计算机运算速度和存储能力的大大提高，对建筑风环境这样的大型、复杂问题可以在较短时间内完成数值模拟，并且可借助计算机图形学技术将模拟结果形象的表示出来，使得模拟结果直观，易于理解。
3.2.1  几何模型和边界条件
本文以一个假设的高层建筑群为例，来说明城市楼群风的风速分布及风能分布的特点。假设的高层建筑群如图2所示，建筑群由6个高层建筑组成，建筑高度从80m到160m不等。此建筑群所在地的夏季主导风向为东南偏南方向，平均风速为4.9m/s。本文以稳态的雷诺时均Navier－Stokes方程为基础,采用标准 双方程紊流模型进行封闭的模拟方法。
风吹过地面时，受到地面上的各种粗糙元（草、庄稼、森林、房屋建筑等等）产生的摩擦阻力作用而使风的能量减少因而风速减小，减小的程度随离地面的高度的增加而降低，形成上大下小的风速剖面，这一层受地球表面摩擦阻力影响的大气层称为大气边界层。不同的地面条件产生的大气边界层具有不同的特征，大气边界层特征主要包括平均风速剖面、湍流结构和温度层结构等几个方面，大气边界层风速剖面符合幂指数分布规律[4]，即：
                                                    （1）
式中的 是参考高度及其相应高度处的风速； 分别是计算区域内的某高度和对应高度的平均风速；  为地面粗糙度指数。各种下垫面的 和 值见表1[5]。

表1 不同地貌粗糙度下风速随高度变化系数

地貌 海面 湖面 空旷平原 一般田野 乡村 城镇 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

      本文假设该建筑群所在地的地面粗糙度 ＝1m，地面粗糙度指数 ＝0.3。
      3.2.2  数值计算结果及分析
      3.2.2.1 风速分布
大气边界层风速剖面符合幂指数分布规律，随着高度的增加，风速增大。在高层建筑密集的地区，由于高低大小不等的建筑物的阻挡，在街道中及两幢大楼之间就像山区中的风口，流线密集，风速加大，如图3所示，为10m及20m高度截面的风速分布图。
      3.2.2.2  风能密度分布
风能的利用主要就是将它的动能转化为其他形式的能，因此计算风能的大小就是计算气流所具有的动能。在单位时间内流过垂直于风速截面积A（m2）的风能，即风功率为（2）
式中： 为风能，单位W； 为空气密度，kg/m3；v为风速，m/s。为了衡量一个地方风能的大小，评价一个地区的风能潜力，风能密度是最方便和有价值的量。风能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能，即（W/m2）（3）
10m及20m高度截面的风能密度分布如图4所示，风能密度与风速成幂指数关系，风速大的地方，风能密度必然大，从图中可以看出，在此建筑群中，两个建筑物之间的夹道及建筑的角部有相当数量的风能是可以利用的。在这些地方可以布置一定数量的风力机，以充分利用高层建筑群中丰富的风力资源。
      4  结论
      由于建筑物而造成的楼群风十分复杂，它的形成与风资源环境、楼群布置密切相关。这种风不仅影响人们的生活环境和居住环境，而且当遇到风灾、火灾时，往往会助纣为虐，成为现代都市的一种公害。因此在城市规划和设计高层建筑时，要充分考虑风对建筑环境的影响，把城市中的楼群风害消灭在设计与试验之中，对已经存在的危害行人的风环境，进行一些防风隔断的设置，加以改进。
同时，还可以考虑利用楼群风的风能进行风力发电，变害为宝，放置在建筑物周围的风力发电机除向周围建筑物供电外，还可以用于城市的照明亮化,比如可以做成路灯形式的，为路灯照明提供电力，也可以放置在广告牌上，与周围环境十分协调。与建筑物一体的风力发电系统，一方面获得电能供应建筑本身，建成绿色建筑体系或零能耗建筑，为大批量发展风力提供示范和经验；另一方面有望成为城市的标志性景观，促进市民对绿色能源和环境保护的概念的形象认识。