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风暴魔域挂机快速刷魔石快速刷幻兽攻略:超高層建筑和風力發電一體化設計探析

時間:2019-05-16 來源:華中科技大學 作者:李雪琪 本文字數:8551字
  摘 要
  
  超高層建筑與風發一體化設計是將建筑利用與空氣動力學相結合之技術。本課題受到集風效應的啟發,側重于如何通過建筑設計的手段使超高層建筑本身能集中風能。整個研究將超高層建筑設計成能集結風能的形態,人為地使建筑風通道內的氣流由粗到細,以加速風的流動,找到一種提高風能發電效率和發電量的方法。
  
  本文以全世界范圍內的超高層建筑為研究對象,圍繞基本建筑形態對風能利用的影響展開了如下的工作。首先,針對風電場的風能評價指標、建筑環境中的風資源以及應用潛力評價指標進行了介紹,并根據案例收集和文獻閱讀,系統地總結了利于風能利用建筑的三種基本形式。其次,通過武漢地區氣候特征的數據搜集,對武漢市風能利用潛力進行了評估,通過不同建筑形式的實地實測,考證了建筑環境中風力發電切實性和實際操作可能性。然后,解釋了CFD數值模擬方法和軟件的選擇,使用Fluent對兩種點式超高層的風資源進行數值模擬,分析它們對風力發電機的產能和產能效率的影響因素,提出了在超高層建筑上有利于集風的風力發電機的安裝位置。

超高層建筑和風力發電一體化設計探析
  
  具有較高的風速并且具有較低的湍流強度的位置適合安裝風力機;評價時要結合兩個數值綜合判斷。(1)超高層點式建筑平屋頂形式建筑,若在屋頂上設計成擋風墻的形式,風通道的風速加強效果與幾個因素相關,包括擋風墻高度、擋風墻厚度、風通道的擴散角度、風通道的形式及風向角相關。風速加強的效果隨著擴散角的增大先增大后減小,同時隨著擋風墻厚度的增加,風通道內的風速增強效果先變大后減小,圓弧形態的風通道可以更好的加強風速。(2)超高層板式建筑,風通道的風速加強效果除了上訴因素相關外,還與風通道設計的高度及入流口的形態相關,風機安裝高度為建筑總高度的4/5時,且入流口的形態為弧形時,風速加強效果明顯。(3)擴散型雙塔超高層建筑,風通道的風速加強效果除了上訴因素相關外,還與風通道內風力機安裝高度相關。(4)建筑風通道的最佳朝向為面對主導風向各偏正負22.5°的范圍。
  
  關鍵詞:  超高層建筑風環境、建筑形體設計策略、CFD、風能利用。
  
  ABSTRACT
  
  The integration of wind energy utilization and skyscraper design is the amalgamation of progressive building technology, energy utilization and wind power generation. This integration turns the building body into the wind energy carrier. This topic focuses on how we can raise the wind power generation by using the methods of building design to make the skyscraper as the wind concentrator to increasing the wind power generation.
  
  This article takes the skyscraper around the world as the research object. The main works of the research about influence of basic skyscraper architectural forms on windenergy use are as follows. Firstly, the evaluation indexes of wind resources and the wind resources in the built environment were introduced, and the general rules of thedistribution of wind resources in the built environment and evaluation indicators of building wind energy utilization efficiency were summarized. Secondly, based on casecollection and literature reading, three basic forms that facilitate the use of wind energy in skyscraper are systematically summarized. A brief introduction to different skyscraper architectural forms suitable for placing different types of wind generators. Thirdly,through the data collection of climate characteristics in Wuhan, the wind energyutilization potential of Wuhan City was evaluated. Through the field measurement of different architectural forms, the feasibility and practical operation possibilities of windenergy utilization in the built environment were demonstrated. Then, the choice of CFD software is introduced. Finally, using Fluent to numerically simulate the wind resourcesof two kinds of super high-rises, analyze their influencing factors on wind energy utilization, and propose the installation position of wind turbines that are conducive towind gathering in super high-rise buildings.
  
  The location with higher wind speed and lower turbulence intensity is suitable for the installation of wind turbine. The evaluation should be combined with two numericalcomprehensive judgment. (1) Point-type skyscraper with a flat roof of the building. If the roof is designed in the form with a windshield, the wind speed enhancement effect ofthe wind passage is related to several factors, ①including the height of the windshield,the thickness of the windshield, the diffusion angle of the wind tunnel, the form of thewind passage and the wind direction angle. ②Wind speed enhancement effect increases first and then declines with the increase of the diffusion angle. ③With the increase ofthe thickness of the wall, the wind speed in the wind channel increases first and then decreases. ④The arc shape of the wind tunnel can better enhance the wind speed. (2)Slab-type skyscraper. ① The wind speed enhancement effect of the wind passage is related to the design height of the air passage and the shape of the inlet as well as theappeal factor. ②The wind speed strengthens the effect is obvious, when the installed height of the wind turbine is 4 / 5 of the total height and the shape of the inlet is an arc. (3) Diffusion type double-tower skyscraper. In addition to being affected by the factors in conclusion (1), the wind speed enhancement effect of the wind tunnel is also related to the installation height of the wind turbine in the wind tunnel. The wind speed enhancement effect is obvious when the installation height of the wind turbine is 70% to 90% of the total height of the building. (4) The optimal orientation of the building wind tunnel is to face the dominant wind direction (north-east wind direction) to the north to the east by 22.5°.
  
  Keywords:   Skyscraper wind environment Building design CFD Wind energy utilization.
  
  1 緒論
 
  
  1.1 選題背景和來源。
  
  1.1.1 選題背景。
  
 ?。?) 超高層建筑迅猛發展。

  
  隨著時代的進步,人口密度的增長,土地資源越來越少,建筑空間的向上延伸有助于擴大居住空間,這促使更多超高層建筑的出現。得益于工業革命的科學技術發展,為建筑形式和高度的發展提供了可能。高層建筑的建設速度越來越快,依據“高層建筑與城市住宅委員會(CTBUH)1”的數據,經過 2013 年至 2017 年連續5 年的持續增長,世界上高度達到 200 米以上的建筑數量已達到 1319 棟,而在 2018年,超高層建筑數量預計超過 1500 個。超高層建筑數量的增加,體現了它發展勢頭正猛的趨勢。
  
 ?。?) 建筑能耗不斷增加。
  

  為了更好地解決現存的污染和能源問題,歐洲 HORIZON20202旨在用可再生清潔能源產生的電能能占總電力需求的 20%,而在歐洲單單建筑能耗已占歐洲總能耗的 40%。在中國,《能源發展戰略行動計劃(2014-2020 年)》提出:中國應減少非再生的常規能源的使用,宣傳使用和發展可持續清潔低碳能源。由于中國建筑消耗的能源約占全國能源總消耗 33%4,使得降低建筑物所需的能源成為首要需要解決的問題,使建筑能為自己產生所需的能量,是減少社會總能耗的優先考慮方向。
  
  在傳統的建筑設計及城市規劃的實踐中,建筑師通常把大部分的精力集中在總平面圖的規劃、功能的布局及建筑造型的設計上,缺乏對于室外風資源的關注,較少考慮高密度超高層建筑能耗的問題[1]。
  
  (3) 各類環境問題突出。
  
  這 100 年來我國年平均地表氣溫顯著變高,在我國罕見的氣象事件發生概率和厲害程度呈現了明顯的改變[2]。據氣象專家分析中國近幾年的溫度上升可能與溫室效應有關。減緩地球的溫升的實質措施是減少化石能源的使用,以減少二氧化碳的排放,進而促進能源安全和經濟結構調整[2]。
  
  風能同太陽能一樣是儲量豐富的清潔且可再生的能源,風力發電作為風能利用中將風能轉化為電能成熟技術的一種,應被鼓勵大力發展。近幾年中國的風力發電的成長勢態良好,隨著《可再生能源法》的出臺,風能利用將會成為如今的重頭戲,并成為電力工業的組成部分5。對于用電量較大的中部城市地區,由于風能資源的不充足,在中部地區如何利用城市中的風能資源成為一個值得讓人深入研究的課題。
  
  風資源的豐富與否對風力發電機的發電量的作用很大,也與發電所需要的成本掛鉤。在同樣情況下,與年均風速 8m/s 的地區相比 6m/s 的風電場發電成本會低30%左右[4]。對于建筑行業考慮到震動、噪音和空間等問題,一般使用小型或微型風力發電設備。本文探討了對于建筑密度較大的城市區域,適用于世界范圍,利用建筑物本身的形體和高度以提高風速并增加風力發電效果。文中介紹了基礎理論、對實際案例進行了分析、采用實測和數值模擬相結合的方式,探究增強風力發電機的發電效率的建筑形態。此項研究工作不但有學術的前瞻性和實際工程推廣的可能性,可緩解一部分傳統能源日益緊張的供需關系。本文將關注世界范圍內,超高層建筑適合于風力發電的形態優化設計,討論風力發電機與不同的超高層建筑形式相結合的方式,降低建筑物對傳統能源的需求,以一種能為未來超高層建筑的風力發電一體化的設計提供參考的分析模擬研究。
  
  1.1.2 課題來源。
  
  本課題系華中科技大學建筑與城市規劃學院國家自然科學基金重點項目《城市形態與城市微氣候耦合機理與控制》的子課題之一。
  
  【由于本篇文章為碩士論文,如需全文請點擊底部下載全文鏈接】
  
  1.2 本課題研究目的和意義
  1.2.1 研究目的
  1.2.2 研究意義
  1.3 國內外研究現狀分析
  1.3.1 關于建筑風環境的相關研究
  1.3.2 關于建筑上風能利用的相關研究
  1.3.3 關于適用建筑風力發電機的相關研究
  1.3.4 文獻評述
  1.4 研究范圍、內容與方法
  1.4.1 研究范圍
  1.4.2 研究內容
  1.4.3 研究方法
  1.5 論文框架
  
  2 風環境基礎理論概述以及適合風力發電建筑的基本形式
  
  2.1 風能利用相關風能要素和基本概念
  2.1.1 風能利用基本概念
  2.1.2 基于測風數據的風能要素
  2.2 風力發電潛力分析
  2.2.1 第一指標
  2.2.2 第二指標
  2.3 建筑環境中的風資源
  2.3.1 大氣邊界層與平均風剖面
  2.3.2 建筑環境中的風場特點
  2.4 實踐案例研究與總結
  2.4.1 實際案例介紹
  2.4.2 風力機與高層建筑結合的方式
  2.4.3 風力發電與建筑結合的建筑高度研究
  2.5 本章小結
  
  3 武漢高層建筑調研
  
  3.1 武漢氣候特征與風環境特點分析
  3.1.1 武漢地理氣候特點
  3.1.2 武漢氣象條件
  3.1.3 武漢風環境特征分析
  3.1.4 武漢市風能利用潛力評估
  3.2 實測概要
  3.2.1 實測對象及測試點布置
  3.2.2 實測儀器與設備
  3.2.3 實測時間與氣象數據
  3.2.4 氣象條件
  3.3 實測結果
  3.3.1 建筑屋頂上的實測模擬結果(龍陽熙苑住宅樓屋頂)
  3.3.1 兩棟建筑之間的實測模擬結果(湖北科教大廈連廊)
  3.3.2 建筑開口中的實測模擬結果(同成廣場 A 座一單元商業裙房天臺)
  3.4 本章小結
  
  4 適合風力發電高層建筑基本形體的 CFD 數值模擬研究
  
  4.1 CFD 數值模擬方法
  4.1.1 CFD 簡介
  4.1.2 基本控制方程
  4.1.3 模擬湍流方法
  4.1.4 風環境模擬軟件的選擇
  4.2 Fluent 數值模擬計算過程
  4.2.1 數值模擬的基本假定
  4.2.2 幾何模型的建立及網格的劃分
  4.2.3 湍流模型的選取
  4.2.4 邊界條件的設定
  4.3 實測和模擬數據驗證
  4.4 本章小結
  
  5 建筑屋頂形式的優化設計研究
  

  5.1 建筑屋頂基準案例選取
  5.2 建筑屋頂模擬方案與設定
  5.2.1 屋頂擋風墻高度變化的工況設定
  5.2.2 屋頂擋風墻風通道大小變化的工況設定
  5.2.3 屋頂擋風墻漸縮漸擴型風通道擴散角度變化的工況設定
  5.2.4 屋頂擋風墻厚度變化的工況設定
  5.2.5 屋頂擋風墻漸縮漸擴型風通道形態變化的工況設定
  5.3 數值模擬結果及分析
  5.3.1 屋頂擋風墻高度變化對集風效果的影響
  5.3.2 屋頂擋風墻風通道直徑大小對集風效果的影響
  5.3.3 屋頂擋風墻漸縮漸擴型風通道擴散角度對集風效果的影響
  5.3.4 屋頂擋風墻厚度對集風效果的影響
  5.3.5 屋頂擋風墻風通道弧度對集風效果的影響
  5.3.6 風向變化對集風效果的影響
  5.4 本章小結
  
  6 單體中部開洞建筑的優化設計研究
  
  6.1 單體中部開洞建筑基準案例選取
  6.2 單體中部開洞建筑模擬方案與設定
  6.2.1 樓體形狀變化的工況設定
  6.2.2 樓體風通道高度變化的工況設定
  6.2.3 風通道截面變化的工況設定
  6.2.4 流線型風通道弧度變化的工況設定
  6.2.5 風通道入流口弧度的工況設定
  6.3 數值模擬結果及分析
  6.3.1 樓體形狀變化對風壓的影響
  6.3.2 樓體風通道高度對集風效果的影響
  6.3.3 不同風通道截面對集風效果的影響
  6.3.4 流線型風通道弧度對集風效果的影響
  6.3.5 風通道入流口弧度對集風效果的影響
  6.3.6 風向變化對集風效果的影響
  6.4 本章小結
  
  7 雙塔建筑形式的優化設計研究
  
  7.1 雙塔建筑基準案例選取
  7.2 雙塔建筑模擬方案與設定
  7.2.1 風通道擴散角變化的工況設定
  7.2.2 風通道寬度變化的工況設定
  7.2.3 風通道弧度變化的工況設定
  7.3 數值模擬結果及分析
  7.3.1 風通道擴散角對集風效果的影響
  7.3.2 風通道寬度對集風效果的影響
  7.3.3 風通道弧度對集風效果的影響
  7.3.4 風機在風通道內安裝高度對集風效果的影響
  7.3.5 風向變化對集風效果的影響
  7.4 本章小結

风暴魔域挂机刷魔石,快速培养幻兽升星教程 www.awyiy.icu   8、總結

  利用超高層建筑物增加風力發電機對風能的利用效率,以降低建筑物的能耗是一個值得讓人深入研究的課題。要充分利用建筑設計的手段使超高層建筑本身成為風能集中器來提高風力發電機的發電量。同時考慮如何將超高層建筑設計和風能利用設計有機結合,實現零距離運輸能源,達到降低建筑能耗的實際意義。本文通過研究風資源,通過實地調研與實測驗證了高層建筑環境中可以通過建筑形體設計的手法增大風速、增加發電量提高風力發電機的發電效率,同時證明了 Fluent 對于建筑周圍環境中空氣流動和風況數值模擬的適用性。運用 Fluent 數值模擬方法分析了利于風能利用的超高層建筑基礎模型的分析,提出了適合風力發電的建筑基本形體優化設計策略。

  本文研究得到的主要結論如下:

 ?。?) 判斷適合安裝風力機設置地點的方法有兩種,一是具有較高的風速,二是具有較低的湍流強度;評估時要結合兩個數值綜合判斷。因為較大的風機需要較高的啟動風速,并且較高的風速水平可以增加風力機的發電量和發電效率。而較低的湍流強度,較為平穩的氣流模式能使風力發電機的使用壽命更長,增加風力發電機的發電年限。

 ?。?) 可行性研究階段通過對武漢標準年風數據的分析處理,采用 JGJ/T 346-2014《建筑節能氣象參數標準》里的湖北省武漢市標準年氣象數據,推算代表年各風能要素。武漢 10m 高年平均風速、風功率密度分別為 2.13m/s 和 5.87W/m2。武漢全年盛行東北偏東風主要出現在冬季,全年武漢風能密度較大分布方向總體為 NE、N、E,實測空氣密度為 1.216kg/m3。 武漢全年有效風速 3 至 25m/s 小時數為 1601h 占全年的18.28%,在300m 高年有效風速3至 25m/s 小時數為的3760h,占全年的 42.92%以上數據表明本風電場有效風時數較高。

 ?。?) 通過將實測得到的風速值與模擬所得風速值進行對比,武漢市三棟建筑實測風速值與模擬所得的值比較一致,驗證了數值模擬的準確性,足以證明 Fluent 軟件具有較強的適用性。

 ?。?) 超高層建筑平屋頂形式建筑 在增設擋風墻的情況下,面對武漢市主導風向時模擬結果表明:①增加擋風墻的設計方式雖沒有明顯風速加強的效果,但從等風速線圖和湍流強度的來看,擋風墻上風通道有較明顯的匯聚風能的作用;②增大擋風墻上的風通道直徑能有效地增大風速加強的效果。在擋風墻上增加直徑為 14m 至18m 的風通道風速加強的效果較好,并且適合安裝風力發電機的區域較多,中后沿點均可安裝風力發電機。風力加強效果最好的風通道直徑選擇是 16m,安裝位置選擇在中后沿范圍內,風速加強效果最好;③改變擋風墻風通道的截面設計改為漸縮漸擴型截面后能有效地增大屋頂上的風速,隨著擴散角的增大擋風墻風通道內迎風中間區域的風速先增大后減小,而湍流強度則隨著擴散角度先增大后減少。風通道的擴散角度為 10°至 25°時,中后沿均適合安裝風力發電機,且有較好的風力加強效果。在風通道擴散角度為 15°且風力機安裝位置為中點平面時,集風效果最好。在風通道擴散角度為 25°且風力機安裝位置為后沿 D 點時,集風效果最好;④隨著擋風墻厚度的增加,風通道內的風速增強效果先變大后減小,當墻體的厚度到達30m 時,中點 C 點達到最大的增強效果,最多可以增加 30%的風速;⑤風通道圓弧半徑為1m至7m時,中點風速普遍得到了不同程度的加強效果。圓弧半徑為7m時,風速加強的效果最為明顯,風速增加了 3%左右。風通道截面改變為弧形截面也不會產生對風力發電機安裝不利的湍流產生;⑥建筑的風通道最佳朝向為面對主導風東北北向北向東各偏 22.5°,不會影響擋風墻風通道內風速加強的效果,并且也不會產生不利于發電機的湍流,造成不利的影響。

 ?。?) 超高層板式中部開洞建筑 在面對武漢市主導風向時模擬結果表明:①三種不同的建筑形態中,均在建筑高度的 4/5 處達到大的風壓差。故最利于氣流流動的建筑高度為總高度的 4/5 處。建筑迎風面中部風壓作用下氣流流通的效果好于建筑物兩側的;②在樓體中間開設風通道有明顯風速加強的效果,但從等風速線圖和湍流強度表格來看,由于入流口的形態和入流口的大小,雖加強了風通道入流口處的風速,但過大的湍流強度會對建筑及安裝的風力機產生不可逆的損害??梢醞üㄖ翁?,細部形態的設計來減緩湍流強度過大的情況;③風通道的截面設計改為漸縮漸擴型截面后能有效地增大通道內的風速,隨著擴散角的增大風通道內迎風中間區域的風速增強效果先好后弱,而湍流強度則對擴散角度變化不敏感,僅在擴散角度為 15°至 20°時,在后沿點會產生不利的湍流。風通道的擴散角度為 5°至 30°時,中后沿點均適合安裝風力發電機,且有較好的風力加強效果。在風通道擴散角度為10°且風力機安裝位置為中點時,集風效果最好。在風通道擴散角度為 25°至 30°且風力機安裝位置為后沿點時,集風效果較好;④當風通道圓弧半徑為 1m 至 9m時,中點的風速普遍得到了不同程度的加強效果,與圓弧半徑為 0°時相比風速增加了 5%左右。風通道截面改變為弧形截面也不會產生對風力發電機安裝不利的湍流產生。在建筑底部和周圍建筑群之間產生不利于人群生產生活的紊流,產生過大的風速。故在建筑底部宜采用連接體設計,?;そㄖ撞啃兇叩娜巳?;⑤建筑的風通道最佳朝向為面對主導風東北向向北向東各偏 45°。

 ?。?) 雙塔超高層建筑 在面對武漢市主導風向時模擬結果表明:①在增加擴散角度后,擴散角度為5°至40°時,風通道內部分風速值均高于沒有擴散角度的風速,隨著擴散角度的增大雙塔間中間區域(即H點所在平面)的風速先呈現遞增隨后遞減的趨勢,而湍流強度則均呈現較小的強度值。湍流值均在0至0.03之間浮動。在風通道擴散角度為15°且取值為中點時,集風效果最好。綜合考慮風速、風速增大系數、湍流強度等參數,風通道擴散角度?為5°至25°且風力機放置在G、H、I、J點時的發電效率較高;②隨著雙塔間風通道寬度的增加風速加強的效果逐漸不再明顯,而湍流強度則一直屬于低湍流區域。風通道寬度為12m且風力機安裝位置為中點時,風速加強效果最好。綜合考慮風速、風速增大系數、湍流強度等參數以及風力機的放置,風通道高度為12m至36m且風力機放置在中點發電效率較高;③隨著雙塔間風力機安裝高度的增加風速加強的效果先增大后減小,湍流強度也不會隨著風力機安裝高度的變化而改變,風通道寬度為12m且風力機安裝高度為260m且位置為中點時,風速加強效果最好,湍流強度低,最適合安裝風力發電機。綜合考慮風速、風速增大系數、湍流強度等參數風力機安裝高度為200m至280m且風力機放置在中點發電效率較高,風力機壽命較長。最后由于行人高度風速較大,易對人群造成不必要的傷害,故在雙塔型建筑設計時,宜在雙塔建筑底部設計封閉的裙房,?;に湫兇叩娜巳?;④隨著雙塔間風通道圓弧半徑的增加在超過半徑7m風速加強的效果逐漸不再明顯,風通道圓弧半徑為7m且安裝風力機位置為中點時,風速加強效果最好,湍流強度低,最適合安裝風力渦輪機。綜合考慮風速、風速增大系數、湍流強度等參數以及風力機的放置,風通道有圓弧的形體都可起到優化風通道內風況的作用;⑤超高層建筑有多種平面形式,無論何種平面形式,關鍵的是利用建筑形體形成狹道,讓風通過的地方由寬變窄,起到提高風速的作用。與方形和角形的風通道形狀相比,弧形的風通道能更有效的提高風速;⑥建筑的風通道最佳朝向為面對主導風東北北向北向東各偏22.5°,不會影響雙塔間風通道內風速加強的效果,并且也不會產生不利于發電機的湍流,造成不利的影響。

 ?。?) 對于世界范圍內的其他地區,以上的六條結論同樣能對其他地區風力發電一體化建筑設計進行指導,作為他們的設計依據。

  參考文獻

    李雪琪. 超高層建筑集風效果研究[D].華中科技大學,2019.
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