陳 濤

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散器和建筑洞口融合的研究

陳 濤

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

探討風(fēng)電建筑設(shè)計(jì)原理，根據(jù)國外建筑洞口風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的案例，結(jié)合課題組風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散器的研究，提出風(fēng)電建筑物跟擴(kuò)散器“虛實(shí)結(jié)合”的設(shè)計(jì)理念，為建筑師對建筑布局及可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)提供參考。

風(fēng)力發(fā)電;可再生能源;可持續(xù)建筑

一、引言

由于環(huán)境危機(jī)和能源開采日益嚴(yán)重，風(fēng)能等可再生能源的利用已經(jīng)逐漸引起國家的重視，建筑節(jié)能已經(jīng)成為大家的共識，建筑風(fēng)電成為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)新的發(fā)展方向。

目前，國內(nèi)外建筑風(fēng)電利用的案例還比較少，在建筑洞口設(shè)計(jì)安裝風(fēng)力機(jī)的案例更加匱乏?，F(xiàn)有的建筑洞口風(fēng)電設(shè)計(jì)比較粗糙，本文基于風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散器方面的知識，對風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散型建筑提出研究設(shè)想，提出擴(kuò)散器“虛實(shí)結(jié)合”的設(shè)計(jì)理念，希望在改善風(fēng)速較低區(qū)域的風(fēng)力機(jī)使用情況，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的“隨風(fēng)而動”。

二、建筑洞口風(fēng)電設(shè)計(jì)

(一)建筑風(fēng)資源特點(diǎn)

人類居住生活的建筑物普遍分布在大氣邊界層內(nèi)，由于地表摩擦等因素的影響，平均風(fēng)速一般隨高度的變化而發(fā)生變化。而區(qū)域風(fēng)速的大小又受到建筑物密集程度的影響，建筑物密集程度大的區(qū)域風(fēng)速比較小，而建筑物密集程度小的區(qū)域風(fēng)速比較大。

(二)建筑洞口風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)原理

受到地表摩擦和建筑物遮擋等因素的影響，在同一高度下，一般情況大都市中心地帶的風(fēng)速小于城市郊區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的風(fēng)速，鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城市郊區(qū)的風(fēng)速又小于平原、沿海地帶建筑群周圍的風(fēng)速。不同區(qū)域風(fēng)速存在差異，不同的建筑分布有可能給局部風(fēng)速帶來強(qiáng)化的作用。建筑洞口風(fēng)力

發(fā)電設(shè)計(jì)就是利用建筑群周圍的風(fēng)資源，在洞口處安裝定向式風(fēng)力機(jī)，從而盡可能的開發(fā)利用風(fēng)資源，滿足居民住宅的用電需求，減少電力運(yùn)輸成本和運(yùn)輸過程中帶來的損耗，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電“就地生產(chǎn)、就地消化”。

(三)建筑洞口風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)案例

1.邁阿密COR生態(tài)樓

美國佛羅里達(dá)州邁阿密COR項(xiàng)目項(xiàng)目面積為48萬平方英尺，由建筑師乍得奧噴海姆建筑+設(shè)計(jì)事務(wù)所設(shè)計(jì)而成。COR生態(tài)樓是邁阿密市第一個(gè)多功能可持續(xù)性建筑，大廈25層，耗資4000萬美元，是生態(tài)學(xué)、建筑學(xué)和結(jié)構(gòu)技術(shù)三者的結(jié)合，有著住宅、商業(yè)、辦公、休閑等功能。該項(xiàng)目采用了多項(xiàng)新能源技術(shù)，重視對風(fēng)能、太陽能的開發(fā)利用。

2.倫敦“電須刀”公寓樓

倫敦建造世界首個(gè)渦輪風(fēng)電摩天公寓樓，這棟公寓樓名字叫做Strata，因?yàn)槠渫庑魏碗妱犹觏毜稑O為相似，所以當(dāng)?shù)厝嗣榔涿麨椤半婍毜丁?，整個(gè)公寓樓高約148米，在其頂部建筑洞口安裝三個(gè)直徑大小為9米的渦輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以為整個(gè)公寓樓提供大約8%的用電量。

三、風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散器的優(yōu)缺點(diǎn)

(一)風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器的作用

風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率計(jì)算公式簡化為:P=P0Cp=0.5ρCpSV3式中:P0為氣流通過S截面無干擾時(shí)的功率，Cp為功率系數(shù)(Betz系數(shù))，ρ為空氣密度，S為截面面積，V為通過風(fēng)輪的風(fēng)速

理想工況下，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)功率系數(shù)最大為0.593。加裝風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器能增加通過風(fēng)輪運(yùn)行截面處的流量，從而提高通過風(fēng)輪的風(fēng)速。如果通過風(fēng)輪的風(fēng)速能提高6%，那么根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率的計(jì)算公式，輸出功率能提高19.1%。

為了對風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器的性能具體了解，課題組通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對漸縮漸擴(kuò)弧線型、漸縮漸擴(kuò)直壁型、單一漸擴(kuò)型3種類型的擴(kuò)散器進(jìn)行了流量比增益特性的研究，得到面積比相同、最小截面直徑

相同、形狀不同的3種類型擴(kuò)散器中漸進(jìn)漸擴(kuò)弧線型流量比增益最大，以及型號相同的擴(kuò)散器最小截面的流量隨面積比增大而提高的兩個(gè)結(jié)論。［2－4］

(二)風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器的雞肋問題

擴(kuò)散放大型風(fēng)力機(jī)雖然可以明顯提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出的功率，但是在實(shí)際的推廣應(yīng)用中卻面臨的幾大問題:

1.在風(fēng)力機(jī)上加擴(kuò)散器，會加大了風(fēng)力機(jī)對風(fēng)的阻力，增加額外的負(fù)載。另外，在不同程度偏航風(fēng)的作用下，也會對風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。

2.在風(fēng)力機(jī)上加擴(kuò)散器，額外的重量會使塔架的負(fù)荷加大。另外，擴(kuò)散器的制造與安裝會使得風(fēng)力機(jī)發(fā)電組的成本增加。

3.相較于在風(fēng)力機(jī)上加擴(kuò)散器來說，增加風(fēng)力機(jī)葉片長度通常價(jià)格上更加劃算，輸出功率也更容易提高。

4.如果在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝擴(kuò)散器，就需要直徑十多米甚至數(shù)十米的擴(kuò)散器安裝塔架上，費(fèi)用將會變得十分高昂，同時(shí)需要提高風(fēng)力機(jī)安全穩(wěn)定性，增加維護(hù)和維修成本。

四、風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散型建筑設(shè)計(jì)隨想

風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器在實(shí)際應(yīng)用中，存在各種雞肋問題，影響著它在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電市場上的推廣，但是擴(kuò)散器的確有增大風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率的優(yōu)點(diǎn)。通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，我們知道漸進(jìn)漸擴(kuò)型擴(kuò)散器流量比增益比普通擴(kuò)散器好，增大面積比可以增加擴(kuò)散器最小截面流量。如果能夠?qū)L(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器的優(yōu)點(diǎn)和建筑洞口的優(yōu)勢結(jié)合起來，不僅能解決擴(kuò)散器應(yīng)用面臨的雞肋問題，更能提高建筑風(fēng)電系統(tǒng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸輸出功率。

“虛實(shí)結(jié)合”。由于不同區(qū)域地表摩擦等因素不同，相同高度下，平原沿海地帶平均風(fēng)速通常大于鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城市郊區(qū)地帶，鄉(xiāng)鎮(zhèn)及城市郊區(qū)地帶的平均風(fēng)速通常大于大都市中心地帶。一些區(qū)域風(fēng)速相對較低，原本不滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的需求，如果能夠?qū)L(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器理念融入建筑群中，將擴(kuò)散器外形“虛”化，通過建筑群的擴(kuò)散型布局，將原本較弱的風(fēng)力進(jìn)行匯聚和強(qiáng)化，在一定的局部范圍內(nèi)形成滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行所需要的風(fēng)速。再將風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器“實(shí)”化到風(fēng)力發(fā)電機(jī)所要安裝的建筑洞口內(nèi)，對建筑洞口進(jìn)行擴(kuò)散器設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步增加建筑洞口最小截面的風(fēng)流量。將“虛”化的擴(kuò)散型建筑群布局安排和“實(shí)”化的建筑擴(kuò)散型洞口的結(jié)合，形成“虛實(shí)結(jié)合”，給傳統(tǒng)觀念上一些風(fēng)速較低、不適合風(fēng)力發(fā)電的區(qū)域帶來風(fēng)力發(fā)電的可能，實(shí)現(xiàn)真正意義上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的“隨風(fēng)而動”。

［1］艾志剛.形式隨風(fēng)－高層建筑與風(fēng)力發(fā)電一體化設(shè)計(jì)策略［J］.建筑學(xué)報(bào)，2009.05

［2］汪文，孫科，賈瑞博.風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器流場的數(shù)值仿真［J］.能源技術(shù)，2004.10(25卷第5期)

［3］汪建文，孫科.風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器數(shù)值模擬與理論計(jì)算的對比［J］.可再生能源，2004.06(第118期)

［4］汪建文，孫科，辛士紅，吳克啟.風(fēng)力機(jī)擴(kuò)散放大器的數(shù)值分析與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2005.12(第33卷第12期)

［5］趙丹平，徐寶情.風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論及方法［M］.北京大學(xué)出版社，2012年1月第1版

［6］Tony Burton等.風(fēng)能技術(shù) ［M］.科學(xué)出版社，2007

陳濤 (1993－)，男，瑤族，廣西桂林人，碩士研究生，研究方向:新能源應(yīng)用。