住宅布局對城市風能利用影響的數值模擬研究

梁春峰 郭春梅 李 偉 由玉文 陳 穎

1天津城市建設學院能源與安全工程學院

2天津建科建筑節能環境檢測有限公司

住宅布局對城市風能利用影響的數值模擬研究

梁春峰1郭春梅1李 偉1由玉文1陳 穎2

1天津城市建設學院能源與安全工程學院

2天津建科建筑節能環境檢測有限公司

以某住宅建筑群室外風速場研究為例，通過建立室外風場的數學和物理模型，應用專業CFD軟件FLUENT，綜合分析住宅建筑群兩種行列式和錯列式布局形式的室外風速分布情況和風能利用潛力。研究表明，建筑布局對風能分布有很大影響，行列式布局的樓間風大于錯列式，而錯列式布局的樓頂風能優于行列式。使用數值模擬方法對優化建筑布局來優化室外風環境和提高城市風能利用率有著顯著的指導作用。

住宅群體建筑布局數值模擬風能利用

0 引言

隨著全球能源危機的加劇，可再生的綠色能源的開發勢在必行。風能作為一種無污染、可再生的清潔能源在具有風力資源的地區應該得到重視[1]。風能利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉化為其他形式的能，其具體的用途很多，風力發電是其最主要的風能利用形式。目前，大規模風力發電用到的主要是野外風，而城市中的樓群風卻很少被利用，但隨著城市中住宅建筑的不斷增高，如何利用住宅建筑周圍的風能越來越受到人們的關注。

因此在規劃設計住宅建筑時應考慮充分利用建筑群中較大的風能，如建筑的屋頂，兩座建筑之間的夾道等風速被放大的地方，布置合適的風機，進行風力發電，充分挖掘風能潛力[2]。

1 數值模擬

本文采用FLUENT軟件進行CFD分析，FLUENT軟件可以模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，因而FLUENT能達到最佳的收斂速度和求解精度。

1.1 數學模型

標準k-ε模型是湍流流動的一種常用數學模型，由于考慮了穩態效應，因此本文采用標準RNG湍流模型進行數值模擬。該過程控制方程為式（1）～（4）[5～7]。

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb是由于浮力引起的湍動能k的產生項，對于不可壓縮流體Gb=0；YM由于在可壓縮湍流中，過渡的擴散產生的波動；C1ε，C2ε，C3ε為經驗常量；σk和σb分別為湍動能k方程和湍流耗散率ε方程對應的Prandtl數，Sk和Sε是自定義源項[7]。

1.2 計算區域和邊界條件設定

在進行建筑群風環境數值模擬時，計算區域的設定影響到模擬結果的準確性和計算量的大小，經過反復模擬分析，最后確定了計算區域的長度、寬度、高度分別為對應建筑群長度、寬度、高度的13倍、7倍、3倍。即本文的計算區域范圍為1430m×1120m×144m。

確定合理的邊界條件目的是讓模擬實驗更接近真實情況。通過該地區典型氣象年的氣象資料來確定風速和風向，作為模擬區域的輸入條件。在本文模擬計算中進口定義為速度邊界條件。假定氣流在計算流域內可以得到充分發展，流經出流面時已經恢復到無阻礙時的正常流動狀態，則出口定義為自由出流邊界條件。建筑表面和地面是固定不動、不發生移動的，故采用無滑移的壁面邊界條件。由于計算空間設定的足夠大，上面和側面的空氣流動不受建筑物的影響，設為自由滑移表面[8]。

2 物理模型和環境條件設定

2.1 物理模型的建立

本文主要探討模擬行列式和錯列式兩種基本住宅建筑布局的風能利用情況，各建筑尺寸相同，且都是正南正北布置。行列式建筑布局由9棟建筑組成，各建筑都是16層高層，層高3m，共48m高，前后排建筑之間以及同排建筑之間的距離都為40m，其平面布局見圖1；錯列式建筑布局即將第二排建筑整體移動至對應前排建筑夾道中間，其平面布局見圖2。

圖1 行列式布局

圖2 錯列式布局

為便于計算模擬，提高計算速度，利用相似性原理，將建筑物形態理想化為長方體，對實際模型進行簡化，建立本案A、B兩組模擬用模型，圖3為A組簡化后模擬用模型，圖4為B組簡化后模擬用模型。模型按實際尺寸建立，同時截取20m、40m高度處以及1-1、2-2、3-3三剖面的速度云圖進行分析，主要分析兩種建筑布局下，兩建筑之間的夾道和建筑頂部的風能分布情況。

圖3 行列式建筑簡化模型

圖4 錯列式建筑簡化模型

2.2 環境條件設定

該建筑模型的間距尺寸完全符合當地規范要求，滿足日常采光和日照要求，所以在此因素合理的情況下，只考慮以本案所在地區常年主導風向為南風，年平均風速為4.7m/s，作為模擬分析的環境氣候條件參數。

3 數值模擬結果及分析

風能密度與風速成冪指數關系，風速大的地方，風能密度必然大。風力發電是風能利用的主要形式，然而，風速大于3m/s時的風對于風力發電才有意義，這也對評價本案中的風能利用情況提供了依據。

3.1 兩種布局不同截面模擬結果及分析

從圖5中可以看出行列式布局模擬在20m高度處建筑群內部的最大風速為8.18m/s，40m高度處的為8.55m/s。而且超過3m/s的區域也要明顯地大于20m高度處。這說明了隨著高度的增加，風速就會越來越大，且兩建筑之間的“風洞效應”也會更強烈。從圖6中可以看出錯列式布局模擬在20m高度處建筑群內部的最大風速為7.98m/s，40m高度處的為8.45m/s。與圖5相對可以看出最大風速都有了減小，且在建筑群內部超過3m/s風速的面積也有很大縮減。這是由于風從前排建筑風口進入后，遇到了后排建筑的阻擋，風速減小且改變流動方向，這時在建筑之間不能形成強烈的局部風。

圖5 行列式布局模擬不同高度處速度分布云圖

圖6 錯列式布局模擬不同高度處速度分布云圖

3.2 兩種布局不同剖面模擬結果及分析

從圖7行列式布局的三個剖面的速度云圖對比可以看出，在樓頂上部的平均風速從剖面1到剖面3逐漸減小，這是由于風首先從南向吹過第一排建筑，即剖面1處風力最強，氣流遇到前排建筑的阻擋作用而逐漸變弱，導致了剖面2、剖面3處建筑的風速變小。從圖8中可以看出隨著風流動的方向，三剖面屋頂的平均風速也是遞減的，但可以清楚地發現剖面2屋頂上的風速減少得很小，這是由于第二排建筑受到前排建筑的影響很小，氣流穿過前排建筑直接流到第二排的緣故。觀察圖7和圖8，可以看出圖8的9棟建筑屋頂上的平均風速要大于圖7中的。由于建筑錯列式布置。前后排建筑之間的影響就會變小，氣流從南向風口進入，在南北通道內不能形成貫通，但在屋頂上部風力得到了加強，這也為風能利用提供了便利。

圖7 模擬行列式布局3個剖面的速度云圖

圖8 錯列式布局模擬3個剖面處的速度云圖

4 結語

通過對比本案中兩種住宅建筑布局的風速模擬結果，分析各自的風能分布情況，可以得出以下結論：

1）相比于錯列式建筑布局，行列式建筑布局形式在建筑之間蘊藏著更多的風能。住宅建筑群布置為行列式時，風速會在南北建筑通道之間得到很大的增強，形成“風洞效應”，且隨著高度的增加，可利用的風能也越多，這樣，可以在較低高度風道入口處合理布置風機，而較高位置處可以整個風道都布置，來挖掘最大風能利用潛力。

2）對比于行列式建筑布局，錯列式建筑布局形式在建筑頂部有著更多的風能可以利用。住宅建筑群錯列式布局時，風穿過前排建筑后直接吹向后排建筑，根據風的流動特性，后排建筑的樓頂就會有很強的風流過，所以錯列式布局建筑群的樓頂可以安置風機進行風力發電。

城市住宅的風能利用問題逐漸成為綠色小區建設的重點問題，受到了社會各界的關注。而隨著城市的快速發展以及高層住宅建筑的不斷增多，促使考慮如何利用樓群風進行風力發電，如何通過改變建筑群布局形式來提高風能利用率。本文正是從這一問題出發，運用專業科學的環境模擬軟件進行風速場模擬，探討對風能利用最有利的建筑布局形式和風機的安放位置，希望對住宅建筑規劃設計提供合理科學的參考意見，為更好地利用城市風能提供一些指導性的建議。

[1]林景堯,王汀江,祁和生.風能設備使用手冊[M].北京:機械工業出版社,1992

[2]潘雷,陳寶明,王奎之.城市樓群風及其風能利用的探討[J].山東暖通空調,2007,(2):608-613

[3]Yakhotv,Orszagsa,Thangams,et al.Development of turbulence models for shear flowsby a doubleexpansion technique[J].Physi -csof Fluids,1992,(A4):1510-1520

[4]陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2001

[5]Smith LM,Wood Ruffsl.Renormalization group analysisof turbulence[J].Annual Review in Fluid Mechanics,1998,30:275-310

[6]宋德萱,楊麗.探討住宅群體布局對風環境影響的數值模擬[J].住宅科技,2012,(6):16-19

Num e ric a l Sim u la tion o f In fluen c e o f Res iden tia l A rc h ite c tu ra l Layou t on U rban W ind Pow e r U tiliza tion

LIANG Chun-feng1,GUO Chun-mei1,LIWei1,YOU Yu-wen1,CHEN Ying2
1Energy and Safety Engineering Institute,Tianjin Instituteof Urban Construction
2 Tianjin Jianke Construction Energy Conservation and Environmental Testing Co.,Ltd.

Taking the research on outdoor velocity field of residential architectural complex,the article applies professional CFD software FLUENT to comprehensive analysis of outdoor w ind speed distribution and w ind power potential of the determinant and alternate two layout form of residential architectural complex by establishment of physical and mathematicalmodels of out-doorw ind field.The research shows architectural layout has an significant effecton distribution ofw ind energy,building w ind of determinant layout is greater than alternate,while the roofw ind powerofalternate layoutprecedes thedeterminant layout.Using thenumericalsimulationmethod hassignificantguiding role to optim ize outdoor w ind environment and improve the urban w ind energy utilization by optim ize architectural layout.

residential complex,architectural layout,numericalsimulation,w ind powerutilization

1003-0344（2014）02-079-4

2013-3-19

梁春峰（1988～），男，碩士研究生；天津城市建設學院能源與安全工程學院（300384）；E-mail:2544180298@qq.com

住建部軟科學研究項目（2012-R1-12）