風力機擴散器和建筑洞口融合的研究

陳 濤

(內蒙古工業大學能源與動力工程學院 內蒙古 呼和浩特 010051)

風力機擴散器和建筑洞口融合的研究

陳 濤

(內蒙古工業大學能源與動力工程學院 內蒙古 呼和浩特 010051)

探討風電建筑設計原理，根據國外建筑洞口風力發電系統的案例，結合課題組風洞實驗對風力機擴散器的研究，提出風電建筑物跟擴散器“虛實結合”的設計理念，為建筑師對建筑布局及可持續建筑設計提供參考。

風力發電;可再生能源;可持續建筑

一、引言

由于環境危機和能源開采日益嚴重，風能等可再生能源的利用已經逐漸引起國家的重視，建筑節能已經成為大家的共識，建筑風電成為建筑節能設計新的發展方向。

目前，國內外建筑風電利用的案例還比較少，在建筑洞口設計安裝風力機的案例更加匱乏。現有的建筑洞口風電設計比較粗糙，本文基于風力機擴散器方面的知識，對風力機擴散型建筑提出研究設想，提出擴散器“虛實結合”的設計理念，希望在改善風速較低區域的風力機使用情況，實現風力機的“隨風而動”。

二、建筑洞口風電設計

(一)建筑風資源特點

人類居住生活的建筑物普遍分布在大氣邊界層內，由于地表摩擦等因素的影響，平均風速一般隨高度的變化而發生變化。而區域風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域風速比較小，而建筑物密集程度小的區域風速比較大。

(二)建筑洞口風力發電設計原理

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速小于城市郊區和鄉鎮的風速，鄉鎮、城市郊區的風速又小于平原、沿海地帶建筑群周圍的風速。不同區域風速存在差異，不同的建筑分布有可能給局部風速帶來強化的作用。建筑洞口風力

發電設計就是利用建筑群周圍的風資源，在洞口處安裝定向式風力機，從而盡可能的開發利用風資源，滿足居民住宅的用電需求，減少電力運輸成本和運輸過程中帶來的損耗，實現風電“就地生產、就地消化”。

(三)建筑洞口風力發電設計案例

1.邁阿密COR生態樓

美國佛羅里達州邁阿密COR項目項目面積為48萬平方英尺，由建筑師乍得奧噴海姆建筑+設計事務所設計而成。COR生態樓是邁阿密市第一個多功能可持續性建筑，大廈25層，耗資4000萬美元，是生態學、建筑學和結構技術三者的結合，有著住宅、商業、辦公、休閑等功能。該項目采用了多項新能源技術，重視對風能、太陽能的開發利用。

2.倫敦“電須刀”公寓樓

倫敦建造世界首個渦輪風電摩天公寓樓，這棟公寓樓名字叫做Strata，因為其外形和電動剃須刀極為相似，所以當地人美其名為“電須刀”，整個公寓樓高約148米，在其頂部建筑洞口安裝三個直徑大小為9米的渦輪風力發電機，可以為整個公寓樓提供大約8%的用電量。

三、風力機擴散器的優缺點

(一)風力機擴散放大器的作用

風力機風輪轉軸輸出功率計算公式簡化為:P=P0Cp=0.5ρCpSV3式中:P0為氣流通過S截面無干擾時的功率，Cp為功率系數(Betz系數)，ρ為空氣密度，S為截面面積，V為通過風輪的風速

理想工況下，風力機運行時功率系數最大為0.593。加裝風力機擴散放大器能增加通過風輪運行截面處的流量，從而提高通過風輪的風速。如果通過風輪的風速能提高6%，那么根據風輪轉軸輸出功率的計算公式，輸出功率能提高19.1%。

為了對風力機擴散放大器的性能具體了解，課題組通過數值模擬和風洞實驗對漸縮漸擴弧線型、漸縮漸擴直壁型、單一漸擴型3種類型的擴散器進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種類型擴散器中漸進漸擴弧線型流量比增益最大，以及型號相同的擴散器最小截面的流量隨面積比增大而提高的兩個結論。［2－4］

(二)風力機擴散放大器的雞肋問題

擴散放大型風力機雖然可以明顯提高風輪轉軸輸出的功率，但是在實際的推廣應用中卻面臨的幾大問題:

1.在風力機上加擴散器，會加大了風力機對風的阻力，增加額外的負載。另外，在不同程度偏航風的作用下，也會對風力機擴散器結構穩定性造成影響。

2.在風力機上加擴散器，額外的重量會使塔架的負荷加大。另外，擴散器的制造與安裝會使得風力機發電組的成本增加。

3.相較于在風力機上加擴散器來說，增加風力機葉片長度通常價格上更加劃算，輸出功率也更容易提高。

4.如果在大型風力發電機上安裝擴散器，就需要直徑十多米甚至數十米的擴散器安裝塔架上，費用將會變得十分高昂，同時需要提高風力機安全穩定性，增加維護和維修成本。

四、風力機擴散型建筑設計隨想

風力機擴散放大器在實際應用中，存在各種雞肋問題，影響著它在傳統風力發電市場上的推廣，但是擴散器的確有增大風輪轉軸輸出功率的優點。通過數值模擬和風洞實驗，我們知道漸進漸擴型擴散器流量比增益比普通擴散器好，增大面積比可以增加擴散器最小截面流量。如果能夠將風力機擴散放大器的優點和建筑洞口的優勢結合起來，不僅能解決擴散器應用面臨的雞肋問題，更能提高建筑風電系統的風輪轉軸輸出功率。

“虛實結合”。由于不同區域地表摩擦等因素不同，相同高度下，平原沿海地帶平均風速通常大于鄉鎮及城市郊區地帶，鄉鎮及城市郊區地帶的平均風速通常大于大都市中心地帶。一些區域風速相對較低，原本不滿足風力發電系統發電的需求，如果能夠將風力機擴散放大器理念融入建筑群中，將擴散器外形“虛”化，通過建筑群的擴散型布局，將原本較弱的風力進行匯聚和強化，在一定的局部范圍內形成滿足風力發電系統運行所需要的風速。再將風力機擴散放大器“實”化到風力發電機所要安裝的建筑洞口內，對建筑洞口進行擴散器設計，從而進一步增加建筑洞口最小截面的風流量。將“虛”化的擴散型建筑群布局安排和“實”化的建筑擴散型洞口的結合，形成“虛實結合”，給傳統觀念上一些風速較低、不適合風力發電的區域帶來風力發電的可能，實現真正意義上風力發電機的“隨風而動”。

［1］艾志剛.形式隨風－高層建筑與風力發電一體化設計策略［J］.建筑學報，2009.05

［2］汪文，孫科，賈瑞博.風力機擴散放大器流場的數值仿真［J］.能源技術，2004.10(25卷第5期)

［3］汪建文，孫科.風力機擴散放大器數值模擬與理論計算的對比［J］.可再生能源，2004.06(第118期)

［4］汪建文，孫科，辛士紅，吳克啟.風力機擴散放大器的數值分析與風洞實驗研究［J］.華中科技大學學報 (自然科學版)，2005.12(第33卷第12期)

［5］趙丹平，徐寶情.風力機設計理論及方法［M］.北京大學出版社，2012年1月第1版

［6］Tony Burton等.風能技術 ［M］.科學出版社，2007

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