建筑环境中的风能利用研究进展_袁行飞

第26卷　第5期自　然　资　源　学　报V o l.26N o.5　2011年5月J O U R N A LO F N A T U R A L R E S O U R C E S M a y,2011　建筑环境中的风能利用研究进展

袁行飞,张　玉

(浙江大学空间结构研究中心,杭州310058)

摘要:从分析建筑环境中的风能特点出发,阐述了建筑环境中风能利用的可能性,介绍了建筑

环境中风能利用的主要方式为自然通风排气和风力发电。针对风力发电形式,从建筑风环境的

模拟、建筑强化和集结风能的性能研究、适宜建筑环境的风力机研究以及建筑环境中的风力发

电效益评估四个方面,系统总结了建筑环境中风能利用的研究现状及应用实例。在此基础上,

提出了若干有待进一步研究解决的问题,为建筑环境中风能利用技术的推广应用提供参考。

关　键　词:建筑环境;风力发电;C F D数值分析;风洞试验

中图分类号:T U023;T K89 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2011)05-0891-08

随着全球能源、环境危机的日益加剧,可再生、绿色能源如太阳能、风能的开发势在必行[1]。风能是一种无污染、可再生的清洁能源。风能利用则是将风运动时所具有的动能转化为其他形式的能。由于其具有无环境污染、开发利用便捷、成本低等优点,风能的开发利用受到了世界各国普遍关注[2]。风力发电是风能利用的重要形式[3]。自1890年丹麦政府制订风力发电计划,并于1891年建成世界上第一台风力发电机以来,风力发电技术经历了一个多世纪的发展,已逐步走向成熟并得以广泛推广[4]。世界上很多国家,尤其是发达国家对风电的开发给予了高度重视。我国从上世纪80年代起就一直积极发展风电,并把大力开发风电列入了国家“十一五”规划。

目前,安装风力发电机组的地区多位于旷野、沙漠或近海等区域,发出的电能经能源公司输送到市中心,增加了电成本。随着现代化和城市化的发展,一方面,城市的建筑越来越多,越来越高,建筑环境中的风能越来越大,另一方面,城市和建筑所需消耗的能源越来越多,环境危机、电力紧缺问题日益严重,开发新的可再生清洁能源势在必行,这使得研究建筑环境中的风能发电利用技术成为必要和可能。

与传统的风能利用形式相比,建筑环境中的风能利用具有免于输送的优点,所产生的电能可以直接用于建筑本身,为绿色建筑的发展提供了一种新思路。国内外科技人员围绕这一新思路进行了许多研究和工程尝试,并取得了初步成果。本文在介绍建筑环境中的风能特点和利用方式的基础上,总结了建筑环境中风能利用的研究成果,并提出了有待进一步研究解决的问题,旨在为建筑风能利用技术的推广应用提供参考。

1　建筑环境中的风能特点和利用形式

1.1　建筑环境中的风能特点

大气边界层中的自然风遇到地面建筑物时,一部分被建筑物阻挡而绕行,从而使建筑物

收稿日期:2010-04-23;修订日期:2011-01-12。

基金项目:浙江省杰出青年团队项目(R1080363)。

第一作者简介:袁行飞(1972-),女,浙江舟山人,教授,博导,主要从事大跨空间结构的研究。E-m a i l:y u a n x f@z j u.

e d u.c n

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　自　然　资　源　学　报26卷周围的风场产生了很大的变化。随着现代化和城市化的发展,建筑环境中的风场变化越来越大。尤其是建筑物高度和密度比较大的城市,由于其下垫面具有较大的粗糙度,可引起更强的机械湍流,其局部风场的变化也将明显加强[4]。

与郊区和偏远地区相比,城区的来流风具有速度低、紊流度大等特点,且风力相对较小。然而,由于建筑物的影响,城市也能制造局部的大风[5]。如图1所示,高层建筑屋顶上经常会出现一个较大的风速区,即“屋顶小急流”,建筑物的开洞部位也会有明显的穿堂风;城市街道中以及两栋大楼之间的通道,由于“夹道效应”,在无大风时可制造局部大风,如图2。同时需要注意的是,风在爬升高层建筑顶部和穿越两侧以后,在建筑物的周围会形成涡流区。涡流区风场不均匀,又无规则,还随机变化,有时甚至会造成风害。因此,要利用建筑环

境中的风能,准确了解其风力分布特点是首要条件

。

图1　屋顶小急流和穿堂风

F i g.1　L i t t l e j e t f l o wo nt h e r o o f a n d

t h r o u g hf l o wi n s i d e t h e b u i l d i n g

图2　夹道效应

F i g.2　S t r e n g t h e n e df l o wb e t w e e n

t w o b u i l d i n g s

1.2　建筑环境中的风能利用形式

建筑环境中的风能利用形式可分为:以适应地域风环境为主的被动式利用———自然通风和排气;以转换地域风能为其他能源形式的主动式利用———风力发电[6]。本文主要研究建筑环境中的风力发电,即在建筑物上安装风力发电机,所产生的电能直接供给建筑本身,这样可减少电能在输配线路上的投资与损耗,有利于发展绿色建筑或者零能耗建筑。

建筑环境中风力发电的供电模式有[7]:独立运行模式———风力发电机输出的电能经蓄电池储能,再供应用户使用;与其它发电方式互补运行模式———风力-柴油机组互补发电方式,风力-太阳能光伏发电方式,风力-燃料电池发电方式;与电网联合供电模式———采用小型风力发电机供电,以满足建筑的用电需求,电网作为备用电源供电。当风力机在发电高峰时,产生的多余电量送到电网出售,使得用户有一定的收益。当风力机发电量不足时,可从电网取电。这种模式免去了蓄电池等设备,后期的维修费用也相对比较少,使得系统成本大幅度下调,经济性远大于其他两种模式。

2　建筑环境中的风能利用研究

1998年,欧洲委员会开展了“W i n d E n e r g y i n t h e B u i l t E n v i r o n m e n t”(W E B E)的研究项目,第一次将风能发电引进城市建筑中。之后,国内外学者对建筑环境中风能的利用技术进行了研究。研究主要着眼于建筑风环境模拟、建筑风力集中器研究、适宜建筑环境的风力发电机研究以及建筑环境风力发电效益评估等方面。

2.1　建筑风环境模拟

建筑风环境的研究是建筑风能利用技术的一个重要环节。建筑风环境的研究方法主要