风力机扩散器和建筑洞口融合的研究

陈 涛

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051)

风力机扩散器和建筑洞口融合的研究

陈 涛

(内蒙古工业大学能源与动力工程学院 内蒙古 呼和浩特 010051)

探讨风电建筑设计原理，根据国外建筑洞口风力发电系统的案例，结合课题组风洞实验对风力机扩散器的研究，提出风电建筑物跟扩散器“虚实结合”的设计理念，为建筑师对建筑布局及可持续建筑设计提供参考。

风力发电;可再生能源;可持续建筑

一、引言

由于环境危机和能源开采日益严重，风能等可再生能源的利用已经逐渐引起国家的重视，建筑节能已经成为大家的共识，建筑风电成为建筑节能设计新的发展方向。

目前，国内外建筑风电利用的案例还比较少，在建筑洞口设计安装风力机的案例更加匮乏。现有的建筑洞口风电设计比较粗糙，本文基于风力机扩散器方面的知识，对风力机扩散型建筑提出研究设想，提出扩散器“虚实结合”的设计理念，希望在改善风速较低区域的风力机使用情况，实现风力机的“随风而动”。

二、建筑洞口风电设计

(一)建筑风资源特点

人类居住生活的建筑物普遍分布在大气边界层内，由于地表摩擦等因素的影响，平均风速一般随高度的变化而发生变化。而区域风速的大小又受到建筑物密集程度的影响，建筑物密集程度大的区域风速比较小，而建筑物密集程度小的区域风速比较大。

(二)建筑洞口风力发电设计原理

受到地表摩擦和建筑物遮挡等因素的影响，在同一高度下，一般情况大都市中心地带的风速小于城市郊区和乡镇的风速，乡镇、城市郊区的风速又小于平原、沿海地带建筑群周围的风速。不同区域风速存在差异，不同的建筑分布有可能给局部风速带来强化的作用。建筑洞口风力

发电设计就是利用建筑群周围的风资源，在洞口处安装定向式风力机，从而尽可能的开发利用风资源，满足居民住宅的用电需求，减少电力运输成本和运输过程中带来的损耗，实现风电“就地生产、就地消化”。

(三)建筑洞口风力发电设计案例

1.迈阿密COR生态楼

美国佛罗里达州迈阿密COR项目项目面积为48万平方英尺，由建筑师乍得奥喷海姆建筑+设计事务所设计而成。COR生态楼是迈阿密市第一个多功能可持续性建筑，大厦25层，耗资4000万美元，是生态学、建筑学和结构技术三者的结合，有着住宅、商业、办公、休闲等功能。该项目采用了多项新能源技术，重视对风能、太阳能的开发利用。

2.伦敦“电须刀”公寓楼

伦敦建造世界首个涡轮风电摩天公寓楼，这栋公寓楼名字叫做Strata，因为其外形和电动剃须刀极为相似，所以当地人美其名为“电须刀”，整个公寓楼高约148米，在其顶部建筑洞口安装三个直径大小为9米的涡轮风力发电机，可以为整个公寓楼提供大约8%的用电量。

三、风力机扩散器的优缺点

(一)风力机扩散放大器的作用

风力机风轮转轴输出功率计算公式简化为:P=P0Cp=0.5ρCpSV3式中:P0为气流通过S截面无干扰时的功率，Cp为功率系数(Betz系数)，ρ为空气密度，S为截面面积，V为通过风轮的风速

理想工况下，风力机运行时功率系数最大为0.593。加装风力机扩散放大器能增加通过风轮运行截面处的流量，从而提高通过风轮的风速。如果通过风轮的风速能提高6%，那么根据风轮转轴输出功率的计算公式，输出功率能提高19.1%。

为了对风力机扩散放大器的性能具体了解，课题组通过数值模拟和风洞实验对渐缩渐扩弧线型、渐缩渐扩直壁型、单一渐扩型3种类型的扩散器进行了流量比增益特性的研究，得到面积比相同、最小截面直径

相同、形状不同的3种类型扩散器中渐进渐扩弧线型流量比增益最大，以及型号相同的扩散器最小截面的流量随面积比增大而提高的两个结论。［2－4］

(二)风力机扩散放大器的鸡肋问题

扩散放大型风力机虽然可以明显提高风轮转轴输出的功率，但是在实际的推广应用中却面临的几大问题:

1.在风力机上加扩散器，会加大了风力机对风的阻力，增加额外的负载。另外，在不同程度偏航风的作用下，也会对风力机扩散器结构稳定性造成影响。

2.在风力机上加扩散器，额外的重量会使塔架的负荷加大。另外，扩散器的制造与安装会使得风力机发电组的成本增加。

3.相较于在风力机上加扩散器来说，增加风力机叶片长度通常价格上更加划算，输出功率也更容易提高。

4.如果在大型风力发电机上安装扩散器，就需要直径十多米甚至数十米的扩散器安装塔架上，费用将会变得十分高昂，同时需要提高风力机安全稳定性，增加维护和维修成本。

四、风力机扩散型建筑设计随想

风力机扩散放大器在实际应用中，存在各种鸡肋问题，影响着它在传统风力发电市场上的推广，但是扩散器的确有增大风轮转轴输出功率的优点。通过数值模拟和风洞实验，我们知道渐进渐扩型扩散器流量比增益比普通扩散器好，增大面积比可以增加扩散器最小截面流量。如果能够将风力机扩散放大器的优点和建筑洞口的优势结合起来，不仅能解决扩散器应用面临的鸡肋问题，更能提高建筑风电系统的风轮转轴输出功率。

“虚实结合”。由于不同区域地表摩擦等因素不同，相同高度下，平原沿海地带平均风速通常大于乡镇及城市郊区地带，乡镇及城市郊区地带的平均风速通常大于大都市中心地带。一些区域风速相对较低，原本不满足风力发电系统发电的需求，如果能够将风力机扩散放大器理念融入建筑群中，将扩散器外形“虚”化，通过建筑群的扩散型布局，将原本较弱的风力进行汇聚和强化，在一定的局部范围内形成满足风力发电系统运行所需要的风速。再将风力机扩散放大器“实”化到风力发电机所要安装的建筑洞口内，对建筑洞口进行扩散器设计，从而进一步增加建筑洞口最小截面的风流量。将“虚”化的扩散型建筑群布局安排和“实”化的建筑扩散型洞口的结合，形成“虚实结合”，给传统观念上一些风速较低、不适合风力发电的区域带来风力发电的可能，实现真正意义上风力发电机的“随风而动”。

［1］艾志刚.形式随风－高层建筑与风力发电一体化设计策略［J］.建筑学报，2009.05

［2］汪文，孙科，贾瑞博.风力机扩散放大器流场的数值仿真［J］.能源技术，2004.10(25卷第5期)

［3］汪建文，孙科.风力机扩散放大器数值模拟与理论计算的对比［J］.可再生能源，2004.06(第118期)

［4］汪建文，孙科，辛士红，吴克启.风力机扩散放大器的数值分析与风洞实验研究［J］.华中科技大学学报 (自然科学版)，2005.12(第33卷第12期)

［5］赵丹平，徐宝情.风力机设计理论及方法［M］.北京大学出版社，2012年1月第1版

［6］Tony Burton等.风能技术 ［M］.科学出版社，2007

陈涛 (1993－)，男，瑶族，广西桂林人，硕士研究生，研究方向:新能源应用。