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可再生能源
Renewable Energy Resources
第27卷第5期2009年10月
Vol.27No.5Oct.2009
引言
城区建筑环境中的风场有紊流加剧、风速降低的特点，因此，风力强化和集中的问题需要得到解决。目前，国内外对建筑风能利用主要集中于3种基本的空气动力集中器：非流线体型、平板型和扩散体型建筑的研究[1]，[2]。
本文对一种新的建筑型式———扩压风道型建筑的风能利用进行了探讨，采用数值模拟方法分析了其风速场、风能密度场，比较了在不同风向条件下风能利用的情况，并提出了采用扩压风道型建筑更好地利用风能的设计意见。
13种基本空气动力集中器模型的研究
将建筑物作为风力强化和收集的载体，将风
力透平与建筑物有机地结合成一体，进行风力发
电，这种风力透平称之为建筑增速型风力透平（BAWT ）。根据风力透平所在位置的不同，BAWT 有3种不同的类型[1]：位于建筑物上、位于扩散体型建筑物之间和位于建筑物的通道内。由于建筑物的干扰，市区的风速低而紊流加剧。目前可借鉴的空气动力学集中器有三种：Diffuser 型、Flat
plate 型和Bluff Body 型。对于这3种基本型式的
建筑模型，国内外已经进行了大量的理论和实验研究[1]，[2]。
2扩压风道型建筑模型的构造及风力集结特点
20世纪50年代，我国著名科学家钱学森
提出了“风洞风车”的概念，即利用附加的扩压器（Diffuser ），在叶轮的后部造成一个低压区，从而增加通过叶轮的空气流量，提高风力机效
收稿日期：2009-01-06。
基金项目：山东省科技发展计划项目（2005GG4406001）。作者简介：潘
雷（1979-），男，硕士，工程师，从事可再生能源利用技术的研究。E-mail ：panlei@https://www.doczj.com/doc/e016279228.html,
扩压风道型建筑风能利用的探讨
潘
雷1，陈宝明2
（1.山东同圆设计集团有限公司，山东济南
250001；2.山东建筑大学，山东济南
250101）
摘
要：根据扩散型风力机的原理，构想了一种新型风能利用建筑型式———扩压风道型建筑。探讨了扩压风道
型建筑的特点，并对影响其风能利用的扩散角α、建筑尺寸、来流偏向角β等因素进行了数值模拟。通过分析可以看出，扩压风道型建筑能够强化风速及风能密度，是一种有效的风能集结建筑。关键词：扩散型风力机；扩压体型建筑；风速场；风能密度；数值模拟中图分类号：TK89
文献标志码：B
文章编号：1671-5292（2009）05-0090-04
Study on wind energy utilization in the pressure
expanding tunnel building
PAN Lei 1，CHEN Bao-ming 2
（1.Shandong Tongyuan Design Group CO.LTD,Jinan 250001，China; 2.Shandong Jianzhu University,Jinan
250101，China ）
Abstract ：This paper suggested a new form of wind energy building based on Diffuser.It attempts to analyze the performance of the concentrator with the change of diffuser angle α,building geome -try,and yaw angle β.So the pressure expanding tunnel building is an effective wind power con -centrating building.
Key words ：diffuser augmented wind turbine ；pressure expanding tunnel building ；wind field ；wind power density ；numerical simulation
潘雷，等扩压风道型建筑风能利用的探讨
率[3]。与一般的水平轴风力机相比，这种结构的
风车不仅能使流经风轮的风速提高，增加输出
功率，而且可以增加系统的抗风能力（图1）。扩
压风道型建筑就是基于扩散型风力机原理的一
种建筑型式（图2）。
扩压风道型建筑借鉴了扩散体型（Diffuser）风力机的风能利用原理，利用建筑形体形成的风道，进风口收缩，风速增大；出风口向外扩张，风速减小，静压增大，由于狭管效应，流经叶轮的风速提高，增加了输出效率。
扩压风道型建筑造型简单，结构容易实现，易于布局规划，与周围建筑环境相协调。
与其他利用风能发电的建筑一样，由于风机的运转，不可避免地造成噪声、视觉上的污染。同时，由于建筑对风的集结效应，使建筑的风荷载增大，对建筑的结构提出了更高的要求。
通过对建筑周围风速场的模拟显示，在两座建筑之间风速明显增大。图3是在50m高度的风速、风能密度分布图。从图中可以看出在两建筑之间的狭窄通道内的风速增大很多，集结效应比较明显，这种建筑型式对风能利用是很有效的。3扩压风道型建筑风能利用的影响因素
扩压风道型建筑的迎流段是由两座向外扩张的平板型建筑物构成的，迎流段与风力透平段之间的夹角为α。建筑几何尺寸及扩散角α的大小不同，在风通道内（即风力透平段内）的风速不同，风能密度也不同。
本文假设扩压风道型建筑模型高度100m，两座建筑物间距a，风力透平段长度b，迎流段长度c。建筑平面几何尺寸如图4所示
。
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可再生能源2009，27（5）
本文假设10m高度上的参考风速U（10）为
4m/s，风速随高度变化系数为0.3。由于建筑物浸
没在大气边界层内，建筑周围的空气流动具有明
显的紊乱性、随机性和各向异性。本文研究的建筑
环境中空气流动属于湍流流动，因而采用标准模
型对建筑环境中的空气流动进行数值模拟。
由图3可以看出，在建筑物迎风角附近，有一
块高湍流度值区域，并且有一块狭长的高湍流度
区域紧贴着建筑物侧面向后的区域。这些大的速
度脉动与大范围的旋涡运动有密切关系，这些旋
涡往往与剪切层的分离、马蹄形旋涡的形成有关。
从扩压风道型建筑的迎流段到风力透平段，由于
狭管效应，风速、风能密度显著增大。
以下分别对不同的扩散角α及几何尺寸的
扩压风道型建筑进行了数值模拟计算，探讨可有
效利用风速场进行风力发电的扩散角α及几何
尺寸。
3.1扩散角α对扩压风道型建筑风力集结的影响
为进一步评价扩压风道型建筑风通道在不同
扩散角α情况下风力集结效果好坏，可以用集结
系数C a来描述：
C a=U a
（）
（1）
式中：U a——
—风通道内平均风速，m/s；
U0（h）——
—在风机安装高度h上未受扰动的风速，h＝100m/s。
假设两座建筑物间距a＝40m，风力透平段长度b＝50m，迎流段长度c＝50m，风的来流方向与风力透平段平行时（风向投射角α为0），分析了随着扩压角α在0～80°变化时，风速场和风能密度的变化规律。
本文分别计算了不同扩散角（α＝0～80°）的扩散型风道建筑，在风力透平段内的平均风速U a与在风机安装高度h上未受扰动的风速U0（h）的比值C a。
如图5所示，当扩散角α为0～30°时，随着扩散角α的增加，风速、风能密度增加；当迎流段与风力透平段之间的夹角α为30～50°时，风通道内（即风力透平段）的风速、风能密度较大；当扩散角α为50～80°时，随着扩散角α的增加，风速、风能密度减小；当扩散角α＝41°时，平均风速、风能密度最大。3.2建筑尺寸对风力集结影响
如前文所述，风力透平段内风速、风能密度随着扩散角的变化而变化，并且有一定的规律性。建筑物的平面尺寸不同，扩压风道型建筑风能利用的效果也不同，下面将对平面尺寸的变化，建筑风力透平内风速场的变化进行讨论。
3.2.1两座楼间距a的变化
对于扩压风道型建筑，两座楼的间距a的变化，对于风力透平段风速场及风能密度大小有一定的影响。在假设风力透平段长度b＝50m，迎流段长度c＝50m，风的来流方向与风力透平段平行（风向投射角β＝0），扩散角α＝41°的条件下，计算了建筑间距a＝40～50m，风通道内的风速场分布。用集结系数C a来评价其不同间距下的扩压风道型建筑风道的风力集结效果好坏（图6）。
从数值模拟的结果来看，随着间距a的增大，集结系数C a减小，风力透平段内的平均风速减小。因此，在满足建筑设计的要求及风力发电机安装直径等要求的前提下，两座建筑物的间距应尽量小，从而更有效地利用风能
。
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3.2.2风力透平段长度b 变化
分析了由于风力透平段长度b 的不同，风速场及风能密度的变化。假设两楼间距a ＝50m ，迎流段长度c ＝50m ，风的来流方向与风力透平段平行（风向投射角β＝0），扩散角α＝41°，计算风力透平段长度b 为10～60m 的风速场的风速分布，模拟的结果如图7所示。
风力透平段长度越小，系数C a 越大，风力透平段内的平均风速及风能密度越大。从图中可以看出，风力透平段长度b 较小时，风速梯度较大，平均风速较大；当b 增大时，风力透平段内风速梯度较小，风速稳定，平均风速较小。
3.2.3来流风向投射角对风力集结的影响
由于风的随机性，风向总是变化的，风向不总是与风力透平段平行（风向投射角β≠0）。在不同风向投射角β下，扩压风道型建筑的风速场及风能密度的数值计算结果如图8所示。
当风向投射角β为0～10°时，集结系数C a 比偏向角为零时增大；当β为20～80°时，随着风向投射角β的增大，透平段内风速场及风能密度减
小。当风向投射角β为0～50°时，风力透平段的风速仍可以有效利用。
4结论
扩压风道型建筑造型简单，结构容易实现，易
于布局规划，与周围建筑环境相协调。对扩压风道型建筑的风能利用进行了探讨，研究了扩压风道型建筑增强风速及强化风能利用的效果。通过数值模拟，分析了影响扩压风道型建筑风能利用效率的主要因素（扩散角α、建筑尺寸、来流偏向角
β），扩压风道型建筑可以有效地集结风能，提高
风能利用效率。
参考文献：
[1]SANDER METENS.Wind energy conversion in the built environment [A].1st SWH International Confer -ence on Renewable Energies 7th -10th [C].Segovia ，2003.
[2]潘雷，陈宝明，张涛.建筑环境中的风能利用[J].可再生能源，2006（6）：87-89.
[3]
贺德馨.风能技术发展中的几个问题[J].世界科技研究与发展，2003（8）：44-48.
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