摘 要
超高层建筑与风发一体化设计是将建筑利用与空气动力学相结合之技术。本课题受到集风效应的启发，侧重于如何通过建筑设计的手段使超高层建筑本身能集中风能。整个研究将超高层建筑设计成能集结风能的形态，人为地使建筑风通道内的气流由粗到细，以加速风的流动，找到一种提高风能发电效率和发电量的方法。
本文以全世界范围内的超高层建筑为研究对象，围绕基本建筑形态对风能利用的影响展开了如下的工作。首先，针对风电场的风能评价指标、建筑环境中的风资源以及应用潜力评价指标进行了介绍，并根据案例收集和文献阅读，系统地总结了利于风能利用建筑的三种基本形式。其次，通过武汉地区气候特征的数据搜集，对武汉市风能利用潜力进行了评估，通过不同建筑形式的实地实测，考证了建筑环境中风力发电切实性和实际操作可能性。然后，解释了CFD数值模拟方法和软件的选择，使用Fluent对两种点式超高层的风资源进行数值模拟，分析它们对风力发电机的产能和产能效率的影响因素，提出了在超高层建筑上有利于集风的风力发电机的安装位置。
具有较高的风速并且具有较低的湍流强度的位置适合安装风力机；评价时要结合两个数值综合判断。（1）超高层点式建筑平屋顶形式建筑，若在屋顶上设计成挡风墙的形式，风通道的风速加强效果与几个因素相关，包括挡风墙高度、挡风墙厚度、风通道的扩散角度、风通道的形式及风向角相关。风速加强的效果随着扩散角的增大先增大后减小，同时随着挡风墙厚度的增加，风通道内的风速增强效果先变大后减小，圆弧形态的风通道可以更好的加强风速。（2）超高层板式建筑，风通道的风速加强效果除了上诉因素相关外，还与风通道设计的高度及入流口的形态相关，风机安装高度为建筑总高度的4/5时，且入流口的形态为弧形时，风速加强效果明显。（3）扩散型双塔超高层建筑，风通道的风速加强效果除了上诉因素相关外，还与风通道内风力机安装高度相关。（4）建筑风通道的最佳朝向为面对主导风向各偏正负22.5°的范围。
关键词： 超高层建筑风环境、建筑形体设计策略、CFD、风能利用。
ABSTRACT
The integration of wind energy utilization and skyscraper design is the amalgamation of progressive building technology, energy utilization and wind power generation. This integration turns the building body into the wind energy carrier. This topic focuses on how we can raise the wind power generation by using the methods of building design to make the skyscraper as the wind concentrator to increasing the wind power generation.
This article takes the skyscraper around the world as the research object. The main works of the research about influence of basic skyscraper architectural forms on windenergy use are as follows. Firstly, the evaluation indexes of wind resources and the wind resources in the built environment were introduced, and the general rules of thedistribution of wind resources in the built environment and evaluation indicators of building wind energy utilization efficiency were summarized. Secondly, based on casecollection and literature reading, three basic forms that facilitate the use of wind energy in skyscraper are systematically summarized. A brief introduction to different skyscraper architectural forms suitable for placing different types of wind generators. Thirdly,through the data collection of climate characteristics in Wuhan, the wind energyutilization potential of Wuhan City was evaluated. Through the field measurement of different architectural forms, the feasibility and practical operation possibilities of windenergy utilization in the built environment were demonstrated. Then, the choice of CFD software is introduced. Finally, using Fluent to numerically simulate the wind resourcesof two kinds of super high-rises, analyze their influencing factors on wind energy utilization, and propose the installation position of wind turbines that are conducive towind gathering in super high-rise buildings.
The location with higher wind speed and lower turbulence intensity is suitable for the installation of wind turbine. The evaluation should be combined with two numericalcomprehensive judgment. (1) Point-type skyscraper with a flat roof of the building. If the roof is designed in the form with a windshield, the wind speed enhancement effect ofthe wind passage is related to several factors, ①including the height of the windshield,the thickness of the windshield, the diffusion angle of the wind tunnel, the form of thewind passage and the wind direction angle. ②Wind speed enhancement effect increases first and then declines with the increase of the diffusion angle. ③With the increase ofthe thickness of the wall, the wind speed in the wind channel increases first and then decreases. ④The arc shape of the wind tunnel can better enhance the wind speed. (2)Slab-type skyscraper. ① The wind speed enhancement effect of the wind passage is related to the design height of the air passage and the shape of the inlet as well as theappeal factor. ②The wind speed strengthens the effect is obvious, when the installed height of the wind turbine is 4 / 5 of the total height and the shape of the inlet is an arc. (3) Diffusion type double-tower skyscraper. In addition to being affected by the factors in conclusion (1), the wind speed enhancement effect of the wind tunnel is also related to the installation height of the wind turbine in the wind tunnel. The wind speed enhancement effect is obvious when the installation height of the wind turbine is 70% to 90% of the total height of the building. (4) The optimal orientation of the building wind tunnel is to face the dominant wind direction (north-east wind direction) to the north to the east by 22.5°.
Keywords: Skyscraper wind environment Building design CFD Wind energy utilization.
1 绪论
1.1 选题背景和来源。
1.1.1 选题背景。
（1） 超高层建筑迅猛发展。
随着时代的进步，人口密度的增长，土地资源越来越少，建筑空间的向上延伸有助于扩大居住空间，这促使更多超高层建筑的出现。得益于工业革命的科学技术发展，为建筑形式和高度的发展提供了可能。高层建筑的建设速度越来越快，依据“高层建筑与城市住宅委员会（CTBUH）1”的数据，经过 2013 年至 2017 年连续5 年的持续增长，世界上高度达到 200 米以上的建筑数量已达到 1319 栋，而在 2018年，超高层建筑数量预计超过 1500 个。超高层建筑数量的增加，体现了它发展势头正猛的趋势。
（2） 建筑能耗不断增加。
为了更好地解决现存的污染和能源问题，欧洲 HORIZON20202旨在用可再生清洁能源产生的电能能占总电力需求的 20％，而在欧洲单单建筑能耗已占欧洲总能耗的 40％。在中国，《能源发展战略行动计划（2014－2020 年）》提出：中国应减少非再生的常规能源的使用，宣传使用和发展可持续清洁低碳能源。由于中国建筑消耗的能源约占全国能源总消耗 33%4，使得降低建筑物所需的能源成为首要需要解决的问题，使建筑能为自己产生所需的能量，是减少社会总能耗的优先考虑方向。
在传统的建筑设计及城市规划的实践中，建筑师通常把大部分的精力集中在总平面图的规划、功能的布局及建筑造型的设计上，缺乏对于室外风资源的关注，较少考虑高密度超高层建筑能耗的问题[1]。
（3） 各类环境问题突出。
这 100 年来我国年平均地表气温显着变高，在我国罕见的气象事件发生概率和厉害程度呈现了明显的改变[2]。据气象专家分析中国近几年的温度上升可能与温室效应有关。减缓地球的温升的实质措施是减少化石能源的使用，以减少二氧化碳的排放，进而促进能源安全和经济结构调整[2]。
风能同太阳能一样是储量丰富的清洁且可再生的能源，风力发电作为风能利用中将风能转化为电能成熟技术的一种，应被鼓励大力发展。近几年中国的风力发电的成长势态良好，随着《可再生能源法》的出台，风能利用将会成为如今的重头戏，并成为电力工业的组成部分5。对于用电量较大的中部城市地区，由于风能资源的不充足，在中部地区如何利用城市中的风能资源成为一个值得让人深入研究的课题。
风资源的丰富与否对风力发电机的发电量的作用很大，也与发电所需要的成本挂钩。在同样情况下，与年均风速 8m/s 的地区相比 6m/s 的风电场发电成本会低30%左右[4]。对于建筑行业考虑到震动、噪音和空间等问题，一般使用小型或微型风力发电设备。本文探讨了对于建筑密度较大的城市区域，适用于世界范围，利用建筑物本身的形体和高度以提高风速并增加风力发电效果。文中介绍了基础理论、对实际案例进行了分析、采用实测和数值模拟相结合的方式，探究增强风力发电机的发电效率的建筑形态。此项研究工作不但有学术的前瞻性和实际工程推广的可能性，可缓解一部分传统能源日益紧张的供需关系。本文将关注世界范围内，超高层建筑适合于风力发电的形态优化设计，讨论风力发电机与不同的超高层建筑形式相结合的方式，降低建筑物对传统能源的需求，以一种能为未来超高层建筑的风力发电一体化的设计提供参考的分析模拟研究。
1.1.2 课题来源。
本课题系华中科技大学建筑与城市规划学院国家自然科学基金重点项目《城市形态与城市微气候耦合机理与控制》的子课题之一。
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1.2 本课题研究目的和意义
1.2.1 研究目的
1.2.2 研究意义
1.3 国内外研究现状分析
1.3.1 关于建筑风环境的相关研究
1.3.2 关于建筑上风能利用的相关研究
1.3.3 关于适用建筑风力发电机的相关研究
1.3.4 文献评述
1.4 研究范围、内容与方法
1.4.1 研究范围
1.4.2 研究内容
1.4.3 研究方法
1.5 论文框架
2 风环境基础理论概述以及适合风力发电建筑的基本形式
2.1 风能利用相关风能要素和基本概念
2.1.1 风能利用基本概念
2.1.2 基于测风数据的风能要素
2.2 风力发电潜力分析
2.2.1 第一指标
2.2.2 第二指标
2.3 建筑环境中的风资源
2.3.1 大气边界层与平均风剖面
2.3.2 建筑环境中的风场特点
2.4 实践案例研究与总结
2.4.1 实际案例介绍
2.4.2 风力机与高层建筑结合的方式
2.4.3 风力发电与建筑结合的建筑高度研究
2.5 本章小结
3 武汉高层建筑调研
3.1 武汉气候特征与风环境特点分析
3.1.1 武汉地理气候特点
3.1.2 武汉气象条件
3.1.3 武汉风环境特征分析
3.1.4 武汉市风能利用潜力评估
3.2 实测概要
3.2.1 实测对象及测试点布置
3.2.2 实测仪器与设备
3.2.3 实测时间与气象数据
3.2.4 气象条件
3.3 实测结果
3.3.1 建筑屋顶上的实测模拟结果（龙阳熙苑住宅楼屋顶）
3.3.1 两栋建筑之间的实测模拟结果（湖北科教大厦连廊）
3.3.2 建筑开口中的实测模拟结果（同成广场 A 座一单元商业裙房天台）
3.4 本章小结
4 适合风力发电高层建筑基本形体的 CFD 数值模拟研究
4.1 CFD 数值模拟方法
4.1.1 CFD 简介
4.1.2 基本控制方程
4.1.3 模拟湍流方法
4.1.4 风环境模拟软件的选择
4.2 Fluent 数值模拟计算过程
4.2.1 数值模拟的基本假定
4.2.2 几何模型的建立及网格的划分
4.2.3 湍流模型的选取
4.2.4 边界条件的设定
4.3 实测和模拟数据验证
4.4 本章小结
5 建筑屋顶形式的优化设计研究
5.1 建筑屋顶基准案例选取
5.2 建筑屋顶模拟方案与设定
5.2.1 屋顶挡风墙高度变化的工况设定
5.2.2 屋顶挡风墙风通道大小变化的工况设定
5.2.3 屋顶挡风墙渐缩渐扩型风通道扩散角度变化的工况设定
5.2.4 屋顶挡风墙厚度变化的工况设定
5.2.5 屋顶挡风墙渐缩渐扩型风通道形态变化的工况设定
5.3 数值模拟结果及分析
5.3.1 屋顶挡风墙高度变化对集风效果的影响
5.3.2 屋顶挡风墙风通道直径大小对集风效果的影响
5.3.3 屋顶挡风墙渐缩渐扩型风通道扩散角度对集风效果的影响
5.3.4 屋顶挡风墙厚度对集风效果的影响
5.3.5 屋顶挡风墙风通道弧度对集风效果的影响
5.3.6 风向变化对集风效果的影响
5.4 本章小结
6 单体中部开洞建筑的优化设计研究
6.1 单体中部开洞建筑基准案例选取
6.2 单体中部开洞建筑模拟方案与设定
6.2.1 楼体形状变化的工况设定
6.2.2 楼体风通道高度变化的工况设定
6.2.3 风通道截面变化的工况设定
6.2.4 流线型风通道弧度变化的工况设定
6.2.5 风通道入流口弧度的工况设定
6.3 数值模拟结果及分析
6.3.1 楼体形状变化对风压的影响
6.3.2 楼体风通道高度对集风效果的影响
6.3.3 不同风通道截面对集风效果的影响
6.3.4 流线型风通道弧度对集风效果的影响
6.3.5 风通道入流口弧度对集风效果的影响
6.3.6 风向变化对集风效果的影响
6.4 本章小结
7 双塔建筑形式的优化设计研究
7.1 双塔建筑基准案例选取
7.2 双塔建筑模拟方案与设定
7.2.1 风通道扩散角变化的工况设定
7.2.2 风通道宽度变化的工况设定
7.2.3 风通道弧度变化的工况设定
7.3 数值模拟结果及分析
7.3.1 风通道扩散角对集风效果的影响
7.3.2 风通道宽度对集风效果的影响
7.3.3 风通道弧度对集风效果的影响
7.3.4 风机在风通道内安装高度对集风效果的影响
7.3.5 风向变化对集风效果的影响
7.4 本章小结
8、总结
利用超高层建筑物增加风力发电机对风能的利用效率，以降低建筑物的能耗是一个值得让人深入研究的课题。要充分利用建筑设计的手段使超高层建筑本身成为风能集中器来提高风力发电机的发电量。同时考虑如何将超高层建筑设计和风能利用设计有机结合，实现零距离运输能源，达到降低建筑能耗的实际意义。本文通过研究风资源，通过实地调研与实测验证了高层建筑环境中可以通过建筑形体设计的手法增大风速、增加发电量提高风力发电机的发电效率，同时证明了 Fluent 对于建筑周围环境中空气流动和风况数值模拟的适用性。运用 Fluent 数值模拟方法分析了利于风能利用的超高层建筑基础模型的分析，提出了适合风力发电的建筑基本形体优化设计策略。
本文研究得到的主要结论如下：
（1） 判断适合安装风力机设置地点的方法有两种，一是具有较高的风速，二是具有较低的湍流强度；评估时要结合两个数值综合判断。因为较大的风机需要较高的启动风速，并且较高的风速水平可以增加风力机的发电量和发电效率。而较低的湍流强度，较为平稳的气流模式能使风力发电机的使用寿命更长，增加风力发电机的发电年限。
（2） 可行性研究阶段通过对武汉标准年风数据的分析处理，采用 JGJ/T 346-2014《建筑节能气象参数标准》里的湖北省武汉市标准年气象数据，推算代表年各风能要素。武汉 10m 高年平均风速、风功率密度分别为 2.13m/s 和 5.87W/m2。武汉全年盛行东北偏东风主要出现在冬季，全年武汉风能密度较大分布方向总体为 NE、N、E，实测空气密度为 1.216kg/m3。 武汉全年有效风速 3 至 25m/s 小时数为 1601h 占全年的18.28%，在300m 高年有效风速3至 25m/s 小时数为的3760h，占全年的 42.92%以上数据表明本风电场有效风时数较高。
（3） 通过将实测得到的风速值与模拟所得风速值进行对比，武汉市三栋建筑实测风速值与模拟所得的值比较一致，验证了数值模拟的准确性，足以证明 Fluent 软件具有较强的适用性。
（4） 超高层建筑平屋顶形式建筑 在增设挡风墙的情况下，面对武汉市主导风向时模拟结果表明：①增加挡风墙的设计方式虽没有明显风速加强的效果，但从等风速线图和湍流强度的来看，挡风墙上风通道有较明显的汇聚风能的作用；②增大挡风墙上的风通道直径能有效地增大风速加强的效果。在挡风墙上增加直径为 14m 至18m 的风通道风速加强的效果较好，并且适合安装风力发电机的区域较多，中后沿点均可安装风力发电机。风力加强效果最好的风通道直径选择是 16m，安装位置选择在中后沿范围内，风速加强效果最好；③改变挡风墙风通道的截面设计改为渐缩渐扩型截面后能有效地增大屋顶上的风速，随着扩散角的增大挡风墙风通道内迎风中间区域的风速先增大后减小，而湍流强度则随着扩散角度先增大后减少。风通道的扩散角度为 10°至 25°时，中后沿均适合安装风力发电机，且有较好的风力加强效果。在风通道扩散角度为 15°且风力机安装位置为中点平面时，集风效果最好。在风通道扩散角度为 25°且风力机安装位置为后沿 D 点时，集风效果最好；④随着挡风墙厚度的增加，风通道内的风速增强效果先变大后减小，当墙体的厚度到达30m 时，中点 C 点达到最大的增强效果，最多可以增加 30%的风速；⑤风通道圆弧半径为1m至7m时，中点风速普遍得到了不同程度的加强效果。圆弧半径为7m时，风速加强的效果最为明显，风速增加了 3%左右。风通道截面改变为弧形截面也不会产生对风力发电机安装不利的湍流产生；⑥建筑的风通道最佳朝向为面对主导风东北北向北向东各偏 22.5°，不会影响挡风墙风通道内风速加强的效果，并且也不会产生不利于发电机的湍流，造成不利的影响。
（5） 超高层板式中部开洞建筑 在面对武汉市主导风向时模拟结果表明：①三种不同的建筑形态中，均在建筑高度的 4/5 处达到大的风压差。故最利于气流流动的建筑高度为总高度的 4/5 处。建筑迎风面中部风压作用下气流流通的效果好于建筑物两侧的；②在楼体中间开设风通道有明显风速加强的效果，但从等风速线图和湍流强度表格来看，由于入流口的形态和入流口的大小，虽加强了风通道入流口处的风速，但过大的湍流强度会对建筑及安装的风力机产生不可逆的损害。可以通过建筑形体，细部形态的设计来减缓湍流强度过大的情况；③风通道的截面设计改为渐缩渐扩型截面后能有效地增大通道内的风速，随着扩散角的增大风通道内迎风中间区域的风速增强效果先好后弱，而湍流强度则对扩散角度变化不敏感，仅在扩散角度为 15°至 20°时，在后沿点会产生不利的湍流。风通道的扩散角度为 5°至 30°时，中后沿点均适合安装风力发电机，且有较好的风力加强效果。在风通道扩散角度为10°且风力机安装位置为中点时，集风效果最好。在风通道扩散角度为 25°至 30°且风力机安装位置为后沿点时，集风效果较好；④当风通道圆弧半径为 1m 至 9m时，中点的风速普遍得到了不同程度的加强效果，与圆弧半径为 0°时相比风速增加了 5%左右。风通道截面改变为弧形截面也不会产生对风力发电机安装不利的湍流产生。在建筑底部和周围建筑群之间产生不利于人群生产生活的紊流，产生过大的风速。故在建筑底部宜采用连接体设计，保护建筑底部行走的人群；⑤建筑的风通道最佳朝向为面对主导风东北向向北向东各偏 45°。
（6） 双塔超高层建筑 在面对武汉市主导风向时模拟结果表明：①在增加扩散角度后，扩散角度为5°至40°时，风通道内部分风速值均高于没有扩散角度的风速，随着扩散角度的增大双塔间中间区域（即H点所在平面）的风速先呈现递增随后递减的趋势，而湍流强度则均呈现较小的强度值。湍流值均在0至0.03之间浮动。在风通道扩散角度为15°且取值为中点时，集风效果最好。综合考虑风速、风速增大系数、湍流强度等参数，风通道扩散角度?为5°至25°且风力机放置在G、H、I、J点时的发电效率较高；②随着双塔间风通道宽度的增加风速加强的效果逐渐不再明显，而湍流强度则一直属于低湍流区域。风通道宽度为12m且风力机安装位置为中点时，风速加强效果最好。综合考虑风速、风速增大系数、湍流强度等参数以及风力机的放置，风通道高度为12m至36m且风力机放置在中点发电效率较高；③随着双塔间风力机安装高度的增加风速加强的效果先增大后减小，湍流强度也不会随着风力机安装高度的变化而改变，风通道宽度为12m且风力机安装高度为260m且位置为中点时，风速加强效果最好，湍流强度低，最适合安装风力发电机。综合考虑风速、风速增大系数、湍流强度等参数风力机安装高度为200m至280m且风力机放置在中点发电效率较高，风力机寿命较长。最后由于行人高度风速较大，易对人群造成不必要的伤害，故在双塔型建筑设计时，宜在双塔建筑底部设计封闭的裙房，保护双塔之间行走的人群；④随着双塔间风通道圆弧半径的增加在超过半径7m风速加强的效果逐渐不再明显，风通道圆弧半径为7m且安装风力机位置为中点时，风速加强效果最好，湍流强度低，最适合安装风力涡轮机。综合考虑风速、风速增大系数、湍流强度等参数以及风力机的放置，风通道有圆弧的形体都可起到优化风通道内风况的作用；⑤超高层建筑有多种平面形式，无论何种平面形式，关键的是利用建筑形体形成狭道，让风通过的地方由宽变窄，起到提高风速的作用。与方形和角形的风通道形状相比，弧形的风通道能更有效的提高风速；⑥建筑的风通道最佳朝向为面对主导风东北北向北向东各偏22.5°，不会影响双塔间风通道内风速加强的效果，并且也不会产生不利于发电机的湍流，造成不利的影响。
（7） 对于世界范围内的其他地区，以上的六条结论同样能对其他地区风力发电一体化建筑设计进行指导，作为他们的设计依据。
参考文献
