住宅布局对城市风能利用影响的数值模拟研究

梁春峰 郭春梅 李 伟 由玉文 陈 颖

1天津城市建设学院能源与安全工程学院

2天津建科建筑节能环境检测有限公司

住宅布局对城市风能利用影响的数值模拟研究

梁春峰1郭春梅1李 伟1由玉文1陈 颖2

1天津城市建设学院能源与安全工程学院

2天津建科建筑节能环境检测有限公司

以某住宅建筑群室外风速场研究为例，通过建立室外风场的数学和物理模型，应用专业CFD软件FLUENT，综合分析住宅建筑群两种行列式和错列式布局形式的室外风速分布情况和风能利用潜力。研究表明，建筑布局对风能分布有很大影响，行列式布局的楼间风大于错列式，而错列式布局的楼顶风能优于行列式。使用数值模拟方法对优化建筑布局来优化室外风环境和提高城市风能利用率有着显著的指导作用。

住宅群体建筑布局数值模拟风能利用

0 引言

随着全球能源危机的加剧，可再生的绿色能源的开发势在必行。风能作为一种无污染、可再生的清洁能源在具有风力资源的地区应该得到重视[1]。风能利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能，其具体的用途很多，风力发电是其最主要的风能利用形式。目前，大规模风力发电用到的主要是野外风，而城市中的楼群风却很少被利用，但随着城市中住宅建筑的不断增高，如何利用住宅建筑周围的风能越来越受到人们的关注。

因此在规划设计住宅建筑时应考虑充分利用建筑群中较大的风能，如建筑的屋顶，两座建筑之间的夹道等风速被放大的地方，布置合适的风机，进行风力发电，充分挖掘风能潜力[2]。

1 数值模拟

本文采用FLUENT软件进行CFD分析，FLUENT软件可以模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。

1.1 数学模型

标准k-ε模型是湍流流动的一种常用数学模型，由于考虑了稳态效应，因此本文采用标准RNG湍流模型进行数值模拟。该过程控制方程为式（1）～（4）[5～7]。

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项，对于不可压缩流体Gb=0；YM由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动；C1ε，C2ε，C3ε为经验常量；σk和σb分别为湍动能k方程和湍流耗散率ε方程对应的Prandtl数，Sk和Sε是自定义源项[7]。

1.2 计算区域和边界条件设定

在进行建筑群风环境数值模拟时，计算区域的设定影响到模拟结果的准确性和计算量的大小，经过反复模拟分析，最后确定了计算区域的长度、宽度、高度分别为对应建筑群长度、宽度、高度的13倍、7倍、3倍。即本文的计算区域范围为1430m×1120m×144m。

确定合理的边界条件目的是让模拟实验更接近真实情况。通过该地区典型气象年的气象资料来确定风速和风向，作为模拟区域的输入条件。在本文模拟计算中进口定义为速度边界条件。假定气流在计算流域内可以得到充分发展，流经出流面时已经恢复到无阻碍时的正常流动状态，则出口定义为自由出流边界条件。建筑表面和地面是固定不动、不发生移动的，故采用无滑移的壁面边界条件。由于计算空间设定的足够大，上面和侧面的空气流动不受建筑物的影响，设为自由滑移表面[8]。

2 物理模型和环境条件设定

2.1 物理模型的建立

本文主要探讨模拟行列式和错列式两种基本住宅建筑布局的风能利用情况，各建筑尺寸相同，且都是正南正北布置。行列式建筑布局由9栋建筑组成，各建筑都是16层高层，层高3m，共48m高，前后排建筑之间以及同排建筑之间的距离都为40m，其平面布局见图1；错列式建筑布局即将第二排建筑整体移动至对应前排建筑夹道中间，其平面布局见图2。

图1 行列式布局

图2 错列式布局

为便于计算模拟，提高计算速度，利用相似性原理，将建筑物形态理想化为长方体，对实际模型进行简化，建立本案A、B两组模拟用模型，图3为A组简化后模拟用模型，图4为B组简化后模拟用模型。模型按实际尺寸建立，同时截取20m、40m高度处以及1-1、2-2、3-3三剖面的速度云图进行分析，主要分析两种建筑布局下，两建筑之间的夹道和建筑顶部的风能分布情况。

图3 行列式建筑简化模型

图4 错列式建筑简化模型

2.2 环境条件设定

该建筑模型的间距尺寸完全符合当地规范要求，满足日常采光和日照要求，所以在此因素合理的情况下，只考虑以本案所在地区常年主导风向为南风，年平均风速为4.7m/s，作为模拟分析的环境气候条件参数。

3 数值模拟结果及分析

风能密度与风速成幂指数关系，风速大的地方，风能密度必然大。风力发电是风能利用的主要形式，然而，风速大于3m/s时的风对于风力发电才有意义，这也对评价本案中的风能利用情况提供了依据。

3.1 两种布局不同截面模拟结果及分析

从图5中可以看出行列式布局模拟在20m高度处建筑群内部的最大风速为8.18m/s，40m高度处的为8.55m/s。而且超过3m/s的区域也要明显地大于20m高度处。这说明了随着高度的增加，风速就会越来越大，且两建筑之间的“风洞效应”也会更强烈。从图6中可以看出错列式布局模拟在20m高度处建筑群内部的最大风速为7.98m/s，40m高度处的为8.45m/s。与图5相对可以看出最大风速都有了减小，且在建筑群内部超过3m/s风速的面积也有很大缩减。这是由于风从前排建筑风口进入后，遇到了后排建筑的阻挡，风速减小且改变流动方向，这时在建筑之间不能形成强烈的局部风。

图5 行列式布局模拟不同高度处速度分布云图

图6 错列式布局模拟不同高度处速度分布云图

3.2 两种布局不同剖面模拟结果及分析

从图7行列式布局的三个剖面的速度云图对比可以看出，在楼顶上部的平均风速从剖面1到剖面3逐渐减小，这是由于风首先从南向吹过第一排建筑，即剖面1处风力最强，气流遇到前排建筑的阻挡作用而逐渐变弱，导致了剖面2、剖面3处建筑的风速变小。从图8中可以看出随着风流动的方向，三剖面屋顶的平均风速也是递减的，但可以清楚地发现剖面2屋顶上的风速减少得很小，这是由于第二排建筑受到前排建筑的影响很小，气流穿过前排建筑直接流到第二排的缘故。观察图7和图8，可以看出图8的9栋建筑屋顶上的平均风速要大于图7中的。由于建筑错列式布置。前后排建筑之间的影响就会变小，气流从南向风口进入，在南北通道内不能形成贯通，但在屋顶上部风力得到了加强，这也为风能利用提供了便利。

图7 模拟行列式布局3个剖面的速度云图

图8 错列式布局模拟3个剖面处的速度云图

4 结语

通过对比本案中两种住宅建筑布局的风速模拟结果，分析各自的风能分布情况，可以得出以下结论：

1）相比于错列式建筑布局，行列式建筑布局形式在建筑之间蕴藏着更多的风能。住宅建筑群布置为行列式时，风速会在南北建筑通道之间得到很大的增强，形成“风洞效应”，且随着高度的增加，可利用的风能也越多，这样，可以在较低高度风道入口处合理布置风机，而较高位置处可以整个风道都布置，来挖掘最大风能利用潜力。

2）对比于行列式建筑布局，错列式建筑布局形式在建筑顶部有着更多的风能可以利用。住宅建筑群错列式布局时，风穿过前排建筑后直接吹向后排建筑，根据风的流动特性，后排建筑的楼顶就会有很强的风流过，所以错列式布局建筑群的楼顶可以安置风机进行风力发电。

城市住宅的风能利用问题逐渐成为绿色小区建设的重点问题，受到了社会各界的关注。而随着城市的快速发展以及高层住宅建筑的不断增多，促使考虑如何利用楼群风进行风力发电，如何通过改变建筑群布局形式来提高风能利用率。本文正是从这一问题出发，运用专业科学的环境模拟软件进行风速场模拟，探讨对风能利用最有利的建筑布局形式和风机的安放位置，希望对住宅建筑规划设计提供合理科学的参考意见，为更好地利用城市风能提供一些指导性的建议。

[1]林景尧,王汀江,祁和生.风能设备使用手册[M].北京:机械工业出版社,1992

[2]潘雷,陈宝明,王奎之.城市楼群风及其风能利用的探讨[J].山东暖通空调,2007,(2):608-613

[3]Yakhotv,Orszagsa,Thangams,et al.Development of turbulence models for shear flowsby a doubleexpansion technique[J].Physi -csof Fluids,1992,(A4):1510-1520

[4]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001

[5]Smith LM,Wood Ruffsl.Renormalization group analysisof turbulence[J].Annual Review in Fluid Mechanics,1998,30:275-310

[6]宋德萱,杨丽.探讨住宅群体布局对风环境影响的数值模拟[J].住宅科技,2012,(6):16-19

Num e ric a l Sim u la tion o f In fluen c e o f Res iden tia l A rc h ite c tu ra l Layou t on U rban W ind Pow e r U tiliza tion

LIANG Chun-feng1,GUO Chun-mei1,LIWei1,YOU Yu-wen1,CHEN Ying2
1Energy and Safety Engineering Institute,Tianjin Instituteof Urban Construction
2 Tianjin Jianke Construction Energy Conservation and Environmental Testing Co.,Ltd.

Taking the research on outdoor velocity field of residential architectural complex,the article applies professional CFD software FLUENT to comprehensive analysis of outdoor w ind speed distribution and w ind power potential of the determinant and alternate two layout form of residential architectural complex by establishment of physical and mathematicalmodels of out-doorw ind field.The research shows architectural layout has an significant effecton distribution ofw ind energy,building w ind of determinant layout is greater than alternate,while the roofw ind powerofalternate layoutprecedes thedeterminant layout.Using thenumericalsimulationmethod hassignificantguiding role to optim ize outdoor w ind environment and improve the urban w ind energy utilization by optim ize architectural layout.

residential complex,architectural layout,numericalsimulation,w ind powerutilization

1003-0344（2014）02-079-4

2013-3-19

梁春峰（1988～），男，硕士研究生；天津城市建设学院能源与安全工程学院（300384）；E-mail:2544180298@qq.com

住建部软科学研究项目（2012-R1-12）