[摘要] 本文是一篇建筑论文，本文以全世界范围内的超高层建筑为研究对象，围
本文是一篇建筑论文，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。
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）》3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。
（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。
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1.2 本课题研究目的和意义
1.2.1 研究目的
本研究的目的在于以风力发电为背景，通过对超高层建筑的形态、高度和造型的研究，探索改变超高层建筑形态的方式，将建筑本身设计成为一个可以集风的装置，增大建筑环境中的风速，起到增加风力发电机发电量的目的。如何通过合理设计，有效增加建筑环境中的风资源，增加风速以增大风力发电机的发电量。从建筑设计的角度出发，着重研究建筑入流风口的形态对风速的影响，一方面可以将风力发电获得的绿色清洁能源供给建筑本身，另一方面可以对其他有此想法的建筑师提供理论的参考。
1.2.2 研究意义
本研究有利于填补我国超高层建筑利于风力发电的形态研究、应用指导、及未来风能与建筑一体化设计发展方向相关研究的空白。 从具体操作环节分析，简单地在技术战略上除去经济、政策等因素，在“并行设计”和“多学科优化设计”等理念的支持下，针对地处武汉地区的超高层建筑利于风力发电的形态设计和安装位置等问题制定对策：
（1） 为利于风能利用的超高层建筑基础形体设计提供理论参考，填补利于风能利用的超高层建筑设计发展方向相关研究的空白；
（2） 推广在超高层建筑上安装风力发电机的广泛实施，为我国超高层建筑形体设计与风电场合作发展提供参考依据；
（3） 扩充建筑和节能问题的研究。
现如今掌握相关技术的专业研究人员因为学科上的局限性和专一性，常常精通某一方面的技术，或是建筑设计理论研究，或是风力发电技术，缺少对于两门学科融合的整合设计研究。因此，风力发电在建筑上的实际运用及实践活动较少；缺乏一个能有效指导利于风力发电的超高层建筑与风电一体化设计普及推广的技术应用。归纳实际案例中设计经验整理，让众多的不熟悉风力发电和空气动力学的建筑师快速全面地了解风力发电技术现状和利于风力发电的超高层建筑形体设计策略，并使得在建筑上有更多的风力发电技术的运用。
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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
风能利用主要是将它的动能转化为其他形式的能量，所以计算风能的大小实际就是计算气流流过的动能。平均风功率密度、风能可利用时间等风能特征指标，是用来评估一个区域风能资源状况和判断是否适合于建设风电场最重要的参数[29]。本文总结了几个风与电能量转换的相关风能要素，如空气密度、风功率密度、风速频率、风向频率、风能有效小时数和湍流强度等。
2.1.1 风能利用基本概念
（1） 风能原理
风是一种地球上的自然现象，风是有由太阳福射热所引起。当阳光照射到地表，由于地表各处受热不相同产生了温差，从而引起了大气的对流形成风。
（2） 风力发电原理
风力发电原理就是把风的动能转变成机械能，进而把机械能转化为电能的过程 。风力发电核心在于风力发电机组，风力发电机组主要包括有风轮、发电机、塔架、限速装置和储能装置等部件。
（3） 风力集中器
将建筑物作为风力强化和收集的载体（如图 2-1），有机地将风能利用与建筑物结合成一体，进行风力发电。根据风力发电机安装位置的不同，建筑增速型风力发电有 3 种不同的类型：位于建筑物之上、位于扩散体型建筑物之间和位于建筑物的通道内。
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2.2 风力发电潜力分析
风能具有明显的地域性、季节性及不稳定性，本文选用平均风速值与平均风功率密度值作为评估风力发电潜力第一指标；此外选用湍流强度为第二指标，来确定风力发电机安装的适合程度。
2.2.1 第一指标
平均风功率的单位是 W/m2。基于平均风速与风功率密度评价标准，可以采用GB/T18710-2002《风电场风能资源评估方法》中的风功率登记划分标准来进行风资源的评估，具体风功率等级划分见表 2-1。
风向频率决定了风电场风机的布局，通过风向方位可了解到当地的主导风向，通过风向出现的频率，可以增加数据的可利用性，进而也决定了风机的发电效率。
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3 武汉高层建筑调研................28
3.1 武汉气候特征与风环境特点分析 ...................... 283.1.1 武汉地理气候特点 ........................... 28
3.1.2 武汉气象条件 ................... 28
4 适合风力发电高层建筑基本形体的 CFD 数值模拟研究.................45
4.1 CFD 数值模拟方法 ...................... 45
4.1.1 CFD 简介 ............................ 45
4.1.2 基本控制方程 ................................ 46
5 建筑屋顶形式的优化设计研究.................56
5.1 建筑屋顶基准案例选取 .............................. 56
5.2 建筑屋顶模拟方案与设定 ........................... 59
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
根据《武汉市建设规划管理技术规定（248 号文件）》，建筑高度 20 米以上的板式建筑南北向平行布置的间距在 20m 以下和以上分别是南侧建筑高度的 1.2 倍和建筑高度的 0.4 倍，最大可小于等于 55 米；故选取板式街区如图所示，长、宽、高分别为 40m、30m、95m，东西南北相距 50m，共 5 排 5 列。
本次模拟工况的选取灵感来源于第三章湖北科教大厦——双塔复杂体型的建筑。由于该建筑属于双塔高层建筑，塔楼高度约为 80m。根据实测的风速来看，风速值较低不适合安装风力发电机。故在模拟工况的选择上，将建筑物的高度特此提升至 300m，超高层上的风资源会明显好于高层。又形体优化的关注点在双塔建筑之间的风通道中，故忽略建筑山墙面的影响，而将双塔建筑形态简化成方形平面。故街区中心的双塔建筑为两栋长 50m、宽 50m、高 300m。在模拟过程中再增加建筑形态优化的研究，在改变建筑模型不同双塔间距，扩散角度等情况下，双塔之间的“狭缝效应”和上游塔楼对下游塔楼的“遮挡效应”。利用双塔“狭缝”之间风力加强这一特点，可在今后的设计中在双塔时间安装风能发电机，为建筑提供能源。
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8 点式超高层建筑的形态设计方法总结
8.1 本文工作总结
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。
参考文献(略)
