第一章建筑风环境利用建筑风环境是指某一区域内的风速风向分布，而不同建筑群造成的风压差和热压差则是形成通风的动力来源[1]。

建筑风环境的分布是复杂的，受到多层次、多方面环境条件的影响。

其基本特征主要包含两方面：（1）城市大气分层与纵向梯度风速变化；（2）建筑影响下的周边风场分布。

（1）城市大气分层与纵向梯度风速变化在气候与环境学科的研究中，城市风环境的讨论主要涉及到２个主要层次：城市边界层和城市覆盖层（图1）。

从地球表面到500-1000m高的这一层空气一般叫做大气边界层，在城市区域上空则叫做“城市边界层”。

其厚度只是一个定性的分层高度，并没有一个严格的界限，主要巧决于地表粗掩度，农村地区、平原地区巧，在城市地区、山区较厚。

从地面到50-100m的这一层空气叫近地面层，在城市区域就叫做“城市覆盖层”，也可叫做“城市冠层”。

图１城市大气分层示意图[2]在城市风环境的研究中，有学者从城市空间形态出发，将城市覆盖层进行划分，如图2所示。

香港中文大学教授吴恩融在研究中对香港的建筑高度进行取样统计，分析进一步化划分出裙房层（0-15m）、建筑层（15-60m）、城市覆盖层（0-60m）的相应纵向范围。

图２香港城市的裙房屋、建筑屋、城市覆盖层划分示意图在大气边界层内，风速沿纵向一般会随髙度的増加而增大，呈现梯度变化规律。

在城市下垫面对气流摩擦力的作用下，紧贴地面处的风速为0，越往高处摩擦力影响越小。

风速逐渐增大。

风速随高度增加而变化所形成的函数曲线就叫做“风廓线”，如图3中曲线所示。

下垫面粗糙度越大，风廓线从地面随高度变化就越置著。

因此，城市中心、、近郊和开旷农村地区的风廓线也大不相同（图3）。

图３ 不同地面粗糙度下的风廓线[3]风廓线的上部曲线是一个对数曲线，该对数曲线的起点商度为城市粗糙度z 0和零位替高度z d 之和（图1）。

对于梯度风速变化的规律还有一种指数风剖面的表达方式（图4），是根据实测结果推导得出的，该计算方法较为简单，因此得到了广范的应用，如式（1）：图4 风速梯度指数分布示意图00()l l v z v z α= （1） 式中：v l 表示流场中某点l 的平均风速，m/s; v 0表示参考高度处的风速，m/s; z l 表示流场中某点l 的高度，m; z 0代表参考高度，m;我国气象台数据参考高度为10m; α取决于地面的粗糙度。

（2）建筑影响下的周边风场分布当风吹向单体建筑物时，遇到建筑物阻挡，在迎风面上一部分气流会上升越过屋顶，一部分气流会下沉至地面，另一部分则绕过建筑物两侧向建筑后方流去。

其中上升气流经过屋顶后在建筑背风面下沉会形成“背风锅旋气流”（图5）；下行的气流沿建筑墙面下沉到地面，部分形成回流与水平方向的风叠加会在建筑迎风面形成端流风，部分沿建筑的底缘顺屋角向后流，进一步加强沿建筑两侧流动的气流，形成“角流”。

从行人高度（1.5m ）处风环境来看，单体建筑两侧会形成风速加倍增大的“角流区”，建筑背风面则会形成较大巧围的风速急剧减弱的“风影区”，同时建筑迎风面也会形成小范围的风速减弱区域。

单体建筑的离度、形态、迎风面面巧的大小、以及与来风方向的角度等都会对建筑周边风场产生不同的影响（图4）。

图5 气流受到建筑物阻挡后分布情况[3]当两个建筑平行布局，且建筑间距相对较小的情况下，当来风方向与建筑平行时，两建筑之间气流会由于“狭管效应”使风速集聚增大，而当来风方向与平行建筑垂直时，建筑之间则会出现祸旋和升降气流，两建筑之间风速会出现不同程度的减弱。

城市街道就类似于这种情况，但扩大到实际城市当中，建筑物分布、组合的多样化与复杂性，就会使其风场分布产生更多的变化，更为复杂。

1.1 建筑风环境中风能发电利用模式建筑环境中的风能利用形式可分为以适应地域风环境为主的被动式利用——自然通风和排气;以转换地域风能为其他能源形式的主动式利用——风力发电。

建筑环境中风力发电的供电模式有[4]：（1）独立运行模式——风力发电机输出的电能经蓄电池储能，再供应用户使用；（2）与其它发电方式互补运行模式——风力-柴油机组互补发电方式，风力-太阳能光伏发电方式，风力-燃料电池发电方式；（3）与电网联合供电模式——采用小型风力发电机供电，以满足建筑的用电需求，电网作为备用电源供电。

当风力机在发电高峰时，产生的多余电量送到电网出售，使得用户有一定的收益。

当风力机发电量不足时，可从电网取电。

这种模式免去了蓄电池等设备，后期的维修费用也相对比较少，使得系统成本大幅度下调，经济性远大于其他两种模式。

1.2 建筑环境风能发电的技术研究目前国内外学者对建筑环境中风能的利用技术研究主要着眼于建筑风环境模拟、建筑风力集中器研究、适宜建筑环境的风力发电机研究以及建筑环境风力发电效益评估等方面。

1.2.1 建筑风场模拟[5][6]建筑风场模拟准确性的提高是建筑风能利用技术的一个重要环节。

风力涡轮机布置位置的选择直接影响发电效率，选择的位置应尽可能使风力发电的效率最高，同时还应该避免涡流区，对结构造成的负面影响最小，这需要提高对建筑风场模拟的准确度，提出更精确的湍流模型。

目前建筑风场模拟主要有：现场实测、风洞试验和数值模拟。

现场实测法是研究风场能量分布最有效、最直观的方法。

风洞试验法是当前研究建筑风场能量分布及风工程领域使用的主要分析方法，但存在着很多不足，诸如：模型制作费时费力，试验周期较长，难以同时研究不同的建筑设计方案等，而且缩小尺寸的试验模型并不总是能还原全比例实物的各方面特征。

另外，在测量点布置、同步测压等一系列问题上也有很多不足有待解决。

数值模拟方法是假设流动的风为不可压缩粘性流体的基础上，对流体连续性方程和动量方程进行离散，将微分方程转化为代数方程，求出微分方程组的数值解，进而获得流场的相关性质数据。

1.2.2 建筑风力集中器研究建筑风力集中器主要研究建筑对风能的强化和集结效应。

与郊外、近海相比，建筑环境中的风场有紊流加剧、风速降低的特点，为提高建筑环境中的风能利用效率，对建筑环境进行规划，对建筑进行特定的形体和结构设计，解决风场构筑、风力强化和集中是该研究的关键问题。

根据建筑中安装风力机位置，Mertens 提出的3种基本空气动力学集中器模（如图6）：扩散体型、平板型和非流线体型。

图6 三种基本的建筑集中器模型[6]1）非流线体型风力集中器建筑型式是将风力涡轮机放置在建筑物屋顶上，利用建筑物屋顶较大的风速，进行风力发电。

2）平板型风力集中器建筑型式是在一个平板型建筑物中间的空洞内放置风力涡轮机，利用空洞聚集加强的风，驱动风力发电机。

3）扩散体型风力集中器建筑型式则是在两个建筑之间的风道内放置一个或多个风力涡轮机，利用风道内聚集的风进行风力发电。

1.2.3 适宜风力发电机研究考虑建筑在风环境中舒适度以及结构抗风设计的要求，大型风力发电机的运用受到了一定限制。

开发研究适宜建筑环境的小型风力发电机也是至关重要的。

目前风力发电机的研究主要着眼于增大发电功率、减少噪音和振动以及安全美观性等几个方面。

风力发电机实际上是将风的动能转化为其他形式的能量，通常用风力机的实际功率衡量[3]：312p P c v A ρ= （2） 式中：c p 为风力机输出功率系数；ρ为空气密度，与气压、气温和湿度水汽压有关，常温下，ρ的变化可以忽略不计；A 为气流通过的面积，即风力机的扫掠面积；v 为风速。

由式（1）可知，风力发电机的发电功率与风速的三次方率成和风力机输出功率成正比，因此增大风速和提高风力发电机的风能利用效率成了关键的技术。

另外，如果涡轮机的转动与周围的构件如承重梁的谐合共振频率相匹配，则大楼本身也会振动，一方面会将噪声放大，另一方面对建筑的结构、舒适度也会产生不利的影响。

因此如何减少涡轮机的振动也很重要。

1.2.4 建筑结构安全性和可靠性的研究传统的结构设计以减小风的作用为目标，但在风能利用建筑中，为提高风能利用效率，要求风速尽可能的大，这对结构的抗风提出了新的要求。

风力发电机通常设置在建筑顶部和设备层，放置发电机的楼层要求在立面上开洞，洞的尺寸也可达十几米，乃至数十米，另外还需承受上部楼层的荷载，并且在洞口处，风压较大，受力较为复杂，采用何种结构形式需做进一步的研究。

1.2.5 建筑在风环境中舒适度的研究目前建筑风环境中风能利用当主要着眼于建筑对风能的强化和集结作用，忽略了舒适度的研究。

由于人对风速、风加速度以及风速比的承受能力有限，故对建筑对风能强化和集结的研究，必须建立在满足舒适度的要求上。

1.2.6. 建筑环境中风能利用效益的评估技术研究由于建筑风环境的不稳定，以及测量技术的限制，目前还无法准确的计算出风力发电机的发电功率，也就无法正确评估建筑环境中风能利用的效益1.3 建筑环境风能转换及储能技术的研究思路城市高层建筑群风能转换及储能技术的研究目标及任务：（一）研究城市高层建筑群周围的风场能量分布情况：确定合理适用的数学模型及求解算法，并对控制方程的离散化格式、边界条件等进行设定。

采用数值计算模拟得出几种不同布局的高层建筑群的风场能量分布图。

（1）数值模拟方程流体流动要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

（2）湍流及其模拟目前湍流的模拟方法可以分为直接数值模拟方法（DNS）和非直接数值模拟方法。

直接数值模拟方法就是直接用非稳态的Navier-Stokes方程对湍流进行计算。

非直接数值模拟方法主要是Reynolds平均法。

（3）风速的梯度效应分析风随高度的变化而变化。

不同高度的大气层分划：离地面2m以内的区域称为底层；2~100m的区域称为下部摩擦层；100m~1000m的区段称为上部摩擦层；以上统称为摩擦层。

粗糙度大的地面在近地层更易使空气的流动形成湍流状态，使得风速随高度增加的快，风速梯度大。

同时，也直观的表现了风速随高度变化的指数规律理论。

基于仿真分析结果可得到图2-9，其为由于地面粗糙度不同而引起的风速梯度变化情况图。

（4）不同布局高层建筑群风能量分析[6]高层建筑群的空间形态具有层次性、相对性，主要分为两种方式（图7）：一种是错落式队列分布方式，另一种是方块状规则阵列分布方式。

图7 城市高层建筑群典型分布示意图（二）研究高层建筑群风能的应用方案：分析得出的风场能量分布数据，结合风力发电系统的特性、技术特点，并且联系高层建筑物的建筑特点，对城市高层建筑群风能的评估制定一套合理的、可行性高的实施方案。

（1）风能的评估[8]风能的多少是评估一个区域风能可利用性的重要依据。

衡量某区域风能的大小，评价其内在的风能潜力，风能密度是比较有价值的物理参数。

风能密度为气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。

风能密度公式：3=（3）0.5E vρ由式（2）可知，风能密度的大小主要取决于空气密度ρ和风速v。