作者：Jonas Wirgart, PMM Cradle CFD

世界上最高的建筑是阿聯酋迪拜的哈利法塔,高達829.8米（2722英尺），與大多數此類建筑物一樣，坐落于人口密集的城市地區。這會影響建筑物周圍的風向及當地的環境。但是，這樣的高層建筑也為規劃者和設計師提供了一個機會，需要重新考慮設計，考慮在城市景觀中產生可再生能源的可持續性問題。由韓國能源研究所和CEDIC Ltd（ref 1）領導的研究人員使用Cradle CFD的計算流體動力學（CFD）工具進行了一些基礎研究，研究了這種摩天大樓中的建筑物集成風力渦輪機（BIWT）的可行性，以此給局部地區發電，降低碳排放。

可再生能源是可持續和環保能源生產的一個明顯的標志，如果可以將其集成到建筑物中，在源頭使用并且在設計階段可行，那么它將是未來的一個重大可持續性創新。作者（ref1）首先研究了巴林世界貿易中心，該建筑于2008年建成，被認為是第一個現代BIWT。它有一個240 m，50層高的，具有對稱三角形的雙子大樓，其形狀和布局旨在利用風能，而不僅僅是將風力渦輪機集成到建筑物中（見圖 1）。

（a）風力渦輪機正面的照片；

（b）地面上方100 m的垂直橫截面上的風速云圖

（來自作者的CFD分析）

圖 1. 巴林世界貿易中心流量分析

它被認為是建筑物增強型風力渦輪機（BAWT），是一種比BIWT更激進的概念。如建筑物照片所示，并根據Cradle CFD的分析結果，在連接三角形雙塔的橋上安裝了直徑29 m，容量225 kW的3葉片水平軸風力渦輪機，該橋以內角對稱 大約120° 由于巴林世界貿易中心位于阿拉伯海岸附近，因此建筑物的中心會發生經典的“文丘里”效應，當海風吹拂建筑物時，風將加速通過雙子塔形成的喉部。通過這種眾所周知的現象來提高風力發電的效率。三臺渦輪機每年的發電量占建筑物能耗的13％；容量系數約為22％。

另一項使用Cradle CFD進行流體流動分析的案例是2011年在英國倫敦建造的Strata SE1建筑物，是一棟 148 m高，43層的住宅，將三臺19 kW容量的屋頂水平軸風力渦輪機集成到其中（圖2）。該建筑具有獨特的外觀，已獲得多項建筑設計獎。但是，英國媒體對風力渦輪機關注很少。盡管市民認為風力渦輪機應該連續運轉，但倫敦的風速普遍較低，以及其所在的地形，導致風力渦輪機未到達預期的效果。

（a）風力渦輪機背面的照片； 

（b）在水平橫截面上的風速云圖（頂部）和通過孔的流線（底部）

（來自作者的CFD）

圖 2. Strata SE1公寓的流量分析

團隊的主要CFD研究基于在首爾建造的一座新高層建筑，這是世界上第八高的獨立式建筑，即樂天世界大廈。首爾是韓國最大的大城市之一，人口達一千萬，但與沿海韓國城市相比，內陸地區的風向稍弱。因此，研究人員需要進行風能資源評估，以評估這座位于市中心的555 m的高層BIWT的潛在性能。在這樣的高度下，執行原位測量非常復雜。因此，需要采用諸如LIDAR和SODAR的地面遠程傳感器來進行風力資源評估。

此外，需要設計一種數值天氣預報（NWP）模型和度量相關預測（MCP）方法，擴展通過遙感測得的短期數據，以產生多年來的風力數據。然后，使用三維地理信息系統（GIS）數據庫和Cradle CFD來預測建筑物對盛行風的影響以及BWIT的可行性。團隊的工作流程如圖3所示，完整的細節可以在他們所做的工作的原始論文中找到（參考文獻 1）。

圖 3: 使用RS–NWP–CFD對高層BIWT進行風力

資源評估的程序

由于種種限制，研究中的遙感活動持續了兩個月。他們采取的第二步是創建風能圖，顯示塔架安裝區域中風能的空間變異性，從而確定渦輪機的布局。為了進行風力資源映射，首先使用CFD，模擬了按風向在目標區域的風流場。在這種情況下，總共模擬了16個風向.第三步是選擇一種風力渦輪機并確定最佳布局。盡管如果將風力渦輪機安裝在最高風能密度位置可以使能量產生最大化，但是還需要考慮尾流損失。建筑物建成后，樂天世界塔周圍的風場會使該地區的氣流變形。使用Cradle CFD的Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)湍流模型CFD軟件SC / Tetra v12模擬了風流場。

它是一種基于有限體積法的壓力基求解器，采用SIMPLEC算法進行壓力-速度耦合，并采用二階QUICK迎風方案求解對流項。創建了一個用于計算域的9000萬個非結構化混合網格，以覆蓋樂天世界大廈周圍6 km×6 km×2.5 km的區域。為了進行驗證，模擬了有/沒有樂天世界塔的主風向（WNW）。CFD分析采用了MP k–?湍流模型（改良k–?湍流模型），預測作為城市街道的立方塊結構中的流動分離。

圖 4. 樂天世界塔周圍行人高度處

風速分布：水平（左）；垂直（右）

截面風速可變性：（上）沒有塔架；（下）有塔架

圖4比較了主要風向情況的仿真結果，揭示了樂天世界大廈建造前后在行人高度和沿主要風向（WNW）的垂直截面風速變化的情況 。CFD分析結果僅考慮了樂天世界大廈，包括所有周圍的建筑物，表明該大廈的屋頂受到周圍建筑物的影響很小（小于風速的3％），盡管行人高度風速在很大程度上被樂天世界大酒店（面積約75％；圖4中的左等高線圖）增強了。這也可以從圖4右側垂直橫截面圖中的風速變化中看出。通過排除周圍的建筑物，可以顯著減少仿真中的計算負載。

團隊使用CFD為總共16個風向扇區創建單獨的風圖，然后使用風氣候數據對預測值進行加權。CFD結果與LIDAR測量值之間達成了良好的一致性。但是，當在塔頂上使用各種配置的渦輪機進行研究時，CFD的預測并沒有顯示出很好的發電能力。即使考慮了建筑物形狀的變化，通過研究可以預測的最佳能力系數僅為7％，因此認為BIWT在經濟性上并不可行。塔沒有集成安裝風力渦輪機。

研究人員的發現，意味著樂天世界大廈并未考慮BIWT。但是，他們結合了RS，NWP和Cradle CFD，為高層BIWT建立了強大的風能資源評估程序。 表明，地面遙感的數據恢復率急劇下降，通過NWP和MCP方法進行長期校正，至少要對滿風氣候數據進行一年的重建是非常重要的。此外，預計需要執行更長的遙感測量來減輕由風氣候的季節性變化引起的不確定性。

研究表明，風況可能會隨著建筑物的形狀而發生變化，因此需要進行CFD仿真以準確分析建筑物形狀的影響。修改建筑物的形狀確實顯示出功率密度最多可提高30％的預測結果，并且塔周圍空間變異性的變化很大。 但最重要的是，他們發現漢城樂天世界大廈高海拔（555 m）的風能非常差，因為它位于朝鮮半島內陸。但是，應該指出的是，他們發現，根據CFD仿真分析，樂天世界大廈的周圍建筑物并未直接影響555 m處的風速。

參考文獻

Hyun-Goo Kim, Wan-Ho Jeon and Dong-Hyeok Kim,  “Wind Resource Assessment for High-Rise BIWT  Using RS-NWP-CFD” Remote Sensing Magazine, Vol 8, 1019, 2016