《建筑風(fēng)能利用》課件

建筑風(fēng)能利用建筑物可以利用周圍環(huán)境的風(fēng)能資源,通過安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)等裝置,將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能供應(yīng)建筑物使用。這不僅可以減少化石燃料的消耗,降低碳排放,還能提高建筑物的能源自給率,實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。課程概述課程定位本課程旨在系統(tǒng)介紹建筑風(fēng)能利用的基本原理、技術(shù)方案及應(yīng)用實(shí)踐。課程內(nèi)容包括風(fēng)能資源評(píng)估、建筑物氣流特性分析、風(fēng)能系統(tǒng)類型及應(yīng)用等方面的知識(shí)。課程目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的建筑風(fēng)能利用設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力,為相關(guān)從業(yè)人員提供專業(yè)指導(dǎo)。風(fēng)能利用的基本原理1動(dòng)能轉(zhuǎn)換風(fēng)能通過葉片的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能2空氣流動(dòng)風(fēng)力發(fā)電利用空氣流動(dòng)的動(dòng)能3氣壓差氣壓差產(chǎn)生的空氣流動(dòng)驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)風(fēng)能利用的基本原理是利用空氣流動(dòng)的動(dòng)能,通過葉片的旋轉(zhuǎn),將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。這一過程依賴于氣壓差引起的空氣流動(dòng),以及葉片在流經(jīng)空氣中產(chǎn)生的升力和阻力。風(fēng)能資源評(píng)估風(fēng)能資源評(píng)估是利用風(fēng)能發(fā)電的關(guān)鍵前提。通過收集和分析大量的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等氣象數(shù)據(jù),可以繪制出詳細(xì)的風(fēng)能資源地圖,并預(yù)測(cè)特定區(qū)域的風(fēng)能潛力。風(fēng)速風(fēng)能密度比例適用風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型3-5米/秒40%小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)5-7米/秒60%中型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)大于7米/秒80%大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過評(píng)估不同區(qū)域的風(fēng)能資源分布和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的適配性,可以優(yōu)化風(fēng)電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)。建筑物蒙皮效應(yīng)建筑物的外皮(蒙皮)對(duì)周圍的氣流分布有重要影響。建筑外表面粗糙程度、幾何形態(tài)等特征會(huì)改變氣流的流動(dòng)方式,從而影響地面風(fēng)速和氣壓分布,進(jìn)而影響建筑物本身及其周邊的風(fēng)能利用。合理把握建筑物蒙皮效應(yīng)對(duì)于提高建筑風(fēng)能系統(tǒng)的性能很關(guān)鍵,需要通過詳細(xì)的氣流模擬分析來優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑物簇團(tuán)效應(yīng)建筑物簇團(tuán)效應(yīng)是指當(dāng)建筑物聚集在一起時(shí),會(huì)產(chǎn)生特殊的氣流模式。這種效應(yīng)可以改變建筑物周圍的風(fēng)能資源,并影響到整個(gè)建筑小區(qū)的風(fēng)能利用。合理設(shè)計(jì)建筑簇團(tuán)可以提高整體的風(fēng)能利用效率。建筑物簇團(tuán)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)速加速或減緩、氣流經(jīng)路改變、渦流增強(qiáng)等特征,需要通過數(shù)值模擬等手段進(jìn)行深入分析。建筑物邊界層效應(yīng)邊界層形成建筑物與空氣流經(jīng)時(shí),會(huì)在建筑表面形成一層邊界層。邊界層是一個(gè)過渡區(qū)域,從建筑表面到自由流區(qū)域之間的氣流速度變化區(qū)域。邊界層流動(dòng)特點(diǎn)建筑物邊界層內(nèi)的氣流速度較低,流動(dòng)不穩(wěn)定,容易發(fā)生流分離和湍流。這會(huì)影響建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)分布,需要進(jìn)行模擬分析。邊界層對(duì)建筑的影響邊界層的形成會(huì)改變建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)分布,直接影響到風(fēng)能的利用潛力。因此需要重點(diǎn)研究和分析建筑物邊界層效應(yīng)。建筑氣流模擬分析1模型建立根據(jù)建筑物的幾何特征和周圍環(huán)境條件建立數(shù)值模型2網(wǎng)格劃分采用合適的網(wǎng)格方法對(duì)模型進(jìn)行離散化3邊界條件設(shè)置設(shè)置風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等邊界條件4求解計(jì)算采用合適的湍流模型進(jìn)行數(shù)值求解通過建筑氣流模擬分析,可以預(yù)測(cè)建筑物周圍的風(fēng)場(chǎng)分布、風(fēng)速場(chǎng)、湍流場(chǎng)等,為建筑物的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。模擬過程包括模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置和數(shù)值求解等步驟,需要選擇合適的物理模型和數(shù)值算法。建筑風(fēng)能系統(tǒng)類型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)適合安裝在中小型建筑物上,可為建筑提供部分電力或熱水供應(yīng)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電通過建筑物本身的氣流引導(dǎo)效應(yīng),可提高發(fā)電效率,適用于建筑立面。水平軸風(fēng)力發(fā)電能充分利用上層樓宇的高空風(fēng)資源,通過合理的建筑設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電。風(fēng)能供暖/制冷系統(tǒng)利用建筑物的邊界層效應(yīng),通過自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)建筑物的被動(dòng)式供暖或制冷。建筑小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)能在建筑物中的一種經(jīng)濟(jì)有效的應(yīng)用形式。它們占地面積小、維護(hù)簡(jiǎn)單、噪音低、適用性強(qiáng)，能夠?yàn)榻ㄖ锾峁┣鍧?、可再生的電力。這類風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般安裝在建筑物屋頂或外墻上，利用建筑物周圍的氣流來產(chǎn)生電力。與大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，它們的發(fā)電效率相對(duì)較低，但在城市環(huán)境中更具有應(yīng)用前景。建筑垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用獨(dú)特的豎直旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì),能夠從任何方向吸收風(fēng)能。它們的構(gòu)造簡(jiǎn)單,易于安裝和維護(hù),即便在建筑環(huán)境中也能穩(wěn)定運(yùn)行。相比水平軸風(fēng)機(jī),垂直軸風(fēng)機(jī)能更好地利用建筑物周圍的復(fù)雜氣流。這種設(shè)計(jì)適合安裝在建筑物頂部或立面上,可以有效利用建筑帶來的渦流和加速效應(yīng),提高發(fā)電效率。同時(shí)它們體積較小,噪音也較低,更適合城市應(yīng)用。建筑水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是最常見的建筑風(fēng)能利用設(shè)備。其采用水平旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行的設(shè)計(jì),利用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。相比垂直軸風(fēng)機(jī),水平軸風(fēng)機(jī)通常具有更高效率和更大發(fā)電功率。水平軸風(fēng)機(jī)主要安裝在建筑物的頂部、立面或邊緣位置,利用建筑物產(chǎn)生的氣流進(jìn)行發(fā)電。合理的選址和布局是保證水平軸風(fēng)機(jī)工作效率的關(guān)鍵因素。建筑風(fēng)能供暖系統(tǒng)1動(dòng)力供熱利用建筑物上安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供的電力驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)建筑物的供暖需求。2被動(dòng)式供熱通過合理的建筑設(shè)計(jì),使建筑物能夠最大程度地吸收來自風(fēng)能的熱量,從而降低供暖成本。3混合供熱模式將主動(dòng)式供熱和被動(dòng)式供熱相結(jié)合,以提高整個(gè)供暖系統(tǒng)的能源利用效率。4系統(tǒng)集成將風(fēng)力發(fā)電、熱泵、蓄熱裝置等多種技術(shù)融為一體,實(shí)現(xiàn)建筑物的全面供暖。建筑風(fēng)能冷卻系統(tǒng)利用風(fēng)能進(jìn)行建筑制冷通過利用建筑物外部的風(fēng)能,可以驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)系統(tǒng)或風(fēng)機(jī)來降低室內(nèi)溫度,從而減少對(duì)電力的依賴,提高建筑能源利用效率。被動(dòng)式風(fēng)能制冷系統(tǒng)這種系統(tǒng)利用建筑外部的風(fēng)流通過建筑物內(nèi)部的通風(fēng)管道,帶走室內(nèi)熱量,實(shí)現(xiàn)自然降溫的效果。無需電力驅(qū)動(dòng),能耗低。主動(dòng)式風(fēng)能制冷系統(tǒng)結(jié)合建筑風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng),將產(chǎn)生的電力用于驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī),實(shí)現(xiàn)建筑物的機(jī)械制冷。能耗和環(huán)境影響較小。混合式風(fēng)能制冷系統(tǒng)結(jié)合被動(dòng)式和主動(dòng)式制冷系統(tǒng),根據(jù)季節(jié)變化和建筑需求,靈活選擇最佳制冷方式,最大化風(fēng)能利用效率。建筑風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)電網(wǎng)接入建筑風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)需要與電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng),以確保電力的穩(wěn)定供應(yīng)和輸送。逆變器技術(shù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要使用逆變器將變流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同步的交流電。能量調(diào)節(jié)電網(wǎng)并網(wǎng)需要采用能量調(diào)節(jié)技術(shù),確保風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率與電網(wǎng)需求匹配。智能電網(wǎng)未來的建筑風(fēng)能發(fā)電將與智能電網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和智能調(diào)度。建筑風(fēng)能電儲(chǔ)能系統(tǒng)1電能儲(chǔ)存將建筑風(fēng)能產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在電池、蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備中,以備不時(shí)之需。2負(fù)荷峰值平衡儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在用電高峰時(shí)放電,在用電低谷時(shí)充電,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)平衡。3電網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平滑建筑風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)輸出,提高并網(wǎng)穩(wěn)定性。4提高能源利用效率儲(chǔ)能系統(tǒng)可以充分利用建筑的間歇性風(fēng)能,提高能源利用效率。建筑風(fēng)能系統(tǒng)的平面布置合理布局根據(jù)建筑物特點(diǎn)和風(fēng)力資源分布,采用合理的平面布局可以最大化風(fēng)能收集效率。空間利用將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能電池、逆變器等合理安排在建筑物屋頂或外墻上,充分利用有限的空間。屋頂布局利用建筑物屋頂作為安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的位置,既不影響建筑功能,又能提高風(fēng)能利用效率。建筑風(fēng)能系統(tǒng)的立面設(shè)計(jì)立面設(shè)計(jì)是建筑風(fēng)能系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)。需要根據(jù)建筑物的外觀特征和周圍環(huán)境因素,選擇合適的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安裝位置和方式,并進(jìn)行細(xì)致的外觀集成。設(shè)計(jì)師要考慮發(fā)電設(shè)備的噪音控制、電纜走線、設(shè)備支架等多方面因素,確保風(fēng)能系統(tǒng)安全美觀地融入建筑立面。建筑風(fēng)能系統(tǒng)的安裝1選址優(yōu)化針對(duì)建筑物的特點(diǎn)和周圍環(huán)境,優(yōu)化風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的安裝位置,最大化風(fēng)能利用效率。2基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)根據(jù)風(fēng)機(jī)尺寸和重量,建設(shè)牢固穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施,確保風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。3系統(tǒng)調(diào)試對(duì)風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)等部件進(jìn)行細(xì)致調(diào)試,確保各組件協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn),發(fā)揮最大性能。建筑風(fēng)能系統(tǒng)的維護(hù)定期檢查定期對(duì)風(fēng)能系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行檢查和保養(yǎng),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)問題。潤(rùn)滑保養(yǎng)定期對(duì)軸承、齒輪等關(guān)鍵部件進(jìn)行潤(rùn)滑,確保運(yùn)轉(zhuǎn)順暢。清潔維護(hù)定期清潔葉片、風(fēng)機(jī)的表面,避免污垢對(duì)性能的影響。故障排除及時(shí)診斷并修復(fù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障,確保系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析$10K初始投資建立一個(gè)中型風(fēng)電場(chǎng)需要數(shù)十萬到數(shù)百萬美元的資金投入。$0.03發(fā)電成本風(fēng)電的發(fā)電成本已低至每千瓦時(shí)3美分,與化石燃料發(fā)電相當(dāng)。15Y投資回收期風(fēng)電場(chǎng)的投資回收期通常為10-15年,遠(yuǎn)低于核電和火電。30%利潤(rùn)率風(fēng)電項(xiàng)目的利潤(rùn)率可達(dá)30%以上,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境影響評(píng)估風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)雖然是無碳排放的清潔能源,但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些環(huán)境影響,包括噪音污染、生態(tài)影響、視覺景觀影響等。需要通過評(píng)估這些指標(biāo),采取針對(duì)性的緩解措施,最大限度降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。國(guó)內(nèi)外建筑風(fēng)能應(yīng)用案例國(guó)內(nèi)案例：北京北航教學(xué)樓北京航空航天大學(xué)的新教學(xué)樓采用了集成式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),利用建筑物的表皮來收集風(fēng)能,年發(fā)電量可達(dá)13萬度電,有效補(bǔ)充了建筑物的用電需求。國(guó)外案例：深圳平安金融中心深圳平安金融中心大廈采用了先進(jìn)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,裝機(jī)容量達(dá)1.5兆瓦,為寫字樓提供可再生能源,在高層建筑應(yīng)用風(fēng)能發(fā)電的先驅(qū)項(xiàng)目之一。國(guó)外案例：倫敦圣瑪麗軸承位于英國(guó)倫敦的圣瑪麗軸承大樓采用了水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),每年可為建筑物節(jié)省約80%的電力費(fèi)用,是集風(fēng)能供電與雨水收集于一體的多功能綠色建筑。國(guó)內(nèi)案例：上海東方明珠廣播電視塔上海東方明珠電視塔采用了自主研發(fā)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,每年可為塔體提供約2千萬度電,是國(guó)內(nèi)最大的建筑風(fēng)能供電系統(tǒng)之一。技術(shù)展望與發(fā)展趨勢(shì)智能控制技術(shù)未來的建筑風(fēng)能系統(tǒng)將應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高效、可靠和智能化的運(yùn)行。微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)小型化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造將進(jìn)一步提高，適用于不同的建筑環(huán)境。建筑一體化設(shè)計(jì)風(fēng)能系統(tǒng)與建筑物的一體化設(shè)計(jì)將成為未來趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更美觀、高效和可持續(xù)的建筑。新型材料應(yīng)用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的新型材料將用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片和塔架的制造，提高設(shè)備性能。課程總結(jié)重點(diǎn)總結(jié)本課程系統(tǒng)梳理了建筑風(fēng)能利用的基本原理、評(píng)估方法和關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)總結(jié)了建筑物蒙皮、簇團(tuán)和邊界層效應(yīng)對(duì)風(fēng)能利用的影響。應(yīng)用案例通過國(guó)內(nèi)外建筑風(fēng)能應(yīng)用案例分析,全面展示了建筑風(fēng)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)技術(shù)。發(fā)展趨勢(shì)展望了建筑風(fēng)能系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向,為學(xué)員們未來的實(shí)踐應(yīng)用提供了思路和方法。課后討論環(huán)節(jié)在本節(jié)課結(jié)束后,我們將組織一個(gè)課后討論環(huán)節(jié),讓學(xué)生們就所學(xué)知識(shí)進(jìn)行自由交流與探討。討論環(huán)節(jié)將鼓勵(lì)學(xué)生分享他們的想法和見解,并針對(duì)課程內(nèi)容提出問題和建議。這不僅有助于學(xué)生深化對(duì)建筑風(fēng)能利用的理解,也能為老師改進(jìn)授課內(nèi)容和方式提供寶貴意見。實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)在本節(jié)中，我們將通過實(shí)際操作來鞏固所學(xué)的建筑風(fēng)能利用的理論知識(shí)。學(xué)生將被分組,并分別完成模擬建筑物的CFD分析、不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)安裝調(diào)試等實(shí)踐訓(xùn)練任務(wù)。通過動(dòng)手實(shí)踐,學(xué)生可以更深入地理解氣流動(dòng)力學(xué)原理、風(fēng)能利用系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行特性,培養(yǎng)解決實(shí)際工程問題的能力。教師會(huì)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果解釋,并針對(duì)不同小組的問題提供現(xiàn)場(chǎng)答疑。學(xué)習(xí)心得交流在參加了這個(gè)為期三天的建筑風(fēng)能利用課程后,我深有感觸。這個(gè)課程不僅系統(tǒng)地介紹了風(fēng)能利用的基本原理和技術(shù),而且還幫助我們了解了建筑物在利用風(fēng)能方面的特殊效應(yīng),以及各種類型的建筑風(fēng)能系統(tǒng)。這些知識(shí)對(duì)我們?nèi)蘸髲氖孪嚓P(guān)工作有很大幫助。我特別感興趣的是課堂上老師生動(dòng)的演示和實(shí)物展示。通過這些直觀的方式,我們更好地理解了建筑風(fēng)能系統(tǒng)的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí),課