《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：CFD assessment of wind energy potential: A combined framework of urban morphology and design modification of high-rise buildings with voids
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城市形态与建筑空腔设计对高层建筑群风能产出的协同优化研究。通过风洞实验与CFD模拟验证，发现λp=0.33、错列位移S=0.22B的六层建筑阵列结合半开放式空腔设计，可使屋顶、建筑间隙及空腔通道处的风功率密度分别达到0.46、0.62和0.33倍参考值，同时保持湍流强度在0.16以下可接受范围。研究成果为高密度城区建筑布局优化与风能开发提供理论依据。
杨安植|罗元龙|李正通|李阳|文志勇|江俊宇|李怡婷
台湾国立台北科技大学能源与制冷空调工程系，台北106
摘要 为追求城市能源的可持续性，人们正在加大努力，致力于将全球能源系统从依赖化石燃料转变为零碳系统。本研究旨在提出一种结合城市形态学和建筑设计修改的框架，通过利用空隙来提高城市风能的利用率。实验中，使用边界层风洞测量了建筑模型中的顺流平均速度和湍流强度，以验证计算模型的准确性。通过计算流体动力学（CFD）模拟进行了性能导向的分析，探讨了城市形态（即平面面积密度（λ_p）和错位排列（S）以及空隙集成建筑布局对城市风能的影响。然后利用归一化风功率密度（PD/PD_ref）和参考湍流强度（I_ref）等指标来评估城市风能的利用情况。考虑到风能潜力较大的情况（PD ≥ 100 W/m2，即PD/PD_ref ≥ 0.33），CFD结果表明，λ_p = 0.33、S = 0.22B以及半开放式空隙设计的布局最为理想，在建筑屋顶、建筑侧面以及空隙通道上方分别获得了0.46、0.62、0.33的PD/PD_ref值，且所有这些数值都在空隙建筑阵列中可接受的湍流强度I_ref限值0.16范围内。
引言 作为应对气候挑战的关键措施，推广可再生能源对于减少对化石燃料的依赖、从而降低温室气体（GHG）排放具有重要意义（Ohene等人，2023年）。风能作为一种最常见的可再生能源，因其几乎不产生温室气体排放且对环境友好而成为化石燃料的绿色替代品（Higgins和Stathopoulos，2021年）。实际上，建筑环境中的风力涡轮机（BWTs）和集成在建筑中的风力涡轮机（BUWTs）已在多个国家得到广泛应用（Anup等人，2019年）。这些BUWTs在低层住宅和高层建筑中展现出巨大的应用潜力（Liu等人，2025年；Shiraz等人，2020年），有助于实现净零碳目标（Gan等人，2023年）。
城市形态对城市的能源可持续性和气候韧性有着重要影响（Perera等人，2021年）。Elzeni等人（2022年）的文献综述指出，城市形态的主要特征，包括城市形态（如密度、布局和高度）和城市格局（如街道、树冠和开放空间），在城市化过程中演变成了高度复杂且相互关联的城市结构。具体而言，城市形态会显著影响风流结构（Yang等人，2016年），进而影响城市地区的可再生能源潜力，这从可持续性的角度凸显了城市形态的重要性（Toja-Silva等人，2013年）。例如，Heath等人（2007年）分析了6×4立方体阵列中简单斜屋顶建筑周围的风场，以确定不同风向下的最佳安装位置。Lu和Sun（2014年）研究了香港不同城市类型中季节性风所产生的风能潜力，通过改变建筑群之间的间距、高度差和屋顶形状进行了研究。Juan等人（2022年）评估了建筑布局和高度对建筑周围风能潜力的影响。他们的结果表明，在相同平面面积密度下，错位排列的垂直轴风力涡轮机（VAWTs）的安装位置最为有利，能够提高建筑的通风率，增强城市的透气性。Zaki等人（2022年）应用了大涡模拟（LES）湍流模型来预测城市区域密度和错位建筑阵列对风速分布的影响。Juan等人（2021年）使用CFD工具分析了6×6高层建筑阵列中城市形态对风能潜力的影响。研究表明，在紧凑到稀疏的城市密度下，错位排列的建筑布局能够产生相对较高的风能潜力，并降低屋顶上的湍流强度。然而，在人口密集的城市中，修改整个地区的城市形态或建筑布局极为困难。因此，局部修改建筑形式、创造特定的建筑形状以适应风能应用更为实际。已有大量研究探讨了具有不同屋顶形状的高层建筑周围的风环境（Ledo等人，2011年；Toja-Silva等人，2013年；van Druenen等人，2019年；Zhou等人，2017年；Juan等人，2024年；Yang等人，2016年；Jafari和Kosasih等人，2014年；Ruiz等人，2021年）。例如，Ledo等人（2011年）研究了保留斜屋顶、平屋顶和金字塔形屋顶的建筑上的风流行为，结果发现平屋顶设计在其他两种屋顶类型中提供了最大且更持续的风功率密度。Jafari和Kosasih（2014年）通过计算模拟评估了位于高层建筑通道中的小型水平轴风力涡轮机的运行性能，发现开口结构使风力涡轮机的功率系数提高了30%。尽管这些重要的CFD研究强调了城市风能技术的机遇和挑战，但以往的文献回顾表明，关于将空隙设计融入建筑的关注较少。关于空隙建筑的研究主要集中在风荷载、通风和风能采集方面，而将空隙与建筑结合则发展成一种有前景的建筑技术，可以在不占用土地的情况下获得所需的风特性（Yuan和Ng，2012年）。表1概述了关于城市通风和风能潜力评估的实验和CFD研究。
然而，现有的研究成果仍不足以指导实际的城市规划，以了解区域风能产量的特征。大多数先前论文主要关注通过调整城市形态来改变风流模式；很少有研究使用多目标优化策略全面探讨城市形态和空隙配置对风能评估的综合影响。此外，将空隙整合到高层建筑中已成为现代建筑的一个显著趋势，这既出于美学考虑，也出于改善通风、减少风荷载和增强生态可持续性的功能需求（Ayhan和Sa?lam，2012年；Hassanli等人，2019年）。这些空隙空间为在城市环境中经济可行地部署风力涡轮机提供了可能性（Toja-Silva等人，2015年）。在我们之前的研究（Lee等人，2023年）中，我们探讨了具有空隙的高层建筑周围的气流模式、压力系数和风能生成特性。研究结果表明，空隙的合理布置能够在上游主通道和空隙通道上方形成较高的风能潜力及适宜的湍流强度，这些位置是安装涡轮机的理想场所。作为后续研究，为了进一步探讨周围结构造成的气流阻塞对风能采集的影响，我们将上述2×2高层空隙建筑置于6×6建筑阵列的中心，以评估更接近实际城市街道峡谷场景下的风能生成情况。本研究旨在通过系统分析城市格局和空隙布局对高层建筑阵列中风能潜力的双重影响，填补这一研究空白。CFD计算预测的风速大小和湍流强度与风洞实验的测量数据进行了比较，以验证数值模型的准确性。随后，CFD模拟进一步扩展到研究城市布局（即平面面积密度、错位排列）和建筑修改（通过空隙形状）的联合框架，从而确定适合安装风力涡轮机以发电的位置。
部分摘录 风洞实验 实验在淡江大学风工程研究中心的边界层风洞中进行。风洞测试段的尺寸为长12米、宽2.2米、高1.8米。如图1(a)所示，有两个按1:300比例缩放的建筑模型，由36个方形塑料棱柱组成，排列成规则的6×6建筑阵列。相关立方体的尺寸为0.067米×0.067米×0.30米（长×宽×高）。
计算域和数值描述 为了简化空隙设计的实现方法，本研究采用了一个理想化的6×6建筑阵列，包含36个全尺寸的高层建筑模型，用于评估城市街道峡谷周围的风能资源（见图2(a)）。每个建筑长20米（L）、宽20米（B）、高90米（H），相邻建筑之间的街道宽度为15米（w）。这些空隙位于两栋上游建筑的中间（=0.5H）。
结果与讨论 为了评估风能资源，使用公式（9）计算相关功率密度（PD）：
P D = 1 2 ρ u 3 。 符号ρ和u分别代表空气密度和风速大小，功率密度进一步通过参考功率密度（即PD/PD_ref）进行归一化。参考功率密度为301.9 W/m2，计算时采用了45米高度处的平均风速7.94 m/s，以此确定空隙通道的预期安装位置。
分析局限性 分析的局限性如下：
(1) CFD分析集中在6×6的一般高层建筑阵列上，开口位于两个上游空隙建筑的中部高度（=0.5H）。本研究未考虑非均匀建筑高度和不同街道峡谷宽度对城市风环境的影响。在常见和实际的城市布局中，风能潜力的评估应考虑这些因素。
结论 CFD模拟和风洞实验采用了平面面积密度、错位排列和空隙形状等关键设计参数，来评估6×6紧凑型高层建筑阵列中的风能潜力。分析重点关注屋顶、建筑侧面以及空隙通道上的风能结果，包括功率密度和湍流强度。这些发现可以为城市规划提供支持，有助于推动可持续设计原则的实现。
作者贡献声明 杨安植： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，监督，资金获取，概念构思。罗元龙： 撰写 – 审稿与编辑，概念构思。李正通： 软件开发，形式分析。李阳： 验证，形式分析，数据管理。文志勇： 监督，概念构思。江俊宇： 软件开发，方法论，数据管理。李怡婷： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，概念构思。
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 本研究部分成果得到了台湾地区国家科学技术委员会 （合同编号：MOST 111-2221-E-027-045-MY3）的支持。
