Задачи аэродинамики зданий

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Руководитель НИР, б/ст, б/зв, доцент	___________________ подпись, дата	О. П. Фёдоров (общее руководство)
Исполнитель НИР, Студент группы 1-ДАС-4 Исполнитель НИР, Студент группы 1-ДАС-4	___________________ подпись, дата ___________________ подпись, дата	Е. В. Донник (разделы 1, 2) Е. А. Скакунова (разделы 3, 4)
Нормоконтролер	___________________ подпись, дата	Е.Н. Волошина

РЕФЕРАТ

Отчет 53 с., 3 ч., 56 рис., 0 табл., 6 источников, 0 прил.

Ключевые слова: АРХИТЕКТУРА, ВЕТРЯНАЯ ЭНЕРГЕТИКА, АЭРОДИНАМИКА, РАСЧЕТ, ОБДУВ, РЕЗУЛЬТАТ, ВЕТЕР, ХАРАКТЕРИСТИКА, СОВРЕМЕННЫЕ АРХИТЕКТУРНЫЕ ФОРМЫ.

Предметом исследования является простые и сложные объемы , подвергающиеся аэродинамическому расчету.

Цель работы - исследовать аэродинамические характеристики современных архитектурных форм и их влияние на создание формообразующей концепции

Методология настоящей работы заключается в использовании методов математического исследования, таких как сетевое моделирование и визуализация. Также были проведены аэродинамические расчеты в ПО.

Результаты работы представлены в виде: отчета с таблицами- результатами и ёмкими выводами.

Научная и научно-практическая значимость работы заключается:

1. В приоритетности данного направления исследования во всем профессиональном мире;

2. В возможности внедрения результатов научно-исследовательской работы в курсовое проектирование студентов, с целью повышения грамотности и конкурентоспособности на современном архитектурном рынке;

3. В создании серьезной базы для продолжения исследования по данной теме и внедрения результатов в архитектурные мастерские.

Предполагаемое использование результатов НИР: тема данной научно-исследовательской работы является актуальной во всем мире, поэтому научная и общественная значимость результатов высока.
Запланированные результаты работы соответствуют мировому уровню исследований, т.к. вопросы, исследуемые в данной научной работе, обсуждаются на мировом уровне, ученые и архитекторы ищут решения вопросов, связанных с ВИЭ и аэродинамическими характеристиками архитектурных форм.
Так же следует отметить, что тема данной работы соответствует приоритетному направлению научно-исследовательской деятельности СПбГАСУ.
Результаты данной работы могут быть использованы архитектурными мастерскими, научными деятелями, студентами, пожелавшими учесть аэродинамическую составляющую в своем курсовом архитектурном проектировании с целью повышения уровня профессионализма. Так же мы предлагаем проводить мероприятия по ветроэнергетике и аэродинамическому расчету в СПбГАСУ для всех желающих.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ………………………………………..…………………….…6
1 Задачи аэродинамики зданий........……………………………………...8
1.1 Ветровые характеристики среды населенного пункта…………..8
1.2 Тепловая эффективность наружных ограждающих конструкций…………………………………………………………………………..9 1.3 Использование энергии ветра……………………………………..10 1.4 Факторы, влияющие на эффективное использование энергии ветра………………………………………………………………………..13 1.5 Использование энергии ветра в архитектурной среде…………14
2 Опыт использования интегрированных ветроэнергетических установок.........……………………………………………………………….…..19 3 Расчет аэродинамических характеристик стандартных форм и геометрий………………………………………………………………………....35 3.1 Описание программного обеспечения и его возможностей….35 3.2 Пример процесса работы в программе STAR CCM+…….…...36 3.3 Критерии выбора стандартной формы и геометрии….……...39 3.4 Расчет простых геометрических форм и сочетаний…………..40 3.5 Расчет сложных геометрический форм и сочетаний…...….…43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………..…50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…..…...………....…51

ВВЕДЕНИЕ

Архитектура — это область, которая находится в постоянном развитии. Совершенствуются и появляются новые конструктивные технологии, строительные материалы. Современная архитектура получает все новые и новые витки развития. Сегодня архитекторы и инженеры стали задумываться об энергоэффективности зданий. Стало понятно, что сейчас мало использовать строительные материалы, которые помогают качественно сохранить тепло и повысить образную эффектность – нужно что-то более глобальное, сориентированное на аспекты «зеленого» строительства.

В свою очередь ученые и исследователи говорят о масштабном использовании природных ресурсов, которое привело к их быстрому истощению и загрязнению экологии. По современным оценкам мировых запасов топливных ресурсов хватит еще на следующие 60–70 лет. Именно поэтому сегодня важно создавать «активную» архитектуру. Речь идет о том, чтобы здание не только сохраняло полученную энергию, но и производило свою. Альтернативные источники энергии, интегрированные в современную архитектуру, позволят зданию стать энергетически автономным (частично или полностью)

Данная область еще не получила достаточного развития и осмысления, ввиду своей инновационной идеологии. Именно поэтому у инженеров, архитекторов, исследователей в процессе работы над данными новыми технологиями возникает множество вопросов: как грамотно интегрировать ВЭУ в современные архитектурные объекты? От каких характеристик среды и здания зависит расположение и тип ВЭУ? Что позволяет архитектору и инженеру грамотно расположить ВЭУ в структуре здания? Аналогичные вопросы задают себе и студенты, задействованные в научно-исследовательской деятельности, направленной на изучение и внедрение альтернативных источников энергии даже на стадии учебного проектирования. [5]

Внедрение альтернативных источников энергии (конкретно ветроэнергетических установок) в архитектуру разного масштаба и вариативной типологии – процесс, требующий изучения и развития. Необходимы новые предложения и идеи. [11]

В данной научно- исследовательской работе изучена типология ветроэнергетических установок, аспекты, влияющие на производительность ветрогенераторов. На основе полученных знаний разработаны и предложены наиболее удачные структуры зданий/сооружений для интегрирования в них ветроэнергетических установок. Достоверность предложенных проектных решений подкреплена результатами аэродинамических расчетов, проведенных в программном обеспечении STAR- CCM+, на основе цифровой модели здания и заданных характеристик среды.

Задачи аэродинамики зданий

Использование энергии ветра

История.

Человечество во все времена задумывалось, как использовать энергию ветра. Люди понимали, она приводит в движение различные механизмы. Так, еще в начале 5000 г. до н.э. энергию ветра использовали для того, чтобы привести в движение лодку по реке Нил. В 200 г. до н.э., простые ветряные мельницы использовались в Китае для перекачки воды, в то время как ветряные мельницы с вертикальной осью служили персам для размола зерна на Ближнем Востоке. С течением времени ветряная энергетика развивалась, менялись технологии. На протяжении все истории люди так или иначе использовали ветер как потенциальный источник энергии.

Но в XIX-XX вв., в связи со стремительно развивающимся научно-техническим прогрессом стали активно разрабатываться месторождения нефти, угля, газа – таким образом, все достижения в ветряной энергетике прошлых десятилетий были забыты.

Однако, в конце XX – нач. XIX в. человечество проследило негативный след в активной добыче полезных ископаемых для экологии и всей планеты в целом. Настал момент вернуться к забытым достижениям, усовершенствовать их и внедрить в современную жизнь. Этим стали заниматься ученые, исследователи и многие другие профессиональные кадры.

Нельзя не отметить, что Россия – страна, обладающая наибольшим в мире ветропотенциалом, ресурсы ветровой энергии нашей страны определены в 10,7 ГВт. Именно поэтому вопрос интегрирования ветроэнергетических установок в современную архитектуру актуален и важен.

Виды ВЭУ и принцип работы.

Существует два основных типа ветроэнергетических установок:

1. С горизонтальной осью вращения - имеют сложную конструкцию, зато обладают более высоким коэффициентом использования энергии ветра, поэтому чаще применяются в промышленности)

2. С вертикальной осью вращения - наиболее просты по конструкции, однако не так продуктивны.

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. [9]

По классификации геометрии ветроколеса, ветрогенераторы делят на:

1. Тихоходные.

2. Быстроходные.

Геометрическое заполнение ветроколеса определяется числом лопастей. Тихоходные ветроэнергетические установки с большим геометрическим заполнением ветроколеса достигают значительной мощности в условиях слабого ветряного потока и малых оборотах.

Быстроходные ВЭУ с малым заполнением ветроколеса достигают достаточно высокой мощности, но при больших оборотах ветроколеса.

Если смотреть на направление оси вращения ветроколеса относительно воздушного потока, то ветроэнергетические установки подразделяются на:

1. горизонтально-осевые (рисунок 1);

2. вертикально-осевые (рисунок 1).

Ветрогенераторы с горизонтальной осью, зачастую, пропеллерного или крыльчатого. В таком случае плоскость вращения ветроколеса перпендикулярна направлению воздушного потока, а ось в свою очередь параллельна потоку. Основная вращающая сила - подъемная сила.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения в условиях своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении, ось вращения ветроколеса перпендикулярна воздушному потоку. Вращающей силой является сила сопротивления, и линейная скорость ветроколеса меньше скорости ветра

Рисунок 1 - Виды ветроколес с горизонтальной (а) и вертикальной осью (б):

1 – однолопастное колесо; 2 – двухлопастное; 3 – трехлопастное;

4 – многолопастное; 5 – чашечный анемометр; 6 – ротор Савониуса;

7 – ротор Дарье; 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной научно-исследовательской работе была исследована актуальная и важная в современном научном и архитектурном мире проблема: ветроэнергетика и аэродинамические характеристики в современных архитектурных объектах.

Были изучены истоки использования ветра людьми как источником энергии в древности, исследованы факторы, влияющие на выбор места для здания/сооружения с последующей интеграцией в него ветроэнергетической установки.

По итогам проведенных аэродинамических расчетов простых и сложных геометрических форм и их сочетаний были выявлены наиболее верные локации для ветрогенераторов в современных архитектурных объектах и формах.

Данное исследование является серьезной базой для продолжения изучения данной проблематики и усовершенствования форм, с последующей интеграцией ветроэнергетических установок.