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密集高層建築藉建築型態配置與角隅構型氣動優化以提升城市風能永續發展

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作者:楊安石 特聘教授、阮于軒 助理教授
系所:機械工程系

摘要

長期以來風能發展各國積極集中在離岸風電和陸上大型風電,但兩者皆發展因所占面積大且改變地貌對環境生態負面影響受限。近年城市風電則以能在既有結構發展、對土地無獨占性、且能避免長距離電力輸送的耗損而受到先進國家關注,加上能與其他潔淨能源搭配發展多用途,極具開發潛力,其對土地面積有限之國家來發展綠能十分友善。在城市中,高層建築的建築型態與風能利用密切相關,密集建築配置導致風穿越建築群體間因相互干擾造成氣流紊亂之非定向風場分佈,故環境風能分析對城市風能應用極具重要性。然則傳統的高層建築設計及城市規劃的實踐多缺乏對城市風能發展的考量,也鮮少關注高層建築修正其角隅形狀以提升風力的設計理念。 本案例採高精度計算流體力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 模擬探討高層建築型態配置與角隅構型設計對密集城市風場影響。本案例亮點在於考量高層建築型態和其不同角隅構型設計,將高層建築本身配合密集城市街廓配置設計進而增大街廓環境風速以提升風電潛力,並提出在高層建築上有利集風的安裝位置。一般建築師缺乏對城市風能發展的關注,此設計理念可實踐在高層建築設計充分利用城市風能,透過數值模擬進行參數化設計分析不同建築邊緣角隅構型,以評估其氣動優化提高其潛在風能。除選定高風能密度區域外,更需配合考量選擇紊流強度較低之位置,尤其城市環境中紊流風易受建築構型與及地形影響而造成高紊流強度區域,導致風力渦輪機旋轉葉片受過大疲勞應力而損壞,故評估集中選定高風能密度且低紊流強度區域,以提供風機穩定運轉發電條件。圓角角隅構型除藉由氣動優化角隅邊緣使滑順增加風速能提高風能密度,亦更為降低其紊流強度。針對潛在風機安裝位置,顯示建築垂直面之建築間距間以高層建築一半高度處為最佳安裝區域,而側邊垂直牆部分以下游建築之後圓角角隅邊緣一側為最佳安裝區域。同時,增加圓角角隅構型之圓角半徑長度可增大風能密度及降低紊流強度。由上述結果顯示,充分利用建築型態配置與角隅構型設計可實城市永續發展風力發電的提高,在未來促進主要 SDG 目標 7- 獲得更多可負擔的潔淨能源與其他 SDG 目標 ( 例如其潔淨性與發展性對 SDG11- 永續城市與社區 ) 的共同達成有正面助益。

關聯 SDG 目標

13氣候行動
16制度的正義與和平
17永續發展夥伴關係
4優質教育
7可負擔的永續能源