بخشی از مقاله
چکیده افزایش علاقه در میان معماران به طراحی ساختمانهایی سازگار با محیطزیست منجر به استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در ساختمانها گردیده است. در میان انرژیهای نو ظهور، انرژی بادی به دلیل راندمان تولید انرژی بالا، دسترسی آسان و سازگاری با محیط زیست از جایگاه ویژهای برخوردار میباشد. به منظور استفاده از توربین-های بادی بر روی بام ساختمانها یافتن مکان مناسب نصب در میزان توان خروجی توربین تاثیر بسزایی دارد.
در این پژوهش جریان باد بر روی ساختمان خورشیدی پژوهشگاه مواد و انرژی به منظور شناسایی نقاط مناسب برای نصب توربینهای بادی شبیه سازی و شناسایی شده است. شبیه سازی به صورت سه بعدی و با استفاده از مدلهای آشفتگی مبتنی بر معادلات ناویر-استوکس متوسط گیری شده در نرم افزار فلوئنت انجام شده است.
.1 مقدمه
امروزه با گسترش روزافزون جوامع انسانی و توسعه صنعتی آنها، نیاز به منابع انرژی بیشتر شده و از طرفی افزایش نگرانیها در خصوص آلودگی هوا و همچنین بحران انرژیهای فسیلی باعث شده است تا تولید انرژی از طریق منابع تجدیدپذیر بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. در میان انرژی-های نو ظهور، انرژی بادی به دلیل هزینههای پایینتر تولید انرژی، راندمان تولید انرژی بالا، دسترسی آسان و سازگاری با محیطزیست از جایگاه ویژه-ای برخوردار میباشد.
در کنار توسعه توربینهای متوسط و بزرگکه معمولاً در مناطق خارج از شهر نصب میشوند، در جهت رویکرد تولید پراکنده، اقبال به سمت توربینهای کوچک رو به افزایش است. در این میان افزایش علاقه معماران و طراحان به منظور طراحی ساختمانهایی سازگار با محیط-زیست منجر به استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر نظیر انرژی بادی و خورشیدی در ساختمانها گردیده است. به منظور استفاده از توربینهای بادی بر روی بام ساختمان ها یافتن مکان مناسب نصب از اهمیت زیادی برخوردار میباشد و شکل ساختمان بر روی جریان باد و در نتیجه توان خروجی توربین تاثیر بسزایی دارد.
شبیه سازی جریان باد برروی ساختمان خورشیدی پژوهشگاه مواد و انرژی به منظور شناسایی مکان مستعد برای نصب توربین بادی پژوهشهای زیادی به منظور شبیهسازی جریان باد حول ساختمان انجام شده است اما این تحقیقاتغالباً به منظور استفاده از جریان باد برای تهویه طبیعی هوا ، شبیهسازی جریان باد به منظور مطالعه شرایط آسایش اطراف ساختمان-ها و شبیهسازی عددی جریان حول ساختمانها به منظور بررسی تاثیر جریان باد برروی استحکام ساختمانها انجام شده است و پژوهشهای کمی با هدف مدل کردن جریان حول ساختمان به منظور استفاده از توربینهای بادی شهری انجام شده است.
با وجود پتانسیل بالای توربینهای بادی لدو و همکاران [3] به تشریح دلایل نصب و راه اندازی محدود توربینهای بادی در مناطق شهری اشاره میکنند و سرعت پایین یا متوسط باد، شدت توربولانس بالا و آلودگی صوتی و ایجاد نویز آیرودینامیکی ناشی از حرکت پرهها را از جمله دلایل عدم تمایل معماران و سازندگان به نصب توربینهای بادی برروی بام ساختمانها میدانند.
تاثیر ساختمانهای مجاور برروی توربینهای بادی که سبب کاهش سرعت باد و ایجاد ناحیه توربولانس قوی میشوند نیز یکی دیگر از دلایلی است که باعث نصب محدود توربینهای بادی کوچک در مناطق شهری و ساختمانها میشود لذا توربینهای بادی باید در قسمتی از بام ساختمان نصب شوند که ساختمانهای مجاور کمترین تاثیر را در آن ناحیه داشته باشند.
بلکمور [4] به بررسی و امکانسنجی نصب توربینهای بادی میپردازد و بیان میکند که اگر توربینهای بادی نصب شده برروی بام ساختمانها در مکان اشتباه نصب شوند، توان خروجی از توربینهای بادی ممکن است برای مدت قابل توجهی حتی در زمآنهای که سرعت وزش باد بالا باشد به صفر میل نماید. رافائلیدیس[5] نشان میدهد که جریان باد وشدت توربولانس برروی بام ساختمانها به شدت وابسته به شکل پروفیل بام ساختمانها میباشد.
همچنین داتون و همکاران [6] بیان میکنند که شکل بام ساختمان میتواند باعث افزایش و یا کاهش سرعت باد و همچنین ایجاد میدآنهایی با توربولانس کم و یا زیاد شوند که تاثیر بسزایی در میزان توان بدست آمده از توربینهای بادی دارند. بلکمور [7] و سارا لوئیس [8] به اهمیت شکل بامهای ساختمان برروی عملکرد توربینهای بادی تاکید میکنند و بیان میکنند که پژوهشها و مطالعات CFD کمیدر خصوص شبیه سازی جریان باد در نزدیکی بام ساختمانها به منظور نصب توربینهای بادی انجام شده است.
لدو [9] جریان باد را برروی بامهای هرمی و مسطح تحت سه زاویه باد 0، 45 و 90 درجه به منظور نصب توربینهای بادی مورد مطالعه قرار داد و به این نتیجه رسید که چگالی توان در بامهای مسطح بیشتر میباشد همچنین بامهای مسطح نسبت به بامهای هرمی برای نصب توربین-های بادی مناسبتر میباشند. موراکامیدر سالهای 1988، 1989 و 1990 از هر دو روش LES و RANS برای تخمین جریان حول مکعب و ساختمانهای پیچیده استفاده کرد.[12-10]
وی نشان داد که ابعاد شبکه به کار رفته و شرایط مرزی به طرز موثری بر روی جوابها تاثیر میگذارند. او با استفاده از یک شبکه ریز و اعمال صحیح شرایط مرزی توانست جوابهای میانگین سرعت و فشار نسبتاً خوبی بدست آورد. او از نتایج کارها این گونه جمع بندی کرد که به-طور کلی روش LES نسبت به روشهای میانگین گیری زمانی برای محاسبه جریان حول ساختمان ارجحیت دارد، اما در روش LES نیز اختلاف جواب وجود دارد. رودی [13] مقایسهای میان LES و RANS انجام داد و نشان داد که LES نسبت به روشهای RANS بهتر عمل میکند و از پتانسیل بالایی برای شبیه سازی جریانهای پیچیده برخودار است. اما مشکل اساسی LES هزینه محاسباتی بالای این روش میباشد.
هنگام اندیشیدن به تولید برق بادی از طریق توربینهای نصب شده بر روی ساختمان ها اولین نکته قابل توجه شرایط جوی باد در آن منطقه می باشد. واضح است که در صورت نبود منابع کافی باد در منطقه امکان استفاده موفقیت آمیز از توربین ها محدود می گردد. به واقع نخستین گام بدست آوردن سرعت و جهت باد غالب در منطقه میباشد برای این منظور از اطلاعات ایستگاه سینوپتیک1 محمدشهر کرج استفاده شده است. براساس اطلاعات بدست آمده از سال - 1985-2010 - سرعت باد غالب در منطقه در ارتفاع 10 متر 4/35 m/s میباشد که با استفاده از »رابطه «1 سرعت باد در ارتفاع 13 - ارتفاع ساختمان - برابر 4/7 m/s و جهت باد غالب 315 درجه میباشد.
در محاسبات عددی سه مرحله اصلی وجود دارد.
-1 تولید هندسه و مش بندی مدل که توسط پیش پردازنده2 انجام میشود. شبیه سازی جریان باد برروی ساختمان خورشیدی پژوهشگاه مواد و انرژی به منظور شناسایی مکان مستعد برای نصب توربین بادی
-2 حل کردن معادلات حاکم که توسط حل کننده3 انجام میشود.
-3 نمایش نتایج که توسط پس پردازنده4 انجام میشود.
.2 پیش پردازش
پیش پردازش مرحلهای است که اهداف مدل سازی مثل تولید هندسه و تولید شبکه در آن تعریف میشود. این مرحله در واقع زمان بر ترین قسمت از حل مسئله میباشد. اندازه شبکهها و کیفیت آنها از نکات مهمی میباشند که باید در این بخش به آنها توجه کرد.
.2.1 مدل سازی هندسی
ساختمان انرژی صفر پژوهشگاه مواد و انرژی با زیربنای 2000 متر مربع در دو طبقه و در قسمت شمال پژوهشگاه مواد و انرژی احداث شده است به منظور تامین نیاز انرژی ساختمان از عواملی مانند بادگیر و گلخانه در معماری ساختمان و همچنین کلکتور بر روی بام ساختمان استفاده شده است که تمامی این عوامل خارجی بر روی جریان باد تاثیر میگذارند. این موانع سبب تشدید یا تضعیف سرعت باد و ایجاد نواحی آشفته در اطراف و روی ساختمان میشوند.
قسمتی از این جریان به طرف بالا و رو به باد و قسمتی به سمت پایین حرکت میکند تا گردبادی بزرگ که منجر به تولید فشار میشود شکل گیرد. در سطح و در دو طرف ساختمان فشار زیادی مشاهده میگردد همزمان با عبور باد از ساختمانها و موانع در محل جریان، باد آشفته و پر تلاطم می-شود. به منظور مدل سازی هندسه ساختمان از نرم افزار GAMBIT 2.3.16 استفاده شده است.
از آنجا که کلیه اجزای ساختمان شامل نورگیر، بادگیرها و کلکتورهای موجود بر روی بام ساختمان بر روی جریان باد تاثیر دارند لذا این عوامل تماماً در مدل سازی ساختمان لحاظ شدهاند. »شکل «3 هندسه ساختمان مدل شده را نشان میدهد. به طور کلی هر ساختمان به تنهایی در مقابل جریان باد، دارای مناطق آیرودینامیکی در اطراف خود میباشد. ساختمانها بسته به نحوه قرارگیری خود نسبت به جهت جریان باد، تأثیرات دوگانهای بوجود میآورند که شامل تشدید یا رکود جریان باد است. »شکل «2 تاثیر ساختمان بر جریان باد را نشان میدهد.
