DISPOSITIVI DI RACCOLTA DI ENERGIA EOLICA INTEGRATI IN ARCHITETTURAModellazione e analisi performativa di turbine eoliche innovative integrate nell'architettura per la raccolta di energia e la ventilazione degli edifici

Städte haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Gebäudehöhen, Straßenkorridore und Freiflächen ein wichtiges Potenzial bei der Schaffung von Windbeschleunigungszonen. Durch Gebäude erzeugte Luftströmungen galten lange Zeit als störend für die Stadt. Diese Forschung zum urbanen Wind unter Verwendung fortschrittlicher Computer-Fluiddynamik-Modellierung (CFD) zeigt, dass man das Potenzial beschleunigter Luftströmungen um Gebäude präzise lokalisieren und bewerten kann. Wie würden Städte in Zukunft aussehen, wenn Architekten diese Technologie aufgreifen und Mikrowindturbinen in ihr Design integrieren?Diese Forschung analysiert mehrere Architekturentwürfe basierend auf dem von uns entwickelten Luftströmungssimulationsmodell, vergleicht die Ergebnisse mit Windgeschwindigkeitsdatenerhebungen vor Ort um Gebäude herum und präsentiert Designbeispiele mit vollständig integriertem Design von Windkraftanlage zu Gebäude.Die in der Forschung entwickelte Methode zielt darauf ab, Architekten eine einfache Entwurfsmethodik zur Verfügung zu stellen, um Windenergie-Erntegeräte in ihre Projekte zu integrieren.Unsere Forschung schlägt vor, das Potenzial der Windenergie in städtischen Städten zu adressieren, wenn man bedenkt, dass Städte jetzt mit hochdetaillierten 3D-Modellen oder mit großmaßstäblichen 3D-Scans von Gebäudeblöcken (Lidar-Technologie) geplant werden. Computer-Fluiddynamik-Simulationen großer Stadtquartiere haben das Potenzial, heute Teil des konzeptionellen Werkzeugs von Architekten und Designern zu werden.Gebäudehüllen werden intelligenter; Gebäudefassaden oder -dächer stehen für gebäudeintegrierte Windenergie-Erntegeräte wie Photovoltaik-Paneele und Windturbinen zur Verfügung.Durch die Kombination von Windmessungen mit angeschlossenen Anemometern mit der Computational Fluid Dynamic (CFD)-Software STARCCM+ haben wir die Reaktion zwischen Wind und mehreren Gebäudetypologien simuliert, um die potenzielle extrahierte Energie durch Messung der Windgeschwindigkeitsbeschleunigung vorherzusagen (die extrahierte Energie hängt von der Kubik der Windgeschwindigkeit ab). Die Geometrie von Gebäuden trägt zur Verbesserung der Windgeschwindigkeit bei.Nach einer eingehenden Analyse der Leistung und des Verhaltens bestehender Gebäude, in denen diese Geräte integriert sind, untersuchten wir weiter Geräte wie „Aérofoil“ (ein Beschleunigungs- und Steuerflügel am Rand der Turbine), um die Windgeschwindigkeit auf einen bestimmten Punkt zu beschleunigen und Luftströmungsturbulenzen zu stabilisieren. Das Ziel des Tragflügels ist es, Strategien zu entwickeln, um die instabilen Luftströmungsbedingungen in städtischen Umgebungen zu kompensieren und die Windgeschwindigkeitsverstärkungswirkung von Gebäuden zu optimieren.Wenn sich die meisten Energieingenieure aufgrund ihrer turbulenten Eigenschaften vom städtischen Windenergie-Harvesting abgewendet haben, kann zusammenfassend gesagt werden, dass jedes Gebäude als Windbeschleuniger mit einem hohen Potenzial für Städte betrachtet werden kann, erneuerbare Energie lokal, näher am Verbrauchsgebiet, zu erzeugen.Cities, because of their wide variety of building heights, streets corridors and open spaces, have an important potential in the creation of wind acceleration zones. For a long time, airflows generated by buildings have been seen as nuisance for the city. This research on urban wind, by the use of advanced computer fluid dynamics modelization (CFD) showcases that one can precisely locate and evaluate the potential of accelerated airflows around buildings. How would cities look like, in the future, if architects would seize this technology and integrate micro-wind turbines to their design ?This research analyzes several architectural designs based on the airflow simulation model we developed, compares the results with on-site wind speed data survey around buildings, and presents design examples with fully integrated design of wind turbine to building.The method developed in the research aims to provide a straightforward design methodology for architects to integrate wind energy harvesting devices to their projects. Our research proposes to address the potential of wind energy in urban city, considering that cities are now planned with high level of details 3D models, or with large scale 3D scans of buildings blocks (Lidar technology). Computer fluid dynamics simulations of large urban districts have the potential to become now part of the conceptual tools of architects and designers. Building envelopes are becoming smarter; Building’s façade or rooftops are available for wind energy harvesting devices integrated to building, such as photovoltaic panels and wind turbines.Combining connected anemometers wind survey with computational fluid dynamic (CFD) software STARCCM+, we simulated the reaction between wind and several building typologies to predict potential extracted energy by measuring wind speed acceleration (the extracted energy depends on the cube of the wind speed). The geometry of buildings contributes to wind speed enhancement.Following an in-depth analysis on the performance and behavior of existing building that integrates these devices, we further studied devices such as “aérofoil” ( an acceleration and control wing at the edge of the turbine) to accelerate wind speed to a specific point and to stabilize airflow turbulences. The aérofoil’s goal is to developed strategies to compensate the unstable airflows conditions in urban environment and to optimize the wind speed amplification effect of buildings.In conclusion, if most energy engineers have turned away from urban wind energy harvesting because of their turbulent characteristics, each building can be considered as a wind accelerator with a high potential for cities to produce renewable energy locally, closer to the consumption area.Las ciudades, por su amplia variedad de alturas de edificación, calles, pasillos y espacios abiertos, tienen un potencial importante en la creación de zonas de aceleración del viento. Durante mucho tiempo, los flujos de aire generados por los edificios se han considerado una molestia para la ciudad. Esta investigación sobre el viento urbano, mediante el uso de modelos avanzados de dinámica de fluidos por computadora (CFD), muestra que se puede ubicar y evaluar con precisión el potencial de los flujos de aire acelerados alrededor de los edificios. ¿Cómo serían las ciudades, en el futuro, si los arquitectos aprovecharan esta tecnología e integraran micro turbinas eólicas en su diseño?Esta investigación analiza varios diseños arquitectónicos basados ​​en el modelo de simulación de flujo de aire que desarrollamos, compara los resultados con el estudio de datos de velocidad del viento en el sitio alrededor de los edificios y presenta ejemplos de diseño con un diseño totalmente integrado de la turbina eólica al edificio.El método desarrollado en la investigación tiene como objetivo proporcionar una metodología de diseño sencilla para que los arquitectos integren dispositivos de recolección de energía eólica en sus proyectos.Nuestra investigación propone abordar el potencial de la energía eólica en la ciudad urbana, considerando que las ciudades ahora se planifican con modelos 3D de alto nivel de detalle, o con escaneos 3D a gran escala de bloques de edificios (tecnología Lidar). Las simulaciones de dinámica de fluidos por computadora de grandes distritos urbanos tienen el potencial de convertirse ahora en parte de las herramientas conceptuales de arquitectos y diseñadores.La construcción de envolventes se está volviendo más inteligente; La fachada o los tejados del edificio están disponibles para dispositivos de captación de energía eólica integrados al edificio, como paneles fotovoltaicos y turbinas eólicas.Combinando el levantamiento de viento con anemómetros conectados con el software de dinámica de fluidos computacional (CFD) STARCCM +, simulamos la reacción entre el viento y varias tipologías de edificios para predecir la energía potencial extraída midiendo la aceleración de la velocidad del viento (la energía extraída depende del cubo de la velocidad del viento). La geometría de los edificios contribuye a mejorar la velocidad del viento.Tras un análisis en profundidad sobre el rendimiento y el comportamiento del edificio existente que integra estos dispositivos, estudiamos más a fondo dispositivos como "aérofoil" (un ala de aceleración y control en el borde de la turbina) para acelerar la velocidad del viento a un punto específico y para estabilizar las turbulencias del flujo de aire. El objetivo del aérofoil es desarrollar estrategias para compensar las condiciones inestables de los flujos de aire en el entorno urbano y optimizar el efecto de amplificación de la velocidad del viento de los edificios.En conclusión, si la mayoría de los ingenieros energéticos se han alejado de la recolección de energía eólica urbana debido a sus características turbulentas, cada edificio puede considerarse como un acelerador de viento con un alto potencial para que las ciudades produzcan energía renovable localmente, más cerca del área de consumo.Combinant analyse numérique aéraulique de type CFD (computational fluid dynamic) et relevés in situ par anémomètres connectés, cette recherche investit les réactions entre le vent et plusieurs types de conditions urbaines afin de prévoir le potentiel de l’énergie éolienne extractible dans les villes.Tout bâtiment, tout mur, génère par sa présence sur un terrain, un différentiel de pression d’air sur ces parois extérieures lié aux déplacements d’air environnants. Nos études montrent que la volumétrie et position d’un bâtiment dans son contexte peuvent ainsi être profilés et orientés pour une accélération de la vitesse du vent en sa périphérie. La thèse vise à établir une méthode de conception des bâtiments pour les architectes et ingénieurs, pour intégrer, dans le développement de leurs projets, des dispositifs éoliens de production d’énergie. Des « accélérateurs », des « ailerons », ou des « foil » permettent localement de stabiliser les turbulences du vent et d’accélérer les vitesses ponctuelles de cette énergie. En convoquant la limite de Betz, ( loi cubique entre vitesse de l’air et production énergétique d’un dispositif éolien) une petite accélération de la vitesse de l’air montre une augmentation démultipliée de la production d’énergie.Cette recherche identifie un gisement d’énergie éolien urbain qui reste à ce jour largement inexploité. Les phénomènes de turbulence, associées à des vents non réguliers ont désintéressé la plupart des acteurs de l’industrie énergétique éolienne. Mais l’amélioration des technologies de micro-éoliennes et des recherches nouvelles sur leur assemblage en grappe (clustering) permet d’envisager la mise en réseau d’un grand nombre de dispositifs à faibles nuisances dans des environnements urbains. Comment concevoir des bâtiments avec ces dispositifs de captation d’énergie, comment les intégrer à l’enveloppe et au design du bâtiment, comment envisager les ajustements structurels et des enveloppes pour éviter vibrations, et pollution sonores résultantes ? L’amélioration de la conception bioclimatique des bâtiments associée aux politiques environnementales mondiales de réduction des gaz à effets de serres permet d’envisager l’émergence d’un écosystème de partage de d’énergie (appelé internet de l’énergie ). Cette démarche, en rapprochant des zones de production et de consommation d’énergie, en limitant les couts d’infrastructure support des éoliennes ainsi que les déperditions magnétique par transport ( estimées à 30%) offre une réponse nouvelle aux attaques croissantes de cette industrie (Eoliennes : la face noire de la transition écologique, F.Bouglé) La thèse par la mise en place de dendrogrammes actionnels offre un outil de conception de système de production d’énergie embarqué ainsi qu’une méthode de profilage architectural pour favoriser l’émergence d’une architecture zéro-énergie.Le città, a causa della loro grande varietà di altezze degli edifici, corridoi stradali e spazi aperti, hanno un potenziale importante nella creazione di zone di accelerazione del vento. Per molto tempo i flussi d'aria generati dagli edifici sono stati visti come un fastidio per la città. Questa ricerca sul vento urbano, mediante l'uso di modelli avanzati di fluidodinamica computerizzata (CFD), mostra che è possibile individuare e valutare con precisione il potenziale dei flussi d'aria accelerati intorno agli edifici. Come sarebbero le città, in futuro, se gli architetti si impadronissero di questa tecnologia e integrassero le turbine micro-eoliche nel loro design?Questa ricerca analizza diversi progetti architettonici basati sul modello di simulazione del flusso d'aria che abbiamo sviluppato, confronta i risultati con il rilevamento dei dati sulla velocità del vento in loco intorno agli edifici e presenta esempi di progettazione con progettazione completamente integrata della turbina eolica all'edificio.Il metodo sviluppato nella ricerca mira a fornire una metodologia di progettazione semplice per gli architetti per integrare i dispositivi di raccolta dell'energia eolica nei loro progetti.La nostra ricerca si propone di affrontare il potenziale dell'energia eolica nelle città urbane, considerando che le città sono ora progettate con modelli 3D ad alto livello di dettaglio, o con scansioni 3D su larga scala di blocchi di edifici (tecnologia Lidar). Le simulazioni fluidodinamiche al computer di grandi distretti urbani hanno il potenziale per diventare ora parte degli strumenti concettuali di architetti e designer.Gli involucri edilizi stanno diventando più intelligenti; La facciata o i tetti dell'edificio sono disponibili per dispositivi di raccolta dell'energia eolica integrati nell'edificio, come pannelli fotovoltaici e turbine eoliche.Combinando il rilevamento del vento di anemometri collegati con il software fluidodinamico computazionale (CFD) STARCCM+, abbiamo simulato la reazione tra il vento e diverse tipologie di edifici per prevedere l'energia potenziale estratta misurando l'accelerazione della velocità del vento (l'energia estratta dipende dal cubo della velocità del vento). La geometria degli edifici contribuisce al miglioramento della velocità del vento.Dopo un'analisi approfondita sulle prestazioni e sul comportamento dell'edificio esistente che integra questi dispositivi, abbiamo studiato ulteriormente dispositivi come "aérofoil" (un'ala di accelerazione e controllo a bordo della turbina) per accelerare la velocità del vento in un punto specifico e stabilizzare le turbolenze del flusso d'aria. L'obiettivo dell'aérofoil è sviluppare strategie per compensare le condizioni instabili dei flussi d'aria nell'ambiente urbano e per ottimizzare l'effetto di amplificazione della velocità del vento degli edifici.In conclusione, se la maggior parte degli ingegneri energetici si è allontanata dalla raccolta di energia eolica urbana a causa delle sue caratteristiche turbolente, ogni edificio può essere considerato un acceleratore eolico con un alto potenziale per le città di produrre energia rinnovabile localmente, più vicino all'area di consumo