Numerische Luftströmungssimulation eines urbanen Kleinwindkraft-Standorts; Simulation und Charakterisierung der hochturbulenten Windströmung im Stadtteil um das Gebäude der ENERGYbase

Kleinwindkraftanlagen (KWKA) sind dezentrale Erzeuger erneuerbarer Energie und erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Durch die europaweite Forderung nach Nearly Zero Energy Gebäuden rückt eine Integration dieser Technologie in besiedeltes Gebiet verstärkt in das Interesse der Öffentlichkeit. Die Standortwahl in urbaner Umgebung stellt sich als sehr komplex heraus, wodurch derzeit noch Planungsunsicherheit besteht. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der hochturbulenten Strömung am Dach des Gebäude ENERGYbase im 21. Wiener Gemeindebezirk, dem Standort einer KWKA, mittels numerischer Strömungssimulation. Durch die im übergeordneten Forschungsprojekt Urbane Windenergie angestrebte, ganzheitliche Betrachtung der atmosphärischen Windströmung (SODAR), der Windströmung am Gebäudedach (Messmasten) sowie einem Monitoring der geplanten KWKA, wird es mithilfe dieser Strömungssimulation möglich sein, die Performance von KWKA an einem urbanen Standort im Detail zu untersuchen. Eine stationäre, numerische Strömungssimulation auf Basis von RANS Turbulenzmodellierung diente der Berechnung des Strömungsfeldes im Stadtteil um das ENERGYbase für drei spezifische Windrichtungen und -geschwindigkeiten. Ein besonderes Augenmerk galt der Abbildung turbulenter Strömungen im gebäudenahen Bereich. Zu diesem Zweck wurde eine Turbulenzmodell-Validierungsstudie mit bestehenden Windkanal-Messdaten durchgeführt. Es wurden die drei RANS Turbulenzmodelle Standard k-ε, Standard k-ε mit nach Bechmann und Sørensen (2010) modifizierten Modellkonstanten, sowie das Reynolds Stress Modell (RSM) untersucht. Es zeigt sich, dass diese Modelle nicht in der Lage waren, sämtliche, teils instationäre, Strömungseffekte physikalisch korrekt abzubilden. Im Bereich der Installationshöhe von KWKA lieferten die Modelle jedoch valide Ergebnisse. Das Reynolds Stress Modell wurde für die Stadtteilsimulation gewählt, da es im Gegensatz zu Wirbelviskositätsmodellen die Reynoldsspannungen direkt löst und somit richtungsabhängige Turbulenz abbildet. In der Stadtteilsimulation wurden drei spezifische Windepisoden (135°, 270°, 300°), entsprechend der Hauptwindrichtungen im Gebiet, simuliert und die hochturbulente Strömung am Dach des ENERGYbase charakterisiert. Die Randbedingungen der Simulation entstammten gemittelten SODAR Messdaten und bilden daher real aufgetretene Strömungsbedingungen ab. Die Ergebnisse der drei Simulationen zeigten sehr unterschiedliche Strömungsbilder, abhängig von der angeströmten Windrichtung und -geschwindigkeit. Teils zeigten sich am Standort niedrige Windgeschwindigkeiten, bei gleichzeitig hohen Turbulenzintensitäten und hohen vertikalen Gradienten über die Rotorhöhe der KWKA. Dies könnte die Performance von KWKA in Bezug auf Energieertrag und Lebensdauer wesentlich beeinflussen. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit SODAR Messdaten zeigte für zwei der drei Windepisoden (135°, 300°) gute Übereinstimmung.