長方體建筑屋頂風能利用效能研究

袁行飛，張 玉

（浙江大學 空間結構研究中心，杭州310058）

大力開發(fā)風能是解決中國能源短缺、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑之一［1］。建筑環(huán)境中的風能利用具有免于輸送的優(yōu)點，所產(chǎn)生的電能可直接用于建筑本身，為綠色建筑的發(fā)展提供了一種新的思路，對實現(xiàn)建筑可持續(xù)化發(fā)展、緩解能源與環(huán)境矛盾具有重要而深遠的意義。

近年來一些學者對建筑環(huán)境中的風能利用技術進行了探索。研究主要著眼于可行性分析［2－4］、建筑風環(huán)境模擬［5－7］、建 筑 風 力 集 中 器 設 計［8－9］以 及 適 宜建筑環(huán)境的風力發(fā)電機開發(fā)［10－11］等方面。與沙漠、曠野、近海相比，建筑環(huán)境中的風場相對復雜、紊流加劇、風速降低，但局部區(qū)域也存在較大風速，如高層建筑頂部的小急流、建筑物開洞部位的穿堂風、相鄰建筑通道的夾道效應等。為提高風能利用效率，風力機通常安裝在上述部位。根據(jù)建筑中風力機的放置位置，風能利用建筑大致可分為：頂部安裝型、空洞安裝型和通道安裝型。其中頂部安裝型應用較為廣泛。本文采用CFD數(shù)值模擬方法分析了長方體平屋頂建筑的風能利用效能，研究了不同迎風角對建筑風能集結效果的影響，探討了風力機的最佳安裝位置，并對屋頂形式進行了優(yōu)化分析，提出了有利于風能集結效果的屋頂形式，為實際工程應用提供理論基礎和技術支撐。

1 建筑風能利用效能評價指標

風力機的功率與風速三次方成正比，因此風力機的安裝位置應選取風速相對較大的位置，同時避免高湍流。為降低成本，還應盡量降低風力機的安裝高度。由此提出以下評價屋頂風能利用效能的指標：

1）風速增大系數(shù)Cv＝V／V0－1，衡量建筑風能集結效果最主要的參數(shù)，其中V為高度z處的實際風速，V0為高度z處未受建筑撓動時的風速。Cv越大，表明建筑對風能的集結效果越好，N個位置的總風速增大系數(shù)為

2）湍流強度I，衡量建筑風場的湍流程度。風場的湍流會減少風機輸出功率，引起極端荷載，最終削弱破壞風力機，因此風力機的安裝位置應避免高湍流。

3）屋頂紊流厚度δ，是屋頂風速變化梯度較大區(qū)域和高湍流區(qū)域兩者高度的最大值，用來評估風力機的安裝高度。

4）實際風速V，衡量具體位置的風能情況，評價其風能利用的可行性，同時為適宜風力機的選擇提供依據(jù)。

5）風速傾斜角γ，水平軸風力機尚不能利用垂直方向的風速進行發(fā)電；對于垂直軸風力機，風速傾斜角在一定程度上可提高風力機的功率［12］。

6）行人高度處風速V2，max，衡量建筑風環(huán)境的舒適度。為滿足建筑風環(huán)境舒適度，要求V2，max≤5m／s。

2 建筑風環(huán)境數(shù)值模擬假定和方法

2.1 數(shù)值模擬基本假定

1）流體不可壓縮；2）流體為Newton流體，忽略粘性耗散；3）流體在固壁上無滑移；4）流體各向同性；5）流動為穩(wěn)態(tài)。

2.2 計算模型和方法

1）幾何建模及網(wǎng)格劃分

幾何建模和網(wǎng)格劃分在FLUENT 6.3前處理軟件Gambit中完成。計算流域如圖1，H為建筑物的高度。采用四面體單元進行非結構化網(wǎng)格離散，網(wǎng)格尺寸由內(nèi)往外逐步增大。

2）湍流模型

考慮到在鈍體繞流中的精度，采用可實現(xiàn)的k－ε湍流模型（Realizable k ε）。采用非平衡的壁面函數(shù)法處理近壁面的湍流狀態(tài)。該法能考慮壓力梯度和偏離平衡假設帶來的影響，對具有像環(huán)繞、分離、再附、撞擊等復雜流動的計算具有較高的精度。

圖1 計算流域示意圖

3）邊界條件

進流面采用速度入口邊界，出口采用壓力出口邊界，計算區(qū)域上壁面及兩側壁面采用對稱邊界，相當于設置光滑壁面，其剪切應力為0；建筑物表面和地面采用無滑移的壁面條件（wall），沿壁面切向流體速度為0。

入口邊界采用UDF接口輸入，風速采用滿足指數(shù)律的風剖面函數(shù)：高度Z 處的風速；湍動能散率ε＝0.090.75×k3／2／l，湍流強度Z＝30m時的湍流強度Iu（30）可由地貌系數(shù)α得出：A 類 地 貌 的I0＝0.081 1，B 類 地 貌 的I0＝0.095 5，C類地貌的I0＝0.109 3，D類地貌的I0＝0.116 3；湍流積分長度l＝100×（Z／30）0.5。取C類地貌，＝3m／s，α＝0.22。

4）計算方法

計算采用3D單精度，分離式求解器，空氣模型選用不可壓縮的常密度空氣模型，對流項的離散采用精度較高的二階迎風格式，速度壓力耦合采用SIMPLEC算法。計算中使用自適應網(wǎng)格技術（Adapted Grid），每步迭代均對壓力梯度大的區(qū)域進行網(wǎng)格加密，以便更準確地預測復雜的流動。

3 長方體平屋頂建筑風能利用效果及風力機最佳位置

3.1 迎風角φ＝00時屋頂風能利用效果

長方體平屋頂建筑基本模型：長L＝50m，寬W＝20m，高H＝30m，如圖2，h為屋頂以上高度，由于模型的對稱性，取屋頂前沿中間和后沿各2個參考位置，分別為A（－W／2，0，H＋h）、D（W／2，－L／2，H＋h）、B（0，0，H＋h）、E（0，－L／2，H＋h）、C（W／2，0，H＋h）、F（W／2，－L／2，H＋h），分析屋頂?shù)娘L能集結效果。

圖2 長方體平屋頂建筑模型

通過CFD數(shù)值模擬，可得出各指標參數(shù)的變化情況。圖3為建筑物中間豎向剖面（y＝0m）和邊線豎向剖面（y＝－25m）的風速V等值線圖。圖4為屋頂風速增大系數(shù)Cv隨屋頂以上高度h的變化情況。

圖3 建筑豎向剖面風速等值線圖

由圖3可見：風速V在屋頂附近的變化梯度較大，且隨h的增加而增大，并趨于穩(wěn)定。當h＞3m時，前沿點的風速增大梯度趨于穩(wěn)定；當h＞8m時，中線點的風速增大梯度趨于穩(wěn)定；當h＞12m時，后沿點的風速增大梯度趨于穩(wěn)定。屋頂湍流厚度δ沿來流方向呈增厚趨勢。屋頂湍流強度隨h的增大先增大后減小，在h＝5m內(nèi)較大，高湍流區(qū)出現(xiàn)在建筑屋頂?shù)闹星胺健?/p>

圖4 φ＝0時風速增大系數(shù)Cv

由圖4可見，前沿A點的風速增大系數(shù)在h＝5m處達到最大值0.085，對應的實際風速為4.29m／s，湍流強度為0.22；D點在h＝3.5m處達到最大值0.079，對應的實際風速為4.24m／s，湍流強度為0.23。A點的風速傾斜角最大值可達70°，D點的風速傾斜角最大值可達46°；在h＝5m處，A點的風速傾斜角仍有28°，D點為17°。中線B點的風速增大系數(shù)在h＝11m處達到最大值0.093，對應的實際風速為4.47m／s，湍流強度為0.18；E點在h＝10m處達到最大值0.075，對應的實際風速為4.37m／s，湍流強度0.16。后沿C點的風速增大系數(shù)在h＝19.5m處達到最大值0.060，對應的實際風速為4.51m／s，湍流強度為0.13；F點在h＝14.5m處達到最大值0.055，對應的實際風速為4.39m／s，湍流強度為0.14。中線點和后沿點的風速傾斜角均在0°附近波動。

綜上所述，沿來流風方向，屋頂紊流厚度逐漸增厚；風速增大系數(shù)、湍流強度和實際風速隨h的變化均是前沿點先達到最大值，接著是中線點，之后是后沿點；各參考位置風速增大系數(shù)最值所對應的風速均大于3m／s，處于有效風速范圍內(nèi)；前沿點的風向變化比較大，中線點和后沿點的風向變化不大。

3.2 不同迎風角下屋頂風能利用效果

考慮建筑對稱性，分別在建筑屋頂?shù)那把亍⒅芯€和后沿增加一個參考位置：D0、E0、F0與位置D、E、F對稱。由分析知，為提高風力機的發(fā)電效能，風力機應在年主風向垂直的方向上盡量多的排放。假定風力機沿建筑長度方向排布，分別分析h＝5m處前沿點（A、D、D0），h＝10m 處中線點（B、E、E0）和h＝15m處后沿點（C、F、F0）在不同來流風向（0.00、22.50、45.00、67.50、90.00）的風能利用效果。分析結果見表1。

表1 不同迎風角下各個參考點的性能參數(shù)

通過分析可見，在（0.00，450）之間，前沿，中線和后沿的風速增大系數(shù)合值均隨著φ的增大先減小后增大，最大值出現(xiàn)迎風角φ＝0.00時；在（45.00，90.00）之間，風速增大系數(shù)合值急劇減??；當φ＝900時，達到最小值。

3.3 屋頂風力機安裝位置

屋頂風力機的安裝位置應選取風速相對較大，且變化較平穩(wěn)的位置，以減小風力機葉輪的脈動，同時避免高湍流。屋頂安裝風力機的高度宜滿足h≥δ＋D／2，D為水平軸風力機的直徑，對于垂直軸風力機的安裝高度宜滿足h≥δ。

由前述分析知，對于平屋頂不同位置來說，前沿點的風能集結效果最好——風速比達到最值時的高度最低，且風速變化梯度趨于平穩(wěn)時的高度也最低，同時避開了高湍流；由于建筑屋面對風速的阻礙作用，建筑物屋頂上的風速在同一高度下，由前沿到后沿呈下降趨勢，隨著高度的增加，同一高度處，屋面的風速趨于一致。

建筑物屋頂安裝風力機的紊流，除了來自建筑物的影響之外，還有一個重要的因素：風力機尾流的相互影響。為了盡量減少風力機尾流的相互影響，風力機的排列間距應滿足一定的要求［12］。因此風力機應在年主風向垂直的方向上盡量多的排放，對于安裝風力機的建筑來說，應盡可能使建筑的長度方向垂直于年主風向方向，即來流風向控制在（－45°，45°），以提高風力機的發(fā)電效能。

假設年主風向垂直于建筑長度方向，當風機尺寸D＞W(wǎng)／8時，風力機沿前沿單排布置的風能利用效率最佳，考慮到風速傾斜角的問題，應優(yōu)先選擇升力型垂直軸風力機［12］，當安裝水平軸風力機時，可傾斜一定角度，安裝高度大于5m；亦可沿中線單排布置，安裝高度大于10m，其利用效能較好，還可減少結構不均勻受力；當風機尺寸D＜W／8，風力機沿寬度方向可多排布置，其中前后排有高差排列的風能利用效能較前沿單排布置和中線單排布置方式好，既可以有效地利用風能，降低安裝高度，又可以減小風力機之間的尾流影響。

4 長方體建筑不同屋頂形式分析

4.1 不同屋頂形式的幾何模型

目前，在將風力機引入建筑物的技術中，平屋頂上直接安裝風力機是一種最直接最易實現(xiàn)的方式，因此本文在分析其對風能集結效果的基礎上，將其作為分析其他屋頂形式風能集結效果的參考依據(jù)，如圖7為4種不同的屋頂形式，建筑物的長度L、寬度W 和總高H 均不變。其中圖7（a）為前高單坡型屋頂；圖7（b）為后高單坡型屋頂；圖7（c）為圓弧雙坡型屋頂；圖7（d）為梯形雙坡型屋頂，屋頂面的寬度l＝5m。各屋頂形式的屋頂傾斜高度分別用Ma、Mb、Mc、Md表示。取各屋頂形式的屋頂傾斜高度分別為2.5、5.0、7.5、10.0m與平屋頂（M＝0）進行比較分析。

圖7 屋頂不同形式

4.2 不同形式屋頂?shù)娘L能利用效能

分析迎風角φ＝0時，各屋頂形式的風能利用效能。圖8為各屋頂形式屋頂傾斜高度等于5m時，建筑中間豎直剖面的風速V等值線圖和湍流強度I等值線圖。由圖8可見，前高單坡型屋頂前沿點的紊流厚度與平屋頂?shù)幕鞠嗤?，中線點和后沿點的紊流厚度有所增大，同一屋頂高度處，風速有所減??；后高單坡型屋頂前沿點的紊流厚度較平屋頂?shù)母?，中線點尤其是后沿點的紊流厚度有所減小；雙坡型屋頂中線點的紊流厚度較平屋頂有所減小，屋頂以上同一h下，圓弧雙坡型屋頂中線點的風速較平屋頂?shù)拇蟆?/p>

8 各屋頂形式建筑y＝0m豎直剖面風速等值線圖（m／s）

圖9為不同屋頂傾斜高度下，各形式屋頂?shù)娘L速增大系數(shù)Cv隨屋頂以上高度h的變化情況。相比平屋頂形式，以上4種屋頂形式，只有圓弧雙坡型屋頂和梯形雙坡型屋頂?shù)娘L速增大系數(shù)最值有所提高，其中圓弧屋頂提高的幅度最大。隨著屋頂傾斜高度的增加，圓弧屋頂?shù)娘L速增大系數(shù)最值越來越大，且達到最值時所對應的高度h也越來越小；其他形式屋頂?shù)娘L速增大系數(shù)最值越來越小，但最值所對應的高度h越來越小。

圖9 不同屋頂高度下各屋頂形式特征位置風速增大系數(shù)Cv變化情況

綜上，當迎風角φ＝0時，前單坡屋頂適宜沿前沿單排安放風力機，中線和后沿的紊流厚度較大，不宜安放風力機；雖然后單坡屋頂?shù)娘L速增大系數(shù)較平屋頂有所減小，但中線和后沿的紊流厚度明顯減小，風力機沿前沿、中線和后沿安放的利用效能相當，當建筑寬度允許的情況下，可以利用建筑本身前后的高差實現(xiàn)風力機的多排布置；圓弧雙屋頂和梯形雙屋頂沿中線安放風力機的風能利用效能較平屋頂有所提高，由于只可單排安放風力機，適宜建筑寬度較小的建筑。

5 結 論

通過CFD數(shù)值模擬分析了長方體建筑屋頂風能利用效果，比較了不同迎風角、不同屋頂形式對風能集結效果的影響，得出以下結論：

1）長方體平屋頂建筑的屋頂對風能有一定的集結效果，其集結效果受來流風向影響較大。

2）長方體平屋頂建筑沿屋頂前沿點安裝風力機的風能利用效果最佳——相同風速下，其安裝高度最低，同時應將來流風向角控制在（－450，450）的范圍內(nèi)。當建筑寬度較大時，長方體平屋頂建筑屋頂可前后有高差地多排安放風力機，既減小風力機尾流的影響，同時也可增加屋頂風力機的安裝數(shù)目，提高建筑屋頂?shù)目偘l(fā)電量。

3）幾種不同屋頂形式下，后單坡屋頂宜發(fā)展前后有高差多排布置風力機；當屋頂單排布置風力機時，梯形雙坡屋頂和圓弧雙坡屋頂沿中線單排布置風力機的效能最佳。

4）通過分析得知建筑屋頂對風能具有一定的集結效果，但建筑屋頂風場比較復雜，紊流很大，對風力機性能的影響不容忽視，風力機能否在建筑中得到廣泛應用，還需進一步的研究。

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