高層建筑屋頂風能利用的數值模擬

楊蓉，彭興黔

（1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021；2.南華大學 環(huán)境保護與安全工程學院，湖南 衡陽 421001）

高層建筑屋頂風能利用的數值模擬

楊蓉1，2，彭興黔1

（1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門 361021；2.南華大學 環(huán)境保護與安全工程學院，湖南 衡陽 421001）

為了進一步有效提高屋頂風能利用的效率，在屋面之上加設一架空層，運用CFD數值模擬分析不同高度架空層對風能收集產生的影響，探討其可行性并得出架空高度和風機安裝高度最優(yōu)值.研究表明：架空層的設置對增大屋頂風速有顯著效果；在架空層頂板之上或之下的空間安裝風力發(fā)電機，并控制架空層高度，比較分析得出合理的架空層高度和風力機的安裝高度，以求達到最理想的風能利用效果.

風能；高層建筑；架空層；風速比；數值模擬

風能作為儲量豐富且可再生的綠色能源，已逐漸受到世界各國的重視.日本已開發(fā)出專用于寫字樓、商店和家庭的“小型微風風力發(fā)電機”，其高度僅為3～5m，葉片直徑也只有2～4m，啟動風速可低至2m·s－1；加拿大多倫多市安裝在國家展覽館的風力發(fā)電機至今已經生產了超過100萬kW的電能［1］.在我國，風電場基本建于偏遠地區(qū)，這與城市中巨大的耗電量產生矛盾，因此，將風電引入城市成為能源應用的必然趨勢.目前，風力發(fā)電機技術已經相對比較成熟，但與其對應的建筑風能利用方法卻相對滯后.S.Mertens曾提出3種可作為風力集中器的建筑形式，其中將風力透平放置于屋頂的建筑稱為非流線體型建筑［2］.文獻［3］的研究表明，屋頂的風力強化效果要比擴散形式稍差.由于風能大小與風速三次方成正比，即風速的提高是風能增大的決定性因素.因此，本文主要研究如何采取簡便易行的措施來顯著提高可利用風能.

1 模擬條件

首先，分析加設架空層對屋頂風能利用有利的區(qū)域.在0°風向角下，有無架空層的風速云圖對比，如圖1所示.從圖1可以看出：架空層頂板迎風邊緣上方風速顯著增大，風速等值線下移；空氣的再附著發(fā)生在頂板上表面；風速較大區(qū)域為頂板上方，顯然可利用的位置在此區(qū)域內.

根據特性布置研究測點.模擬的建筑尺寸選取高為50m，寬為20m，長為50m，并以面50m×50m為0°風向角時的迎風面.頂板平面尺寸與建筑屋面相同.由于頂板與屋面間有一定距離，且具有對稱性，考慮在建筑屋面中心、角點、迎風前緣，以及頂蓋的中心、前緣、角點和側邊中點等7個代表性位置進行分析研究，如圖2所示.

圖1 0°風向角下架空前后風速云圖對比Fig.1 Wind velocity comparison at 0°wind direction with or without open storey

數值風洞計算域的設置遵循阻塞率不大于5%的要求給予合適的尺寸.采用SSTk－ω模型，入口風速為3.1m·s－1，湍流強度采用日本AIJ規(guī)范建議的公式［4］，梯度風高度為400m，C類地貌粗糙度系數α＝0.22；風剖面采用達文波特的指數率形式［5］；計算域壁面為自由滑移壁面，建筑物表面和地面為無滑移壁面；出口邊界采用壓力出口.

圖2 加設架空層后的屋頂風能利用方式Fig.2 Wind energy utilization with open storey

2 結果分析

風速在有建筑影響和無任何干擾時同一高度的比值，稱為風速比［6］.由于風速會不斷變化，而風速比值卻不隨時間而改變，因此利用風速比進行分析更具有實際意義.其表達式為

通過風速比表達式，可以清楚地知道對風速增大最有利的建筑位置和高度.

2.1 0°風向角下架空高度對風速比的影響

在0°風向角下，加設不同高度（h）架空層的7個測點位置風速比（Cr，i）的比較結果，如表1所示.表1中：無架空時取圖2（b）所示的4個測點位置進行計算，所得結果與加設架空層后的結果進行比較.從表1中數值可以得出如下幾點結論.

1）除頂板下的屋面中心和迎風前緣處的最大風速比小于1外，其余位置均大于1.這就說明架空層的設置對靠近屋面，尤其是屋面中心處的氣流區(qū)形成阻礙，降低了風速；同時，對頂板之上區(qū)域則起到提高風速的作用，絕大多數都提高10%以上.

2）無論架空層高度為多少，風速比顯然比無架空時相應位置處的數值大出不少，提高的程度從到小依次為測點5，6，4，7，即迎風前緣、角點、中心點和側邊中點.這一比較恰好證明了在0°風向角下，加設架空層對增大風速是非常有利的，從而驗證在屋頂加設架空層來收集風能是可行的.

表1 0°風向角下不同架空高度的最大風速比Tab.1 Maximum wind speed ratio at 0°wind direction with different height of open storey

3）測點位置1的風速比值很小，最低在0.31，隨著架空高度增加呈波動上升；當高度達到2.0m時，驟然變陡，往后上升的速率也始終較快.當頂板高度在4.0m時，最大風速比值接近于1，恰好克服建筑對流場的不利影響；直到高度變?yōu)?.0m，風速比值才大于1，達到1.09，約等于無架空時此位置處的計算結果.即在5.0m高度時，頂板對板下屋面中心風速的影響可忽略不計.

4）測點位置2的風速比也基本小于測點位置1，但其走勢較緩，在高度為4.0m時，風速比值達到1；在高度為5.0m時，風速比值大于1但變化仍不顯著.

5）測點位置3的風速比隨著頂板高度的變化呈現(xiàn)兩起兩落的趨勢.在架空高度為0.5，2.0m時較小，在0.2，5.0m時最大，但總的來看，其波動不大且風速比值始終大于1.若架空層達到一定高度也可在此處放置風機.

6）測點位置4，7的風速比受架空層高度變化的影響幾乎可忽略不計，基本呈水平直線的走勢，且兩位置的風速比值非常接近，大都在1.1左右，比無架空的情況高出大約6%.

7）測點位置5的風速比受架空高度變化影響較明顯，從0.1m到5.0m不斷增大，并在5.0m時達到最大值；同時值得注意的是，從2.0m開始，其值變化很小，且都在1.2以上，這比無架空時的相應位置風速比要大約18%.

8）測點位置6的風速比值絕大部分都在1.5以上，但隨高度變化不斷起伏.在0.2m和2m時達到最大，約為1.2，比無架空層時高出大概17%.

以上分析除表明架空層的設置對收集風能明顯有利之外，也表明測點位置5，6兩處是風能利用的最佳位置.

2.2 90°風向角下架空高度對風速比的影響

類似于0°風向角時的分析，在90°風向角下，各測點位置的風速比如表2所示.從表2可以看出：與0°風向角時相比，90°風向角的風速比大部分減小，只有測點位置6，7處的風速比值相應變大.對照0°風向角的情況，這一現(xiàn)象表明迎風向的屋面邊緣對提高風速是有利的，以及短邊迎風時對角點處的風速提高是更有利的.

與無架空層時此風向的結果相比，測點位置4，5的風速比值只有非常微小的提高，而測點位置6，7的風速比值提高很顯著，多達20%以上.也就是說無論風向角如何，加設架空層始終對增大屋頂可利用風能是有利的，再一次驗證了加設架空層的可行性及成效.測點位置4，5的風速比值隨著架空高度變化幾乎無影響，且其值相差無幾；測點位置6，7的風速比值不斷波動，不同的是測點位置6處的風速比值在0.5m高架空值時達到最大，而測點位置7處的風速比值在4.0m高時達到最大.根據表2中的風速比值的比較可知，選擇0.1～2.0m高的架空層都是合理的.

表2 90°風向角下不同架空高度的最大風速比Tab.2 Maximum wind speed ratio at 90°wind direction with different height of open storey

2.3 風機安裝高度對風速比的影響

若風機安裝高度太大，不利于安裝和維護，可行性不高；而風機安裝高度太小，又無法正常放置和使用風機.對于屋頂加設了架空層的高層建筑，風力機顯然應該放置在頂板之上.在0°和90°風向角下，風力機安裝的最佳高度如表3所示.

2.3.1 0°風向角 1）測點位置3的風速比值較大，且當架空層較高時也可以在此處放置風機，所以將其考慮在內.從表3中可以看到，這個位置的風機安裝高度是隨著架空高度增加也不斷變大的，而且不論對于何種架空高度風機安裝的最佳高度都距離頂板非常近.由于風機本身尺寸的原因，無法正確合理的放置，因此，可在不過多減小風速比的前提下適當降低風機安裝高度.

2）對于頂板之上的4個放置風機的位置，與無架空的情況相比，風力機安裝的最佳高度都大幅度降低，尤其是測點位置6，這是非常突出的一個優(yōu)點.測點位置4的風機安裝高度隨著架空高度變化波動較大，在架空為2.0m以下時，風機高度都達到十幾米，而在之后都在十米以下.綜合考慮施工難度，原料用量和表中所得風機高度大小，選擇2.0m高的架空層為宜.測點位置5處的風機安裝高度隨著架空高度增加逐漸減小，到高度為3.0m后則保持不變.測點位置6的風機安裝高度計算結果都很小，對于安裝風機是非常有利的.測點位置7處的風機高度基本不受架空層高度影響，都在8.8m左右，但比無架空層時的風機安裝高度已減小將近50%.

2.3.2 90°風向角 與無架空時的情況相比，各個位置的風機安裝最佳高度均有所減小，特別是測點位置6，7.對于無架空一欄中的“無”表示此位置的風機高度總是隨架空高度增加不斷增加，無所謂最優(yōu).雖然0.1～0.5m的風速比值比較理想，但其風機安裝高度相對較高，因此僅需再比較1.0，2.0m的情況.顯然，在測點位置4，5，6的風速比值基本相等，而測點位置7在1.0m時的風速比值還小于2.0m時的風速比值.另外，從風機安裝高度來看，由于測點位置6，7的高度都非常小，可不加以比較，而測點位置4，5處1.0m時風速比值均高于2.0m時的風速比值.因此，仍選取2.0m高的架空層為宜.

表3 不同風向角下的風力機安裝最佳高度Tab.3 Optimal height of wind generator at different wind direction m

2.4 頂板所受風壓分析

由于頂板上、下均有氣流通過，為避免出現(xiàn)被掀翻的現(xiàn)象，需考慮其所受風壓大小，以保證正常使用功能.在0°和90°風向角下，頂板所受風壓測試結果如表4所示.表4中：pup，pdown分別表示上、下表面的風壓；ptot＝pdown－pup.

表4 不同風向角下的頂板所受風壓Tab.4 Wind pressure on roof at different wind direction

明顯地，不論0°還是90°風向角，頂板上下表面均受負壓，即上下表面都受風吸力，這樣頂板所受合力的方向便取決于各面吸力大小.從表5可以看出，總風壓為正，頂板受向上的力.隨著頂板高度的增加，上表面吸力越來越大導致總風壓越大.由于下表面的吸力以及頂板自身重力，能夠平衡一部分向上的吸力，若要保證足夠安全可靠，可適當加大頂板自重，以防止大風時被掀翻.

90°風向角時，除架空層為0.1m和0.3m高度外，其余高度下的總風壓均是負值，表明總風壓向下，對頂板自身可靠性是非常有利的.而且，隨架空高度增加，總風壓值越大，越為有利.

3 結論

通過上述討論分析，加設架空層對屋頂風能收集的幫助是不容忽視的，不僅大大降低了風力機可安裝的高度，還顯著提高了風速比.經過反復模擬比較，選擇2m高的頂板.風機放置在頂板之上中點，角點，迎風前緣和側邊中點處，效果都是良好的.

如果從經濟效益方面進行討論，可根據局地氣候條件，使用風電機類型和用電收費情況得出收益大小，成果顯著.

此方法事實上不受建筑高度限制，可應用于任何地區(qū)、任何類型的建筑之上，并能隨著風電機技術的不斷完善進一步獲得更為滿意的發(fā)電效果.它的普適性和易操作性可使城市小區(qū)住宅、商業(yè)辦公等用電緊張問題得到大大緩解.

［1］田蕾，秦佑國.可再生能源在建筑設計中的利用［J］.建筑學報，2006（2）：13－17.

［2］MERTENS S.Wind energy conversion in the built environment［C］∥1st SWH International Conference on Renewable Energies.Segovia：［s.n.］，2003：7－10.

［3］潘雷.建筑環(huán)境中的風能利用［D］.濟南：山東建筑大學，2006.

［4］Architechtural Institute of Japan.AIJ recommendations for loads on building［S］.AIJ：［s.n.］，2004.

［5］黃本才，汪從軍.結構抗風分析原理及應用［J］.上海：同濟大學出版社，2008.

［6］MERTENS S.The energy yield of roof mounted wind turbines［J］.Wind Engineering，2003，27（6）：507－517.

Numerical Simulation of Wind Energy Utilization on the Roof of High－Rise Building

YANG Rong1，2，PENG Xing－qian1

（1.College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2.School of Environment Protection and Safety Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China）

In order to improve the efficiency of wind energy utilization，an open storey is added on the roof，the influence of various open storey height to wind energy was analyzed by CFD numerical model.It＇s shown：the open storey can increase remarkably the wind speed.Installing Wind generator above or on the open storey，the influence of open storey height and wind generator height was analyzed，then the optimal heights of open storey and wind generator are obtained to achieve the maximum wind energy collection.

wind energy；high－rise building；open storey；wind speed ratio；numerical simulation

錢筠 英文審校：方德平）

TM 614

A

1000－5013（2012）01－0069－05

2011－03－28

彭興黔（1959－），男，教授，主要從事鋼結構抗風抗火的研究.E－mail：pxq＠hqu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目（51178196）；福建省區(qū)域科技重大項目（2011Y3005）；福建省科技計劃重點項目（2010Y0037）；福建省自然科學基金資助項目（2009J01255）