高層建筑屋頂塔樓對風(fēng)力利用效能的影響分析

萬瑞霞 WAN Rui-xia；瞿明 QU Ming

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730021）

（Lanzhou Resources and Environment Voc-Tech College，Lanzhou 730021，China）

0 引言

隨著科技不斷的進步，人們的生活水平日益提升，對能源的需求也不斷提升。每個國家對新能源的開發(fā)非常重視。近年來，新能源的發(fā)展在我國非常迅速，尤其是風(fēng)能和太陽能的發(fā)展最為顯著。

1 風(fēng)能資源的應(yīng)用

人類借風(fēng)力航船、借風(fēng)力風(fēng)車灌溉、糧食加工等古老的發(fā)明都是對風(fēng)力資源的利用，從世界范圍來看，人對風(fēng)能的利用由來已久。目前，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能的主要應(yīng)用形式。例如：美國北卡羅來納州的藍嶺山風(fēng)電、丹麥日德蘭半島風(fēng)電、臺灣臺中高美濕地風(fēng)力電廠、內(nèi)蒙古草原風(fēng)力發(fā)電廠等。這些規(guī)模較大的風(fēng)力發(fā)電廠都說明風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為人們能源消費的一種常見形式。

世界各國都在積極開展風(fēng)能利用的研究。據(jù)我國的氣象資料統(tǒng)計，我國的風(fēng)力資源儲量可達每年16億千瓦，能夠有效開發(fā)的約為1.6億千瓦。風(fēng)能的有效利用對改善我國能源消費結(jié)構(gòu)是非常有益的。

2 風(fēng)能利用建筑

風(fēng)力發(fā)電設(shè)施一般修建在空曠、偏僻的地方，對于人口密度較大的城市中缺少對風(fēng)力資源的應(yīng)用。我國一些城市風(fēng)力資源豐富，人口眾多，無法對風(fēng)能有效利用。對于風(fēng)能的利用，科學(xué)家提出風(fēng)能利用建筑的概念，為城市有效利用風(fēng)能找到了有效的途徑。1968年KC.White針對高層建筑對建筑群環(huán)境問題進行分析；20世紀70年代，設(shè)計者對倫敦Vauxhal地區(qū)的兩座高層建筑和南部銀行大廈周圍風(fēng)資源環(huán)境進行預(yù)測?，F(xiàn)代的研究者運用了計算機技術(shù)、風(fēng)洞試驗等科技手段對建筑群環(huán)境進行了較為準(zhǔn)確的研究，取得了一些成就。

風(fēng)能利用建筑中最為著名的是巴林世貿(mào)中心，三個巨大的風(fēng)力渦輪螺旋槳被成功地架設(shè)兩座摩天高樓的中間，構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機，為中心提供清潔能源，英國倫敦的Strata，是一種渦輪式風(fēng)電建筑，設(shè)計師在高達148米的建筑頂部安裝3部風(fēng)力渦輪發(fā)電機，屆時將可以為整幢建筑提供約8%的能源。

建筑物自身是風(fēng)力強化和收集的載體，但是這些著名建筑造型各異，成本巨大，缺少普遍應(yīng)用的可能性。城市中的建筑對風(fēng)能的利用應(yīng)當(dāng)選擇垂直軸風(fēng)機，小型垂直軸風(fēng)機只要選擇和安裝角度適當(dāng)，轉(zhuǎn)動所需風(fēng)速只有2m/s。這種風(fēng)機噪音小，功率也較高，非常適合在城市公共建筑和居民住宅上使用。

3 屋頂塔樓風(fēng)能利用分析

高層建筑在現(xiàn)今生活中非常普遍，在龐大的城市建筑群中安裝風(fēng)力電機，可以產(chǎn)生巨大的電能，來彌補能源消費的不足，改善能源消費的結(jié)構(gòu)。為了更好地收集風(fēng)能，建筑的形狀多為流線型，而生活中多數(shù)的高層建筑屬于非流線體型。針對非流線體型建筑的風(fēng)能利用在城市中很具有意義。

高層建筑的屋頂一般都會空置，而較高的建筑在頂部通常氣流流動快，周圍遮擋少，具有可利用的風(fēng)力資源。高層建筑的屋頂是安放風(fēng)力電機的優(yōu)越位置，這樣既不用額外占用城市空間，又可以提供清潔能源，將建筑與風(fēng)能利用有機結(jié)合。

本文對高層建筑屋頂?shù)乃菍︼L(fēng)力環(huán)境的影響因素進行分析，從而為高層建筑風(fēng)力電機的安裝提供參考。選擇校區(qū)內(nèi)的多個建筑物作為取樣的目標(biāo)，經(jīng)過測試、計算和分析，得到屋頂塔樓對風(fēng)能利用的影響因素。

3.1 分析方法

在校區(qū)內(nèi)選擇高度不同、塔樓結(jié)構(gòu)不同的建筑為研究對象，在塔樓的4個不同位置選擇觀測點，通過對不同位置的風(fēng)速測試，對結(jié)果分析得到塔樓結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式。

3.2 有無塔樓對風(fēng)環(huán)境的影響

選取有塔樓和沒有塔樓設(shè)計的高層建筑，分別選擇4個觀測點，分別測試有塔樓和沒有塔樓建筑的風(fēng)速大小，并記錄。經(jīng)過測試，沒有塔樓的屋頂上方最大風(fēng)速大約為5.3m/s，在具有塔樓的屋頂時，最大的風(fēng)速可以達到6.2m/s，說明風(fēng)速增加，并且測試數(shù)據(jù)可以推動風(fēng)力電機運行。

通過數(shù)據(jù)對比可以證明塔樓的存在增加了屋頂?shù)娘L(fēng)速，對風(fēng)力資源利用的提高起到了幫助作用。

3.3 塔樓高度對風(fēng)環(huán)境的影響

對長度、寬度相同，高度不同的塔樓屋頂進行對比，用以驗證塔樓高度對高層建筑屋頂?shù)母浇娘L(fēng)速是否產(chǎn)生影響。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，高度較小塔樓向屋頂?shù)臍饬髯钃踺^小，但是氣流在塔樓間和塔樓上的風(fēng)速都明顯增加；當(dāng)塔樓的高度增加，塔樓對氣流阻擋明顯增加，氣流沿著迎風(fēng)面上升，在塔樓的頂面邊緣風(fēng)速顯著增大。這樣的結(jié)果可以證明塔樓的頂面邊緣處是導(dǎo)致風(fēng)速增大的主要原因，而風(fēng)速的增大與塔樓的高度沒有必然聯(lián)系。高層建筑的塔樓不可能無限高度，從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和建筑的美觀上考慮，塔樓的高度可做適度的選擇。

3.4 塔樓長度對風(fēng)環(huán)境的影響

對高度、寬度相同，長度不同的塔樓進行對比，在沿著塔樓不同長度的地方選擇4個觀測點，測試風(fēng)速，獲取結(jié)果。經(jīng)分析可以看出，隨著塔樓迎風(fēng)面垂直于氣流流動方向的增加，塔樓之間的風(fēng)速開始減小。塔樓長度的增加使得塔樓間距離變小，對氣流的阻擋作用增大，建筑的背風(fēng)面形成渦流，減小了風(fēng)速?？梢哉J為塔樓屋頂長度的增加對建筑物風(fēng)能的利用是不利的，塔樓的長度應(yīng)當(dāng)在合理范圍內(nèi)。

圖1

4 結(jié)論

在文章中對高層建筑屋頂?shù)乃怯袩o、塔樓高度、塔樓長度等做了測試比較，可以看到在高層建筑中塔樓的設(shè)計是可以提高風(fēng)能利用的，塔樓的體積對風(fēng)能利用效率的影響有限。本文中的分析還有很多不完善的地方，例如風(fēng)向角對風(fēng)速的影響；高層建筑屋頂?shù)募芸諏訉︼L(fēng)環(huán)境的影響等等。對這些不足應(yīng)當(dāng)進一步探索，使得城市大規(guī)模利用風(fēng)力資源成為可能。

[1]徐艷文.風(fēng)能建筑的杰作——巴林世貿(mào)中心[J].太陽能，2012，17.

[2]李秋勝，等.超高層建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)能發(fā)電應(yīng)用研究[J].土木工程學(xué)報，2011，7.

[3]楊蓉.高層建筑屋頂風(fēng)能利用研究[D].碩士學(xué)位論文，華僑大學(xué)，2011.