袁行飛，張 玉

（浙江大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，杭州310058）

大力開發(fā)風(fēng)能是解決中國能源短缺、實(shí)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(fēng)能利用具有免于輸送的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(yuǎn)的意義。

近年來一些學(xué)者對建筑環(huán)境中的風(fēng)能利用技術(shù)進(jìn)行了探索。研究主要著眼于可行性分析［2－4］、建筑風(fēng)環(huán)境模擬［5－7］、建 筑 風(fēng) 力 集 中 器 設(shè) 計［8－9］以 及 適 宜建筑環(huán)境的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)場相對復(fù)雜、紊流加劇、風(fēng)速降低，但局部區(qū)域也存在較大風(fēng)速，如高層建筑頂部的小急流、建筑物開洞部位的穿堂風(fēng)、相鄰建筑通道的夾道效應(yīng)等。為提高風(fēng)能利用效率，風(fēng)力機(jī)通常安裝在上述部位。根據(jù)建筑中風(fēng)力機(jī)的放置位置，風(fēng)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(yīng)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(fēng)能利用效能，研究了不同迎風(fēng)角對建筑風(fēng)能集結(jié)效果的影響，探討了風(fēng)力機(jī)的最佳安裝位置，并對屋頂形式進(jìn)行了優(yōu)化分析，提出了有利于風(fēng)能集結(jié)效果的屋頂形式，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 建筑風(fēng)能利用效能評價指標(biāo)

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

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

2）湍流強(qiáng)度I，衡量建筑風(fēng)場的湍流程度。風(fēng)場的湍流會減少風(fēng)機(jī)輸出功率，引起極端荷載，最終削弱破壞風(fēng)力機(jī)，因此風(fēng)力機(jī)的安裝位置應(yīng)避免高湍流。

3）屋頂紊流厚度δ，是屋頂風(fēng)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(fēng)力機(jī)的安裝高度。

4）實(shí)際風(fēng)速V，衡量具體位置的風(fēng)能情況，評價其風(fēng)能利用的可行性，同時為適宜風(fēng)力機(jī)的選擇提供依據(jù)。

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

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

2 建筑風(fēng)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(jìn)行非結(jié)構(gòu)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(shí)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(shè)帶來的影響，對具有像環(huán)繞、分離、再附、撞擊等復(fù)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(jìn)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(cè)壁面采用對稱邊界，相當(dāng)于設(shè)置光滑壁面，其剪切應(yīng)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(fēng)速采用滿足指數(shù)律的風(fēng)剖面函數(shù)：高度Z 處的風(fēng)速；湍動能散率ε＝0.090.75×k3／2／l，湍流強(qiáng)度Z＝30m時的湍流強(qiáng)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(xiàng)的離散采用精度較高的二階迎風(fēng)格式，速度壓力耦合采用SIMPLEC算法。計算中使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)（Adapted Grid），每步迭代均對壓力梯度大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測復(fù)雜的流動。

3 長方體平屋頂建筑風(fēng)能利用效果及風(fēng)力機(jī)最佳位置

3.1 迎風(fēng)角φ＝00時屋頂風(fēng)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(fēng)能集結(jié)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(biāo)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(fēng)速V等值線圖。圖4為屋頂風(fēng)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(fēng)速等值線圖

由圖3可見：風(fēng)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(dāng)h＞3m時，前沿點(diǎn)的風(fēng)速增大梯度趨于穩(wěn)定；當(dāng)h＞8m時，中線點(diǎn)的風(fēng)速增大梯度趨于穩(wěn)定；當(dāng)h＞12m時，后沿點(diǎn)的風(fēng)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(qiáng)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(fēng)速增大系數(shù)Cv

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

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

3.2 不同迎風(fēng)角下屋頂風(fēng)能利用效果

考慮建筑對稱性，分別在建筑屋頂?shù)那把?、中線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(fēng)力機(jī)的發(fā)電效能，風(fēng)力機(jī)應(yīng)在年主風(fēng)向垂直的方向上盡量多的排放。假定風(fēng)力機(jī)沿建筑長度方向排布，分別分析h＝5m處前沿點(diǎn)（A、D、D0），h＝10m 處中線點(diǎn)（B、E、E0）和h＝15m處后沿點(diǎn)（C、F、F0）在不同來流風(fēng)向（0.00、22.50、45.00、67.50、90.00）的風(fēng)能利用效果。分析結(jié)果見表1。

表1 不同迎風(fēng)角下各個參考點(diǎn)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(fēng)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(fēng)角φ＝0.00時；在（45.00，90.00）之間，風(fēng)速增大系數(shù)合值急劇減??；當(dāng)φ＝900時，達(dá)到最小值。

3.3 屋頂風(fēng)力機(jī)安裝位置

屋頂風(fēng)力機(jī)的安裝位置應(yīng)選取風(fēng)速相對較大，且變化較平穩(wěn)的位置，以減小風(fēng)力機(jī)葉輪的脈動，同時避免高湍流。屋頂安裝風(fēng)力機(jī)的高度宜滿足h≥δ＋D／2，D為水平軸風(fēng)力機(jī)的直徑，對于垂直軸風(fēng)力機(jī)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(diǎn)的風(fēng)能集結(jié)效果最好——風(fēng)速比達(dá)到最值時的高度最低，且風(fēng)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(fēng)速的阻礙作用，建筑物屋頂上的風(fēng)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(fēng)速趨于一致。

建筑物屋頂安裝風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)尾流的相互影響。為了盡量減少風(fēng)力機(jī)尾流的相互影響，風(fēng)力機(jī)的排列間距應(yīng)滿足一定的要求［12］。因此風(fēng)力機(jī)應(yīng)在年主風(fēng)向垂直的方向上盡量多的排放，對于安裝風(fēng)力機(jī)的建筑來說，應(yīng)盡可能使建筑的長度方向垂直于年主風(fēng)向方向，即來流風(fēng)向控制在（－45°，45°），以提高風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效能。

假設(shè)年主風(fēng)向垂直于建筑長度方向，當(dāng)風(fēng)機(jī)尺寸D＞W(wǎng)／8時，風(fēng)力機(jī)沿前沿單排布置的風(fēng)能利用效率最佳，考慮到風(fēng)速傾斜角的問題，應(yīng)優(yōu)先選擇升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)［12］，當(dāng)安裝水平軸風(fēng)力機(jī)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(jié)構(gòu)不均勻受力；當(dāng)風(fēng)機(jī)尺寸D＜W／8，風(fēng)力機(jī)沿寬度方向可多排布置，其中前后排有高差排列的風(fēng)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(fēng)能，降低安裝高度，又可以減小風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)引入建筑物的技術(shù)中，平屋頂上直接安裝風(fēng)力機(jī)是一種最直接最易實(shí)現(xiàn)的方式，因此本文在分析其對風(fēng)能集結(jié)效果的基礎(chǔ)上，將其作為分析其他屋頂形式風(fēng)能集結(jié)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(jìn)行比較分析。

圖7 屋頂不同形式

4.2 不同形式屋頂?shù)娘L(fēng)能利用效能

分析迎風(fēng)角φ＝0時，各屋頂形式的風(fēng)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(fēng)速V等值線圖和湍流強(qiáng)度I等值線圖。由圖8可見，前高單坡型屋頂前沿點(diǎn)的紊流厚度與平屋頂?shù)幕鞠嗤?，中線點(diǎn)和后沿點(diǎn)的紊流厚度有所增大，同一屋頂高度處，風(fēng)速有所減小；后高單坡型屋頂前沿點(diǎn)的紊流厚度較平屋頂?shù)母撸芯€點(diǎn)尤其是后沿點(diǎn)的紊流厚度有所減??；雙坡型屋頂中線點(diǎn)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(diǎn)的風(fēng)速較平屋頂?shù)拇蟆?/p>

8 各屋頂形式建筑y＝0m豎直剖面風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速增大系數(shù)最值越來越大，且達(dá)到最值時所對應(yīng)的高度h也越來越??；其他形式屋頂?shù)娘L(fēng)速增大系數(shù)最值越來越小，但最值所對應(yīng)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(fēng)速增大系數(shù)Cv變化情況

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

5 結(jié) 論

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

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

2）長方體平屋頂建筑沿屋頂前沿點(diǎn)安裝風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效果最佳——相同風(fēng)速下，其安裝高度最低，同時應(yīng)將來流風(fēng)向角控制在（－450，450）的范圍內(nèi)。當(dāng)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(fēng)力機(jī)，既減小風(fēng)力機(jī)尾流的影響，同時也可增加屋頂風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)；當(dāng)屋頂單排布置風(fēng)力機(jī)時，梯形雙坡屋頂和圓弧雙坡屋頂沿中線單排布置風(fēng)力機(jī)的效能最佳。

4）通過分析得知建筑屋頂對風(fēng)能具有一定的集結(jié)效果，但建筑屋頂風(fēng)場比較復(fù)雜，紊流很大，對風(fēng)力機(jī)性能的影響不容忽視，風(fēng)力機(jī)能否在建筑中得到廣泛應(yīng)用，還需進(jìn)一步的研究。

［1］石定環(huán).可再生能源與可持續(xù)發(fā)展［J］.中國科技產(chǎn)業(yè)，2008（1）：15－18.SHI Dinghua.Renewable energy and sustainable development［J］.Science ＆ Technology Industry of China，2008（1）：15－18.

［2］Taylar D.Using buildings to harvest wind energy［J］.Building Research ＆Information，1998，26（3）：199－202.

［3］Mertens S.Wind energy in urban areas：concentrator effects for wind turbines close to buildings［J］.Refocus，2002，3（2）：22－24.

［4］李秋勝，李永貴，陳伏彬，等.風(fēng)能發(fā)電在超高層建筑中的應(yīng)用研究［C］／／第十四屆全國風(fēng)工程學(xué)術(shù)會議論文集，2009：801－805.LI Qiusheng，LI Yonggui，CHEN Fubin，et al.Application research of energy generation by wind on high－rise buildings ［C］／／The 14th proceeding of national wind engineering，2009，801－805.

［5］Lin L U，Yan K I P.Investigation on the feasibility and enhancement methods of wind power utilization in highrise buildings of Hong Kong ［J］.Renewable ＆Sustainable Energy Reviews，2009，13（2）：450－461.

［6］姜瑜君，桑建國，張伯寅.高層建筑的風(fēng)環(huán)境評估［J］.北京大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，42（1）：68－73.JIANG Yujun，SANG Jianguo，ZHANG Boyin.An evaluation on wind environment around skyscrapers［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2006，42（1）：68－73.

［7］蘇國，陳水福.復(fù)雜體型高層建筑表面風(fēng)壓周圍風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬［J］.工程力學(xué)，2006，23（8）：152－157.SU Guo，CHEN Shuifu.Numerical simulation of wind pressures and wind environment around a complex shaped highrise building［J］.Engineering Mechanics，2006，23（8）：144－149.

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

［9］潘雷，陳寶明.建筑環(huán)境中風(fēng)能利用的研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2006.

［10］Holdsworth B.Options for micro－wind generation：part1［J］.Renewable Energy Focus，2009，10（2）：60－63.

［11］王乃粒.城市風(fēng)力發(fā)電［J］.世界科學(xué)，2005（1）：39－40.WANG Naili.Urban wind power generation［J］.World Science，2005（1）：39－40.

［12］陳坤，賀德馨.風(fēng)力機(jī)尾流數(shù)學(xué)模型及尾流對風(fēng)力機(jī)性能的影響研究［J］.流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量，2003，17（1）：84－87.CHEN Kun，HE Dexin.The study for the wake model of wind turbine and the wake effects on the performance of wind turbine［J］.Experiments and Measurements in Fluid Mechanics，2003，17（1）：84－87.