楊蓉，彭興黔

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

高層建筑屋頂風(fēng)能利用的數(shù)值模擬

楊蓉1，2，彭興黔1

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

為了進一步有效提高屋頂風(fēng)能利用的效率，在屋面之上加設(shè)一架空層，運用CFD數(shù)值模擬分析不同高度架空層對風(fēng)能收集產(chǎn)生的影響，探討其可行性并得出架空高度和風(fēng)機安裝高度最優(yōu)值.研究表明：架空層的設(shè)置對增大屋頂風(fēng)速有顯著效果；在架空層頂板之上或之下的空間安裝風(fēng)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(fēng)力機的安裝高度，以求達到最理想的風(fēng)能利用效果.

風(fēng)能；高層建筑；架空層；風(fēng)速比；數(shù)值模擬

風(fēng)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(fēng)風(fēng)力發(fā)電機”，其高度僅為3～5m，葉片直徑也只有2～4m，啟動風(fēng)速可低至2m·s－1；加拿大多倫多市安裝在國家展覽館的風(fēng)力發(fā)電機至今已經(jīng)生產(chǎn)了超過100萬kW的電能［1］.在我國，風(fēng)電場基本建于偏遠地區(qū)，這與城市中巨大的耗電量產(chǎn)生矛盾，因此，將風(fēng)電引入城市成為能源應(yīng)用的必然趨勢.目前，風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，但與其對應(yīng)的建筑風(fēng)能利用方法卻相對滯后.S.Mertens曾提出3種可作為風(fēng)力集中器的建筑形式，其中將風(fēng)力透平放置于屋頂?shù)慕ㄖQ為非流線體型建筑［2］.文獻［3］的研究表明，屋頂?shù)娘L(fēng)力強化效果要比擴散形式稍差.由于風(fēng)能大小與風(fēng)速三次方成正比，即風(fēng)速的提高是風(fēng)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(fēng)能.

1 模擬條件

首先，分析加設(shè)架空層對屋頂風(fēng)能利用有利的區(qū)域.在0°風(fēng)向角下，有無架空層的風(fēng)速云圖對比，如圖1所示.從圖1可以看出：架空層頂板迎風(fēng)邊緣上方風(fēng)速顯著增大，風(fēng)速等值線下移；空氣的再附著發(fā)生在頂板上表面；風(fēng)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(nèi).

根據(jù)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(fēng)向角時的迎風(fēng)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(fēng)前緣，以及頂蓋的中心、前緣、角點和側(cè)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(fēng)向角下架空前后風(fēng)速云圖對比Fig.1 Wind velocity comparison at 0°wind direction with or without open storey

數(shù)值風(fēng)洞計算域的設(shè)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(fēng)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(fēng)高度為400m，C類地貌粗糙度系數(shù)α＝0.22；風(fēng)剖面采用達文波特的指數(shù)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(shè)架空層后的屋頂風(fēng)能利用方式Fig.2 Wind energy utilization with open storey

2 結(jié)果分析

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

通過風(fēng)速比表達式，可以清楚地知道對風(fēng)速增大最有利的建筑位置和高度.

2.1 0°風(fēng)向角下架空高度對風(fēng)速比的影響

在0°風(fēng)向角下，加設(shè)不同高度（h）架空層的7個測點位置風(fēng)速比（Cr，i）的比較結(jié)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(jié)果與加設(shè)架空層后的結(jié)果進行比較.從表1中數(shù)值可以得出如下幾點結(jié)論.

1）除頂板下的屋面中心和迎風(fēng)前緣處的最大風(fēng)速比小于1外，其余位置均大于1.這就說明架空層的設(shè)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(fēng)速；同時，對頂板之上區(qū)域則起到提高風(fēng)速的作用，絕大多數(shù)都提高10%以上.

2）無論架空層高度為多少，風(fēng)速比顯然比無架空時相應(yīng)位置處的數(shù)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(fēng)前緣、角點、中心點和側(cè)邊中點.這一比較恰好證明了在0°風(fēng)向角下，加設(shè)架空層對增大風(fēng)速是非常有利的，從而驗證在屋頂加設(shè)架空層來收集風(fēng)能是可行的.

表1 0°風(fēng)向角下不同架空高度的最大風(fēng)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(fēng)速比值很小，最低在0.31，隨著架空高度增加呈波動上升；當(dāng)高度達到2.0m時，驟然變陡，往后上升的速率也始終較快.當(dāng)頂板高度在4.0m時，最大風(fēng)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(fēng)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(jié)果.即在5.0m高度時，頂板對板下屋面中心風(fēng)速的影響可忽略不計.

4）測點位置2的風(fēng)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(fēng)速比值達到1；在高度為5.0m時，風(fēng)速比值大于1但變化仍不顯著.

5）測點位置3的風(fēng)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(fēng)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(fēng)機.

6）測點位置4，7的風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)位置風(fēng)速比要大約18%.

8）測點位置6的風(fēng)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(shè)置對收集風(fēng)能明顯有利之外，也表明測點位置5，6兩處是風(fēng)能利用的最佳位置.

2.2 90°風(fēng)向角下架空高度對風(fēng)速比的影響

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

與無架空層時此風(fēng)向的結(jié)果相比，測點位置4，5的風(fēng)速比值只有非常微小的提高，而測點位置6，7的風(fēng)速比值提高很顯著，多達20%以上.也就是說無論風(fēng)向角如何，加設(shè)架空層始終對增大屋頂可利用風(fēng)能是有利的，再一次驗證了加設(shè)架空層的可行性及成效.測點位置4，5的風(fēng)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(fēng)速比值不斷波動，不同的是測點位置6處的風(fēng)速比值在0.5m高架空值時達到最大，而測點位置7處的風(fēng)速比值在4.0m高時達到最大.根據(jù)表2中的風(fēng)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(fēng)向角下不同架空高度的最大風(fēng)速比Tab.2 Maximum wind speed ratio at 90°wind direction with different height of open storey

2.3 風(fēng)機安裝高度對風(fēng)速比的影響

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

2.3.1 0°風(fēng)向角 1）測點位置3的風(fēng)速比值較大，且當(dāng)架空層較高時也可以在此處放置風(fēng)機，所以將其考慮在內(nèi).從表3中可以看到，這個位置的風(fēng)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(fēng)機安裝的最佳高度都距離頂板非常近.由于風(fēng)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(fēng)速比的前提下適當(dāng)降低風(fēng)機安裝高度.

2）對于頂板之上的4個放置風(fēng)機的位置，與無架空的情況相比，風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機高度大小，選擇2.0m高的架空層為宜.測點位置5處的風(fēng)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(fēng)機安裝高度計算結(jié)果都很小，對于安裝風(fēng)機是非常有利的.測點位置7處的風(fēng)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(fēng)機安裝高度已減小將近50%.

2.3.2 90°風(fēng)向角 與無架空時的情況相比，各個位置的風(fēng)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(fēng)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(fēng)速比值比較理想，但其風(fēng)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(fēng)速比值基本相等，而測點位置7在1.0m時的風(fēng)速比值還小于2.0m時的風(fēng)速比值.另外，從風(fēng)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(fēng)速比值均高于2.0m時的風(fēng)速比值.因此，仍選取2.0m高的架空層為宜.

表3 不同風(fēng)向角下的風(fēng)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(fēng)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(fēng)壓大小，以保證正常使用功能.在0°和90°風(fēng)向角下，頂板所受風(fēng)壓測試結(jié)果如表4所示.表4中：pup，pdown分別表示上、下表面的風(fēng)壓；ptot＝pdown－pup.

表4 不同風(fēng)向角下的頂板所受風(fēng)壓Tab.4 Wind pressure on roof at different wind direction

明顯地，不論0°還是90°風(fēng)向角，頂板上下表面均受負壓，即上下表面都受風(fēng)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(fēng)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(dǎo)致總風(fēng)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(dāng)加大頂板自重，以防止大風(fēng)時被掀翻.

90°風(fēng)向角時，除架空層為0.1m和0.3m高度外，其余高度下的總風(fēng)壓均是負值，表明總風(fēng)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(fēng)壓值越大，越為有利.

3 結(jié)論

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

如果從經(jīng)濟效益方面進行討論，可根據(jù)局地氣候條件，使用風(fēng)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(yīng)用于任何地區(qū)、任何類型的建筑之上，并能隨著風(fēng)電機技術(shù)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(shè)計中的利用［J］.建筑學(xué)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(fēng)能利用［D］.濟南：山東建筑大學(xué)，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(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用［J］.上海：同濟大學(xué)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(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗火的研究.E－mail：pxq＠hqu.edu.cn.

國家自然科學(xué)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(xué)基金資助項目（2009J01255）