崔 森，謝曉杰

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 鄭州 451100）

超高層建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)能發(fā)電研究

崔 森，謝曉杰

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 鄭州 451100）

本文結(jié)合工程實例，對超高層建筑風(fēng)荷載及風(fēng)能發(fā)電問題展開了研究.通過開展風(fēng)洞試驗發(fā)現(xiàn)，建筑風(fēng)荷載與當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境和周圍建筑群效應(yīng)等因素有關(guān)，而該建筑具有風(fēng)能發(fā)電的可行性，可以通過合理選擇風(fēng)機和實現(xiàn)風(fēng)能利用結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電.

超高層建筑；風(fēng)荷載；風(fēng)能發(fā)電

在城鎮(zhèn)化建設(shè)的過程中，大量的超高層建筑得到了建設(shè).而這些建筑往往具有豐富的風(fēng)能，能夠為實現(xiàn)可再生能源的利用提供機會.因此，還應(yīng)加強對超高層建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)能發(fā)電研究，從而為實現(xiàn)低碳建筑的設(shè)計和實現(xiàn)可再生能力的利用提供指導(dǎo).

1 超高層建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)能發(fā)電的可行性分析

1.1 工程概況

某工程為超高層寫字樓，高達(dá)309m，位于城市商業(yè)核心區(qū)域，擁有優(yōu)越地理位置.該工程地上有71層，被定位成低能耗綠色建筑，需實現(xiàn)可再生能源利用.而由于建筑朝向南偏東13°，可對東南風(fēng)進(jìn)行充分利用.目前，建筑所在的地區(qū)擁有較多太陽輻射量，夏季在季風(fēng)影響下會形成海洋暖氣流，冬季則會形成北方大陸冷風(fēng)氣流.從風(fēng)向上來看，春季以東南風(fēng)為主，夏季主要刮偏南風(fēng)，秋季主要刮偏北風(fēng)，冬季以偏北風(fēng)和東北風(fēng)為主.在風(fēng)速上，春、冬兩季擁有較大的風(fēng)速，其他兩季風(fēng)速較小[1].在夏季，受熱帶氣旋的影響，可能突然形成8級以上大風(fēng).從總體上來看，擁有豐富的風(fēng)力資源，工程設(shè)計要實現(xiàn)對風(fēng)能這一可再生能源的利用.為此，在大樓24-25層和50-51層之間，需分別完成4個吸風(fēng)口設(shè)置，從而通過安裝風(fēng)力發(fā)電機實現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電.

1.2 分析模型

為確定工程能否實現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電，還要對建筑的風(fēng)荷載進(jìn)行分析.在分析的過程中，還要采用1:150比例尺模型，并進(jìn)行低速風(fēng)洞試驗.試驗采用的風(fēng)洞為閉口串列和開路式的風(fēng)洞，長達(dá)237m，分為兩個試驗段.其中，第一段長、寬、高分別為 25m、12m、16m，第二段長、寬、高分別為 15m、6m、8m.在第一段底板上，擁有直徑為6m的轉(zhuǎn)盤，最大風(fēng)速達(dá)25m/s，第二段風(fēng)速最大達(dá)100m/s.使用的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)能完成自動調(diào)速和數(shù)據(jù)采集，所處的流場擁有較好性能，速度和湍流度的不均勻性分別小于0.5%和0.1%，氣流偏角平均值不超過0.5°.在實際進(jìn)行模擬分析時，還要以ABS剛體模型進(jìn)行試驗，其與實物比例為1:150，高2m，剛度和強度均能滿足試驗要求.為完成風(fēng)場的真實模擬，需采用1:150比例在轉(zhuǎn)盤上模型周圍完成其他建筑物模型的設(shè)置，并確保位置能夠?qū)?yīng)（如下圖1所示）.在主模型上，需在19個層別完成409個測點布置，以完成吸風(fēng)口和立面風(fēng)壓測試.為確定風(fēng)口內(nèi)部風(fēng)速放大效果，需在風(fēng)機位置完成風(fēng)速測點布置.

圖1 分析模型

1.3 模擬試驗

在實際進(jìn)行風(fēng)洞模擬試驗時，需利用擋板、二元尖塔等完成C類地貌湍流度和風(fēng)剖面的模擬，然后對建筑基底風(fēng)荷載和樓層風(fēng)荷載坐標(biāo)點進(jìn)行計算[2].在方向設(shè)置上，以北面風(fēng)為0°順時針方向，然后對風(fēng)向角進(jìn)行計量.為確定風(fēng)能發(fā)電對建筑結(jié)構(gòu)安全和吸風(fēng)口周圍幕墻的影響，還要進(jìn)行有風(fēng)機和無風(fēng)機測壓.在測試過程中，需每隔22.5°完成16個風(fēng)向的選取，并在0-360°范圍內(nèi)開展試驗.為完成風(fēng)速工況測試，還要完成風(fēng)機不公正、風(fēng)機工作和無風(fēng)機三種情況的風(fēng)速放大試驗，并且完成0°和180°兩個風(fēng)向角選取.在-45°-45°、135°-225°范圍內(nèi)，需按照每隔 10°的要求完成一個風(fēng)向角的選取.

1.4 分析結(jié)果

1.4.1 風(fēng)荷載分析

在對建筑基底風(fēng)荷載進(jìn)行分析時，還要結(jié)合測試數(shù)據(jù)完成等效精力風(fēng)荷載的計算，以0.60kN/m2為基本風(fēng)壓，阻尼比則為3.5%.如下圖2所示，為在風(fēng)向角變化的過程中，不同條件下大樓基底x向剪力變化情況.分析圖中的曲線可知，該方向風(fēng)荷載在225°-315°范圍內(nèi)得到了控制.而在y方向上，風(fēng)荷載在112°-180°范圍內(nèi)得到了控制.受周圍建筑影響，基底最大風(fēng)荷載并非出現(xiàn)在立面法線平行的風(fēng)向角位置.在有風(fēng)機的情況下，在基底反力達(dá)到最大時，其風(fēng)向角大小與是否存在風(fēng)機無關(guān)，但等效靜風(fēng)荷載則比無風(fēng)機時要大.分析原因可以發(fā)現(xiàn)，這是由于建筑結(jié)構(gòu)因風(fēng)機出現(xiàn)了受風(fēng)面積變大的情況.如果將吸風(fēng)口封閉，受風(fēng)面積也將變大，從而導(dǎo)致風(fēng)荷載變大.所以在有風(fēng)洞的建筑中，在立面完成吸風(fēng)口設(shè)置，能夠使建筑的風(fēng)荷載得到減小.

圖2 大樓基底剪力變化

1.4.2 吸風(fēng)口風(fēng)壓

從吸風(fēng)口風(fēng)壓測試情況來看，是否設(shè)置風(fēng)機將對周圍風(fēng)壓分布產(chǎn)生一定影響.在180°的條件下，如果未設(shè)置風(fēng)機，風(fēng)流源頭的方向墻面上會出現(xiàn)較大的風(fēng)壓，同時吸風(fēng)口也將產(chǎn)生較大風(fēng)壓.如果設(shè)置了風(fēng)機，并且風(fēng)機運行正常，吸風(fēng)口處的風(fēng)壓依然較大，但風(fēng)機前和吸風(fēng)口內(nèi)部風(fēng)壓較少，風(fēng)機后的風(fēng)壓有所提高.出現(xiàn)這種情況，主要是又有風(fēng)與風(fēng)機產(chǎn)生了相互影響.在全風(fēng)向角的條件下，如下表1所示，為其中一個吸風(fēng)口內(nèi)風(fēng)壓系數(shù)擁有不同的特征值.從極小值風(fēng)壓變化情況來看，在風(fēng)機正常運行時，最小極值普遍有所提高.出現(xiàn)這種情況，是因為設(shè)置風(fēng)機將導(dǎo)致吸風(fēng)口內(nèi)氣流發(fā)生變化.

表1 某吸風(fēng)口風(fēng)壓系數(shù)極值變化情況

1.4.3 立面風(fēng)壓

對立面風(fēng)壓進(jìn)行分析時，還要對風(fēng)機正常工作狀態(tài)下的風(fēng)壓分布進(jìn)行研究.從試驗結(jié)果來看，受周圍建筑影響，最大平均風(fēng)壓處在不對稱分布的狀態(tài)下.而在周圍不存在建筑的情況下，風(fēng)壓的分布具有一定的對稱性[3].在建筑立面的中上部位置，存在有平均正壓.在建筑最頂部測點位置，并未測得平均正壓.由此可知，該點迎風(fēng)面在氣流分離的范圍內(nèi).從各立面測點平均最小風(fēng)壓的分布情況來看，北立面的風(fēng)壓系數(shù)最小，為-1.34，其次最小的則為西立面，系數(shù)大-1.13，南立面和東立面兩個位置的風(fēng)壓系數(shù)分別為-0.99和-1.07.從極小值風(fēng)壓系數(shù)分析結(jié)果來看，北立面和東立面系數(shù)最小，分別為-2.80和-2.45，其他兩個立面的系數(shù)相對要大一些.出現(xiàn)這種情況，則與建筑本身結(jié)構(gòu)形體有關(guān).因為，該建筑南立面為凹弧形，北立面為凸弧形，其他兩個立面基本為平面.

1.4.4 風(fēng)速放大分析

在超高層建筑中，風(fēng)洞需要發(fā)揮風(fēng)速放大的作用，才能滿足風(fēng)機發(fā)電需求.在對風(fēng)洞風(fēng)速放大效果展開分析時，還要根據(jù)測點與10m高參考點的風(fēng)速比值進(jìn)行分析.而無論風(fēng)向角為多大，擁有上風(fēng)向風(fēng)速的測點往往擁有更大的風(fēng)速比.在未設(shè)置風(fēng)機時，相較于下風(fēng)向風(fēng)速測點，上風(fēng)向風(fēng)速測點風(fēng)速比可以大出較多.但是在設(shè)置風(fēng)機的情況下，各測點風(fēng)速比的關(guān)系相對混亂，大小相差不大.出現(xiàn)這種情況，主要是由于吸風(fēng)口內(nèi)擁有均勻的氣流，能夠使風(fēng)機保持穩(wěn)定運行.從試驗結(jié)果來看，該工程將受到建筑群體效應(yīng)的影響.在未設(shè)置風(fēng)機時，4號吸風(fēng)口能夠產(chǎn)生較好的風(fēng)速放大效果，能夠得到最大風(fēng)速比.此時，風(fēng)向角為205°，風(fēng)速比為3.50.而完成風(fēng)機設(shè)置后，同一層面的3號吸風(fēng)口發(fā)生了明顯的風(fēng)速放大效應(yīng).在風(fēng)機未工作且風(fēng)向角為215°時，風(fēng)速比高達(dá)3.11.而在風(fēng)機工作的過程中，風(fēng)速比則為3.09.之所以這兩個吸風(fēng)口擁有較大風(fēng)速比，主要是由于兩個吸風(fēng)口的來流風(fēng)在建筑之間，能夠產(chǎn)生“城市峽谷”效應(yīng).在南面來鳳的情況下，建筑風(fēng)速能夠得到進(jìn)一步放大.出現(xiàn)這一情況，主要是由于建筑南面為凹面，能夠發(fā)揮“兜風(fēng)”的作用.在這一背景下，4號吸風(fēng)口之所以能夠獲得更好的風(fēng)速放大效應(yīng)，主要與周圍風(fēng)環(huán)境有關(guān).在設(shè)置風(fēng)機的條件下，吸風(fēng)口內(nèi)風(fēng)壓分布不均，可能無法進(jìn)行最大風(fēng)速的捕捉，進(jìn)而導(dǎo)致其與3號吸風(fēng)口擁有不同的風(fēng)速放大效果.由此可見，在超高層建筑設(shè)計的過程中，想要實現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電，還可以通過改變建筑形狀獲得更大的風(fēng)能.

1.4.5 可行性分析

在對建筑實現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電的可行性進(jìn)行分析時，還要根據(jù)吸風(fēng)口風(fēng)速對風(fēng)機風(fēng)速和效率損失問題展開分析.假設(shè)使用葉面高和寬分別為5m和2m的風(fēng)機，并且其能夠在風(fēng)速達(dá)到2.7m/s時發(fā)電.而在風(fēng)速達(dá)到25m/s時，風(fēng)機能夠以額定功率工作.此外，風(fēng)機最大能夠承受70m/s的風(fēng)速.結(jié)合該地區(qū)測風(fēng)資料可知，在風(fēng)向角維持在135°-225°之間時，平均風(fēng)速比和最大風(fēng)速比分別能夠達(dá)到2.84和3.09，在某吸風(fēng)口內(nèi)可以獲得最大的風(fēng)能，平均最小風(fēng)速可以達(dá)到4.7m/s.而由于建筑北面遭到周圍建筑的嚴(yán)重遮擋，所以在風(fēng)向角為-45°-45°時，最大只能得到1.19的風(fēng)速比，無法滿足發(fā)電需求.由此可見，只有在建筑南面來鳳的情況下，才能使風(fēng)機以額定功率工作.但是，如果遇到50年一遇的大風(fēng)，吸風(fēng)口內(nèi)平均風(fēng)速將超過70m/s，風(fēng)機將無法正常工作.通過分析可以發(fā)現(xiàn)，超高層建筑擁有較大的發(fā)電潛能.相較于10m高的位置，該建筑吸風(fēng)口內(nèi)產(chǎn)生的風(fēng)能將達(dá)到29.5倍.但在實際進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電時，還要結(jié)合建筑外形和吸風(fēng)口位置完成合適風(fēng)機的選擇，以實現(xiàn)對風(fēng)能的最大限度地開發(fā).

2 超高層建筑風(fēng)能發(fā)電的實現(xiàn)方法

2.1 風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)置

結(jié)合上述分析，還要通過合理完成風(fēng)力發(fā)電機設(shè)置實現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電.就目前來看，國內(nèi)采用的風(fēng)力發(fā)電機主要有兩種，一種為垂直軸類型，一種為水平軸類型.從特點上來看，前者擁有較高的風(fēng)輪架和風(fēng)能利用率，并且啟動風(fēng)速較低，但是噪聲較大.而后者可以完成任何方向風(fēng)的接受，并且噪聲低、占地面積小，能夠在地面或樓板上進(jìn)行發(fā)電機的安裝[4].在該工程中，全面風(fēng)向并不固定，所以還要利用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行風(fēng)能利用.結(jié)合工程實際，可以選用WS-10型發(fā)電機組.該機組為芬蘭生產(chǎn)，由4臺發(fā)電機構(gòu)成.如下表2所示，為發(fā)電機組的技術(shù)參數(shù).

表2 WS-10型發(fā)電機組技術(shù)參數(shù)

2.2 風(fēng)能利用結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行建筑風(fēng)能利用結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要考慮到吸風(fēng)口內(nèi)外最大風(fēng)速比.通過上述試驗研究可知，該數(shù)值為3.5.對發(fā)電量和風(fēng)速的關(guān)系進(jìn)行分析可知，風(fēng)速三次方與風(fēng)能密度成正比，風(fēng)機發(fā)電量也與風(fēng)能密度之間存在正比關(guān)系，所以可以借助建筑形體使風(fēng)洞的風(fēng)速得到提高，進(jìn)而使風(fēng)機發(fā)電效率得到提高.但考慮到“口哨”效應(yīng)，還要對風(fēng)機的工作噪聲進(jìn)行分析.為此，還要在三年重現(xiàn)期風(fēng)速下完成不同風(fēng)向角條件下的風(fēng)機工作噪聲分析.通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速高達(dá)13.1m/s的條件下，風(fēng)機噪聲較小，周圍局部不最大噪聲能夠滿足環(huán)境噪聲污染防治要求.此外，風(fēng)力發(fā)電與葉片旋轉(zhuǎn)有關(guān)，在周圍風(fēng)荷載分布不均的情況下，可能出現(xiàn)設(shè)備振動問題，進(jìn)而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)安全受到影響.針對這一情況，還要利用有限元軟件對25m/s、40m/s、70m/s等工況條件下的風(fēng)機運行展開分析.通過研究可以發(fā)現(xiàn)，無論在何種工況下，樓板的加速度均較小，不會出現(xiàn)周圍樓板共振的情況.

2.3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

完成風(fēng)能利用結(jié)構(gòu)設(shè)計后，還要完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計.結(jié)合風(fēng)速變化，還要使風(fēng)機輸出最大電流達(dá)到90A，電壓則在0-100V范圍內(nèi).采用交流變直流轉(zhuǎn)換器，可進(jìn)行交流電的連接，并進(jìn)行直流電流的輸出.為保持電壓穩(wěn)定，還要利用蓄電池完成電能存儲，并利用直流電進(jìn)行充電.在電壓穩(wěn)定后，可連接并網(wǎng)裝置.經(jīng)過升壓，則能完成650V直流電的輸出.經(jīng)并網(wǎng)逆變器，則能得到400V輸出電壓，輸出交流電頻率為50Hz，可直接為大樓供電.通過設(shè)計該系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)能的并網(wǎng)利用，還能完成對電網(wǎng)變化的同步跟蹤，進(jìn)而使系統(tǒng)電壓、頻率和相位與外網(wǎng)保持一致[5].在運行的過程中，系統(tǒng)能夠完成對外網(wǎng)電壓等參數(shù)信號的檢測，并在發(fā)生故障時自動斷開連接，以實現(xiàn)自我保護(hù).而在故障消失后，可實現(xiàn)自動并網(wǎng).此外，系統(tǒng)配備有監(jiān)控單元，能夠完成對并網(wǎng)裝置、風(fēng)速風(fēng)向儀等裝置信號的采集，并且利用數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和顯示，進(jìn)而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行得到實時監(jiān)控和管理.

3 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，超高層建筑的風(fēng)荷載與當(dāng)?shù)貧夂驐l件和周圍建筑群體效應(yīng)有關(guān)，所以還要結(jié)合實際情況確定建筑是否能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能發(fā)電.而在進(jìn)行風(fēng)洞試驗的過程中，是否設(shè)置風(fēng)機和風(fēng)機是否運行也將對建筑風(fēng)荷載產(chǎn)生影響，所以還要對不同工況進(jìn)行分析.結(jié)合分析結(jié)果，則可以從風(fēng)機設(shè)置、風(fēng)能利用結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面考慮如何實現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電，進(jìn)而實現(xiàn)對建筑風(fēng)能的大規(guī)模利用.

〔1〕李秋勝,陳伏彬,黃生洪,等.超高層建筑上實施風(fēng)力發(fā)電可行性研究[J].土木工程學(xué)報,2012（09）:11-18.

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TU312+.1

A

1673-260X（2017）11-0050-03

2017-08-11

指導(dǎo)教師：謝曉杰