长方体建筑屋顶风能利用效能研究

袁行飞，张 玉

（浙江大学 空间结构研究中心，杭州310058）

大力开发风能是解决中国能源短缺、实现可持续发展战略的重要途径之一［1］。建筑环境中的风能利用具有免于输送的优点，所产生的电能可直接用于建筑本身，为绿色建筑的发展提供了一种新的思路，对实现建筑可持续化发展、缓解能源与环境矛盾具有重要而深远的意义。

近年来一些学者对建筑环境中的风能利用技术进行了探索。研究主要着眼于可行性分析［2－4］、建筑风环境模拟［5－7］、建 筑 风 力 集 中 器 设 计［8－9］以 及 适 宜建筑环境的风力发电机开发［10－11］等方面。与沙漠、旷野、近海相比，建筑环境中的风场相对复杂、紊流加剧、风速降低，但局部区域也存在较大风速，如高层建筑顶部的小急流、建筑物开洞部位的穿堂风、相邻建筑通道的夹道效应等。为提高风能利用效率，风力机通常安装在上述部位。根据建筑中风力机的放置位置，风能利用建筑大致可分为：顶部安装型、空洞安装型和通道安装型。其中顶部安装型应用较为广泛。本文采用CFD数值模拟方法分析了长方体平屋顶建筑的风能利用效能，研究了不同迎风角对建筑风能集结效果的影响，探讨了风力机的最佳安装位置，并对屋顶形式进行了优化分析，提出了有利于风能集结效果的屋顶形式，为实际工程应用提供理论基础和技术支撑。

1 建筑风能利用效能评价指标

风力机的功率与风速三次方成正比，因此风力机的安装位置应选取风速相对较大的位置，同时避免高湍流。为降低成本，还应尽量降低风力机的安装高度。由此提出以下评价屋顶风能利用效能的指标：

1）风速增大系数Cv＝V／V0－1，衡量建筑风能集结效果最主要的参数，其中V为高度z处的实际风速，V0为高度z处未受建筑挠动时的风速。Cv越大，表明建筑对风能的集结效果越好，N个位置的总风速增大系数为

2）湍流强度I，衡量建筑风场的湍流程度。风场的湍流会减少风机输出功率，引起极端荷载，最终削弱破坏风力机，因此风力机的安装位置应避免高湍流。

3）屋顶紊流厚度δ，是屋顶风速变化梯度较大区域和高湍流区域两者高度的最大值，用来评估风力机的安装高度。

4）实际风速V，衡量具体位置的风能情况，评价其风能利用的可行性，同时为适宜风力机的选择提供依据。

5）风速倾斜角γ，水平轴风力机尚不能利用垂直方向的风速进行发电；对于垂直轴风力机，风速倾斜角在一定程度上可提高风力机的功率［12］。

6）行人高度处风速V2，max，衡量建筑风环境的舒适度。为满足建筑风环境舒适度，要求V2，max≤5m／s。

2 建筑风环境数值模拟假定和方法

2.1 数值模拟基本假定

1）流体不可压缩；2）流体为Newton流体，忽略粘性耗散；3）流体在固壁上无滑移；4）流体各向同性；5）流动为稳态。

2.2 计算模型和方法

1）几何建模及网格划分

几何建模和网格划分在FLUENT 6.3前处理软件Gambit中完成。计算流域如图1，H为建筑物的高度。采用四面体单元进行非结构化网格离散，网格尺寸由内往外逐步增大。

2）湍流模型

考虑到在钝体绕流中的精度，采用可实现的k－ε湍流模型（Realizable k ε）。采用非平衡的壁面函数法处理近壁面的湍流状态。该法能考虑压力梯度和偏离平衡假设带来的影响，对具有像环绕、分离、再附、撞击等复杂流动的计算具有较高的精度。

图1 计算流域示意图

3）边界条件

进流面采用速度入口边界，出口采用压力出口边界，计算区域上壁面及两侧壁面采用对称边界，相当于设置光滑壁面，其剪切应力为0；建筑物表面和地面采用无滑移的壁面条件（wall），沿壁面切向流体速度为0。

入口边界采用UDF接口输入，风速采用满足指数律的风剖面函数：高度Z 处的风速；湍动能散率ε＝0.090.75×k3／2／l，湍流强度Z＝30m时的湍流强度Iu（30）可由地貌系数α得出：A 类 地 貌 的I0＝0.081 1，B 类 地 貌 的I0＝0.095 5，C类地貌的I0＝0.109 3，D类地貌的I0＝0.116 3；湍流积分长度l＝100×（Z／30）0.5。取C类地貌，＝3m／s，α＝0.22。

4）计算方法

计算采用3D单精度，分离式求解器，空气模型选用不可压缩的常密度空气模型，对流项的离散采用精度较高的二阶迎风格式，速度压力耦合采用SIMPLEC算法。计算中使用自适应网格技术（Adapted Grid），每步迭代均对压力梯度大的区域进行网格加密，以便更准确地预测复杂的流动。

3 长方体平屋顶建筑风能利用效果及风力机最佳位置

3.1 迎风角φ＝00时屋顶风能利用效果

长方体平屋顶建筑基本模型：长L＝50m，宽W＝20m，高H＝30m，如图2，h为屋顶以上高度，由于模型的对称性，取屋顶前沿中间和后沿各2个参考位置，分别为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），分析屋顶的风能集结效果。

图2 长方体平屋顶建筑模型

通过CFD数值模拟，可得出各指标参数的变化情况。图3为建筑物中间竖向剖面（y＝0m）和边线竖向剖面（y＝－25m）的风速V等值线图。图4为屋顶风速增大系数Cv随屋顶以上高度h的变化情况。

图3 建筑竖向剖面风速等值线图

由图3可见：风速V在屋顶附近的变化梯度较大，且随h的增加而增大，并趋于稳定。当h＞3m时，前沿点的风速增大梯度趋于稳定；当h＞8m时，中线点的风速增大梯度趋于稳定；当h＞12m时，后沿点的风速增大梯度趋于稳定。屋顶湍流厚度δ沿来流方向呈增厚趋势。屋顶湍流强度随h的增大先增大后减小，在h＝5m内较大，高湍流区出现在建筑屋顶的中前方。

图4 φ＝0时风速增大系数Cv

由图4可见，前沿A点的风速增大系数在h＝5m处达到最大值0.085，对应的实际风速为4.29m／s，湍流强度为0.22；D点在h＝3.5m处达到最大值0.079，对应的实际风速为4.24m／s，湍流强度为0.23。A点的风速倾斜角最大值可达70°，D点的风速倾斜角最大值可达46°；在h＝5m处，A点的风速倾斜角仍有28°，D点为17°。中线B点的风速增大系数在h＝11m处达到最大值0.093，对应的实际风速为4.47m／s，湍流强度为0.18；E点在h＝10m处达到最大值0.075，对应的实际风速为4.37m／s，湍流强度0.16。后沿C点的风速增大系数在h＝19.5m处达到最大值0.060，对应的实际风速为4.51m／s，湍流强度为0.13；F点在h＝14.5m处达到最大值0.055，对应的实际风速为4.39m／s，湍流强度为0.14。中线点和后沿点的风速倾斜角均在0°附近波动。

综上所述，沿来流风方向，屋顶紊流厚度逐渐增厚；风速增大系数、湍流强度和实际风速随h的变化均是前沿点先达到最大值，接着是中线点，之后是后沿点；各参考位置风速增大系数最值所对应的风速均大于3m／s，处于有效风速范围内；前沿点的风向变化比较大，中线点和后沿点的风向变化不大。

3.2 不同迎风角下屋顶风能利用效果

考虑建筑对称性，分别在建筑屋顶的前沿、中线和后沿增加一个参考位置：D0、E0、F0与位置D、E、F对称。由分析知，为提高风力机的发电效能，风力机应在年主风向垂直的方向上尽量多的排放。假定风力机沿建筑长度方向排布，分别分析h＝5m处前沿点（A、D、D0），h＝10m 处中线点（B、E、E0）和h＝15m处后沿点（C、F、F0）在不同来流风向（0.00、22.50、45.00、67.50、90.00）的风能利用效果。分析结果见表1。

表1 不同迎风角下各个参考点的性能参数

通过分析可见，在（0.00，450）之间，前沿，中线和后沿的风速增大系数合值均随着φ的增大先减小后增大，最大值出现迎风角φ＝0.00时；在（45.00，90.00）之间，风速增大系数合值急剧减小；当φ＝900时，达到最小值。

3.3 屋顶风力机安装位置

屋顶风力机的安装位置应选取风速相对较大，且变化较平稳的位置，以减小风力机叶轮的脉动，同时避免高湍流。屋顶安装风力机的高度宜满足h≥δ＋D／2，D为水平轴风力机的直径，对于垂直轴风力机的安装高度宜满足h≥δ。

由前述分析知，对于平屋顶不同位置来说，前沿点的风能集结效果最好——风速比达到最值时的高度最低，且风速变化梯度趋于平稳时的高度也最低，同时避开了高湍流；由于建筑屋面对风速的阻碍作用，建筑物屋顶上的风速在同一高度下，由前沿到后沿呈下降趋势，随着高度的增加，同一高度处，屋面的风速趋于一致。

建筑物屋顶安装风力机的紊流，除了来自建筑物的影响之外，还有一个重要的因素：风力机尾流的相互影响。为了尽量减少风力机尾流的相互影响，风力机的排列间距应满足一定的要求［12］。因此风力机应在年主风向垂直的方向上尽量多的排放，对于安装风力机的建筑来说，应尽可能使建筑的长度方向垂直于年主风向方向，即来流风向控制在（－45°，45°），以提高风力机的发电效能。

假设年主风向垂直于建筑长度方向，当风机尺寸D＞W／8时，风力机沿前沿单排布置的风能利用效率最佳，考虑到风速倾斜角的问题，应优先选择升力型垂直轴风力机［12］，当安装水平轴风力机时，可倾斜一定角度，安装高度大于5m；亦可沿中线单排布置，安装高度大于10m，其利用效能较好，还可减少结构不均匀受力；当风机尺寸D＜W／8，风力机沿宽度方向可多排布置，其中前后排有高差排列的风能利用效能较前沿单排布置和中线单排布置方式好，既可以有效地利用风能，降低安装高度，又可以减小风力机之间的尾流影响。

4 长方体建筑不同屋顶形式分析

4.1 不同屋顶形式的几何模型

目前，在将风力机引入建筑物的技术中，平屋顶上直接安装风力机是一种最直接最易实现的方式，因此本文在分析其对风能集结效果的基础上，将其作为分析其他屋顶形式风能集结效果的参考依据，如图7为4种不同的屋顶形式，建筑物的长度L、宽度W 和总高H 均不变。其中图7（a）为前高单坡型屋顶；图7（b）为后高单坡型屋顶；图7（c）为圆弧双坡型屋顶；图7（d）为梯形双坡型屋顶，屋顶面的宽度l＝5m。各屋顶形式的屋顶倾斜高度分别用Ma、Mb、Mc、Md表示。取各屋顶形式的屋顶倾斜高度分别为2.5、5.0、7.5、10.0m与平屋顶（M＝0）进行比较分析。

图7 屋顶不同形式

4.2 不同形式屋顶的风能利用效能

分析迎风角φ＝0时，各屋顶形式的风能利用效能。图8为各屋顶形式屋顶倾斜高度等于5m时，建筑中间竖直剖面的风速V等值线图和湍流强度I等值线图。由图8可见，前高单坡型屋顶前沿点的紊流厚度与平屋顶的基本相同，中线点和后沿点的紊流厚度有所增大，同一屋顶高度处，风速有所减小；后高单坡型屋顶前沿点的紊流厚度较平屋顶的高，中线点尤其是后沿点的紊流厚度有所减小；双坡型屋顶中线点的紊流厚度较平屋顶有所减小，屋顶以上同一h下，圆弧双坡型屋顶中线点的风速较平屋顶的大。

8 各屋顶形式建筑y＝0m竖直剖面风速等值线图（m／s）

图9为不同屋顶倾斜高度下，各形式屋顶的风速增大系数Cv随屋顶以上高度h的变化情况。相比平屋顶形式，以上4种屋顶形式，只有圆弧双坡型屋顶和梯形双坡型屋顶的风速增大系数最值有所提高，其中圆弧屋顶提高的幅度最大。随着屋顶倾斜高度的增加，圆弧屋顶的风速增大系数最值越来越大，且达到最值时所对应的高度h也越来越小；其他形式屋顶的风速增大系数最值越来越小，但最值所对应的高度h越来越小。

图9 不同屋顶高度下各屋顶形式特征位置风速增大系数Cv变化情况

综上，当迎风角φ＝0时，前单坡屋顶适宜沿前沿单排安放风力机，中线和后沿的紊流厚度较大，不宜安放风力机；虽然后单坡屋顶的风速增大系数较平屋顶有所减小，但中线和后沿的紊流厚度明显减小，风力机沿前沿、中线和后沿安放的利用效能相当，当建筑宽度允许的情况下，可以利用建筑本身前后的高差实现风力机的多排布置；圆弧双屋顶和梯形双屋顶沿中线安放风力机的风能利用效能较平屋顶有所提高，由于只可单排安放风力机，适宜建筑宽度较小的建筑。

5 结 论

通过CFD数值模拟分析了长方体建筑屋顶风能利用效果，比较了不同迎风角、不同屋顶形式对风能集结效果的影响，得出以下结论：

1）长方体平屋顶建筑的屋顶对风能有一定的集结效果，其集结效果受来流风向影响较大。

2）长方体平屋顶建筑沿屋顶前沿点安装风力机的风能利用效果最佳——相同风速下，其安装高度最低，同时应将来流风向角控制在（－450，450）的范围内。当建筑宽度较大时，长方体平屋顶建筑屋顶可前后有高差地多排安放风力机，既减小风力机尾流的影响，同时也可增加屋顶风力机的安装数目，提高建筑屋顶的总发电量。

3）几种不同屋顶形式下，后单坡屋顶宜发展前后有高差多排布置风力机；当屋顶单排布置风力机时，梯形双坡屋顶和圆弧双坡屋顶沿中线单排布置风力机的效能最佳。

4）通过分析得知建筑屋顶对风能具有一定的集结效果，但建筑屋顶风场比较复杂，紊流很大，对风力机性能的影响不容忽视，风力机能否在建筑中得到广泛应用，还需进一步的研究。

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