超高层建筑的风荷载及风能发电研究

崔 森，谢晓杰

（郑州工业应用技术学院 建筑工程系，河南 郑州 451100）

超高层建筑的风荷载及风能发电研究

崔 森，谢晓杰

（郑州工业应用技术学院 建筑工程系，河南 郑州 451100）

本文结合工程实例，对超高层建筑风荷载及风能发电问题展开了研究.通过开展风洞试验发现，建筑风荷载与当地风环境和周围建筑群效应等因素有关，而该建筑具有风能发电的可行性，可以通过合理选择风机和实现风能利用结构设计实现风能发电.

超高层建筑；风荷载；风能发电

在城镇化建设的过程中，大量的超高层建筑得到了建设.而这些建筑往往具有丰富的风能，能够为实现可再生能源的利用提供机会.因此，还应加强对超高层建筑的风荷载及风能发电研究，从而为实现低碳建筑的设计和实现可再生能力的利用提供指导.

1 超高层建筑的风荷载及风能发电的可行性分析

1.1 工程概况

某工程为超高层写字楼，高达309m，位于城市商业核心区域，拥有优越地理位置.该工程地上有71层，被定位成低能耗绿色建筑，需实现可再生能源利用.而由于建筑朝向南偏东13°，可对东南风进行充分利用.目前，建筑所在的地区拥有较多太阳辐射量，夏季在季风影响下会形成海洋暖气流，冬季则会形成北方大陆冷风气流.从风向上来看，春季以东南风为主，夏季主要刮偏南风，秋季主要刮偏北风，冬季以偏北风和东北风为主.在风速上，春、冬两季拥有较大的风速，其他两季风速较小[1].在夏季，受热带气旋的影响，可能突然形成8级以上大风.从总体上来看，拥有丰富的风力资源，工程设计要实现对风能这一可再生能源的利用.为此，在大楼24-25层和50-51层之间，需分别完成4个吸风口设置，从而通过安装风力发电机实现风能发电.

1.2 分析模型

为确定工程能否实现风能发电，还要对建筑的风荷载进行分析.在分析的过程中，还要采用1:150比例尺模型，并进行低速风洞试验.试验采用的风洞为闭口串列和开路式的风洞，长达237m，分为两个试验段.其中，第一段长、宽、高分别为 25m、12m、16m，第二段长、宽、高分别为 15m、6m、8m.在第一段底板上，拥有直径为6m的转盘，最大风速达25m/s，第二段风速最大达100m/s.使用的转盘系统能完成自动调速和数据采集，所处的流场拥有较好性能，速度和湍流度的不均匀性分别小于0.5%和0.1%，气流偏角平均值不超过0.5°.在实际进行模拟分析时，还要以ABS刚体模型进行试验，其与实物比例为1:150，高2m，刚度和强度均能满足试验要求.为完成风场的真实模拟，需采用1:150比例在转盘上模型周围完成其他建筑物模型的设置，并确保位置能够对应（如下图1所示）.在主模型上，需在19个层别完成409个测点布置，以完成吸风口和立面风压测试.为确定风口内部风速放大效果，需在风机位置完成风速测点布置.

图1 分析模型

1.3 模拟试验

在实际进行风洞模拟试验时，需利用挡板、二元尖塔等完成C类地貌湍流度和风剖面的模拟，然后对建筑基底风荷载和楼层风荷载坐标点进行计算[2].在方向设置上，以北面风为0°顺时针方向，然后对风向角进行计量.为确定风能发电对建筑结构安全和吸风口周围幕墙的影响，还要进行有风机和无风机测压.在测试过程中，需每隔22.5°完成16个风向的选取，并在0-360°范围内开展试验.为完成风速工况测试，还要完成风机不公正、风机工作和无风机三种情况的风速放大试验，并且完成0°和180°两个风向角选取.在-45°-45°、135°-225°范围内，需按照每隔 10°的要求完成一个风向角的选取.

1.4 分析结果

1.4.1 风荷载分析

在对建筑基底风荷载进行分析时，还要结合测试数据完成等效精力风荷载的计算，以0.60kN/m2为基本风压，阻尼比则为3.5%.如下图2所示，为在风向角变化的过程中，不同条件下大楼基底x向剪力变化情况.分析图中的曲线可知，该方向风荷载在225°-315°范围内得到了控制.而在y方向上，风荷载在112°-180°范围内得到了控制.受周围建筑影响，基底最大风荷载并非出现在立面法线平行的风向角位置.在有风机的情况下，在基底反力达到最大时，其风向角大小与是否存在风机无关，但等效静风荷载则比无风机时要大.分析原因可以发现，这是由于建筑结构因风机出现了受风面积变大的情况.如果将吸风口封闭，受风面积也将变大，从而导致风荷载变大.所以在有风洞的建筑中，在立面完成吸风口设置，能够使建筑的风荷载得到减小.

图2 大楼基底剪力变化

1.4.2 吸风口风压

从吸风口风压测试情况来看，是否设置风机将对周围风压分布产生一定影响.在180°的条件下，如果未设置风机，风流源头的方向墙面上会出现较大的风压，同时吸风口也将产生较大风压.如果设置了风机，并且风机运行正常，吸风口处的风压依然较大，但风机前和吸风口内部风压较少，风机后的风压有所提高.出现这种情况，主要是又有风与风机产生了相互影响.在全风向角的条件下，如下表1所示，为其中一个吸风口内风压系数拥有不同的特征值.从极小值风压变化情况来看，在风机正常运行时，最小极值普遍有所提高.出现这种情况，是因为设置风机将导致吸风口内气流发生变化.

表1 某吸风口风压系数极值变化情况

1.4.3 立面风压

对立面风压进行分析时，还要对风机正常工作状态下的风压分布进行研究.从试验结果来看，受周围建筑影响，最大平均风压处在不对称分布的状态下.而在周围不存在建筑的情况下，风压的分布具有一定的对称性[3].在建筑立面的中上部位置，存在有平均正压.在建筑最顶部测点位置，并未测得平均正压.由此可知，该点迎风面在气流分离的范围内.从各立面测点平均最小风压的分布情况来看，北立面的风压系数最小，为-1.34，其次最小的则为西立面，系数大-1.13，南立面和东立面两个位置的风压系数分别为-0.99和-1.07.从极小值风压系数分析结果来看，北立面和东立面系数最小，分别为-2.80和-2.45，其他两个立面的系数相对要大一些.出现这种情况，则与建筑本身结构形体有关.因为，该建筑南立面为凹弧形，北立面为凸弧形，其他两个立面基本为平面.

1.4.4 风速放大分析

在超高层建筑中，风洞需要发挥风速放大的作用，才能满足风机发电需求.在对风洞风速放大效果展开分析时，还要根据测点与10m高参考点的风速比值进行分析.而无论风向角为多大，拥有上风向风速的测点往往拥有更大的风速比.在未设置风机时，相较于下风向风速测点，上风向风速测点风速比可以大出较多.但是在设置风机的情况下，各测点风速比的关系相对混乱，大小相差不大.出现这种情况，主要是由于吸风口内拥有均匀的气流，能够使风机保持稳定运行.从试验结果来看，该工程将受到建筑群体效应的影响.在未设置风机时，4号吸风口能够产生较好的风速放大效果，能够得到最大风速比.此时，风向角为205°，风速比为3.50.而完成风机设置后，同一层面的3号吸风口发生了明显的风速放大效应.在风机未工作且风向角为215°时，风速比高达3.11.而在风机工作的过程中，风速比则为3.09.之所以这两个吸风口拥有较大风速比，主要是由于两个吸风口的来流风在建筑之间，能够产生“城市峡谷”效应.在南面来凤的情况下，建筑风速能够得到进一步放大.出现这一情况，主要是由于建筑南面为凹面，能够发挥“兜风”的作用.在这一背景下，4号吸风口之所以能够获得更好的风速放大效应，主要与周围风环境有关.在设置风机的条件下，吸风口内风压分布不均，可能无法进行最大风速的捕捉，进而导致其与3号吸风口拥有不同的风速放大效果.由此可见，在超高层建筑设计的过程中，想要实现风能发电，还可以通过改变建筑形状获得更大的风能.

1.4.5 可行性分析

在对建筑实现风能发电的可行性进行分析时，还要根据吸风口风速对风机风速和效率损失问题展开分析.假设使用叶面高和宽分别为5m和2m的风机，并且其能够在风速达到2.7m/s时发电.而在风速达到25m/s时，风机能够以额定功率工作.此外，风机最大能够承受70m/s的风速.结合该地区测风资料可知，在风向角维持在135°-225°之间时，平均风速比和最大风速比分别能够达到2.84和3.09，在某吸风口内可以获得最大的风能，平均最小风速可以达到4.7m/s.而由于建筑北面遭到周围建筑的严重遮挡，所以在风向角为-45°-45°时，最大只能得到1.19的风速比，无法满足发电需求.由此可见，只有在建筑南面来凤的情况下，才能使风机以额定功率工作.但是，如果遇到50年一遇的大风，吸风口内平均风速将超过70m/s，风机将无法正常工作.通过分析可以发现，超高层建筑拥有较大的发电潜能.相较于10m高的位置，该建筑吸风口内产生的风能将达到29.5倍.但在实际进行风能发电时，还要结合建筑外形和吸风口位置完成合适风机的选择，以实现对风能的最大限度地开发.

2 超高层建筑风能发电的实现方法

2.1 风力发电机的设置

结合上述分析，还要通过合理完成风力发电机设置实现风能发电.就目前来看，国内采用的风力发电机主要有两种，一种为垂直轴类型，一种为水平轴类型.从特点上来看，前者拥有较高的风轮架和风能利用率，并且启动风速较低，但是噪声较大.而后者可以完成任何方向风的接受，并且噪声低、占地面积小，能够在地面或楼板上进行发电机的安装[4].在该工程中，全面风向并不固定，所以还要利用垂直轴风力发电机进行风能利用.结合工程实际，可以选用WS-10型发电机组.该机组为芬兰生产，由4台发电机构成.如下表2所示，为发电机组的技术参数.

表2 WS-10型发电机组技术参数

2.2 风能利用结构设计

在进行建筑风能利用结构设计时，还要考虑到吸风口内外最大风速比.通过上述试验研究可知，该数值为3.5.对发电量和风速的关系进行分析可知，风速三次方与风能密度成正比，风机发电量也与风能密度之间存在正比关系，所以可以借助建筑形体使风洞的风速得到提高，进而使风机发电效率得到提高.但考虑到“口哨”效应，还要对风机的工作噪声进行分析.为此，还要在三年重现期风速下完成不同风向角条件下的风机工作噪声分析.通过分析可以发现，在风速高达13.1m/s的条件下，风机噪声较小，周围局部不最大噪声能够满足环境噪声污染防治要求.此外，风力发电与叶片旋转有关，在周围风荷载分布不均的情况下，可能出现设备振动问题，进而导致建筑结构安全受到影响.针对这一情况，还要利用有限元软件对25m/s、40m/s、70m/s等工况条件下的风机运行展开分析.通过研究可以发现，无论在何种工况下，楼板的加速度均较小，不会出现周围楼板共振的情况.

2.3 风力发电系统设计

完成风能利用结构设计后，还要完成风力发电系统设计.结合风速变化，还要使风机输出最大电流达到90A，电压则在0-100V范围内.采用交流变直流转换器，可进行交流电的连接，并进行直流电流的输出.为保持电压稳定，还要利用蓄电池完成电能存储，并利用直流电进行充电.在电压稳定后，可连接并网装置.经过升压，则能完成650V直流电的输出.经并网逆变器，则能得到400V输出电压，输出交流电频率为50Hz，可直接为大楼供电.通过设计该系统，不仅能够实现对风能的并网利用，还能完成对电网变化的同步跟踪，进而使系统电压、频率和相位与外网保持一致[5].在运行的过程中，系统能够完成对外网电压等参数信号的检测，并在发生故障时自动断开连接，以实现自我保护.而在故障消失后，可实现自动并网.此外，系统配备有监控单元，能够完成对并网装置、风速风向仪等装置信号的采集，并且利用数据中心实现数据处理和显示，进而使风力发电系统的运行得到实时监控和管理.

3 结论

通过研究可以发现，超高层建筑的风荷载与当地气候条件和周围建筑群体效应有关，所以还要结合实际情况确定建筑是否能够实现风能发电.而在进行风洞试验的过程中，是否设置风机和风机是否运行也将对建筑风荷载产生影响，所以还要对不同工况进行分析.结合分析结果，则可以从风机设置、风能利用结构设计等方面考虑如何实现风能发电，进而实现对建筑风能的大规模利用.

〔1〕李秋胜,陈伏彬,黄生洪,等.超高层建筑上实施风力发电可行性研究[J].土木工程学报,2012（09）:11-18.

〔2〕何文凯.高层双塔复杂体型建筑风环境特性数值模拟研究[D].浙江工业大学,2015.

〔3〕华锡锋,周名嘉.浅谈风力发电机在超高层建筑珠江城项目的应用[J].电气应用,2010（11）:68-72.

〔4〕徐扬,陈宝明,云和明.强风作用下超高层建筑风环境的数值模拟研究[J].制冷与空调(四川),2013（01）:86-89.

〔5〕刘国光,武志玮,徐有华.考虑群体效应的高层建筑风力发电可行性风洞试验研究[J].科技通报,2015（11）:181-185+193.

TU312+.1

A

1673-260X（2017）11-0050-03

2017-08-11

指导教师：谢晓杰