天顺风能 [长方体建筑屋顶风能利用效能研究]

　　作者简介：袁行飞(1972)，女，教授，博士生导师，主要从事大跨空间结构研究，（Email）yuanxf@zju.edu.cn。摘要：屋顶安装小型风力发电机是近几年来新发展的一种风能利用形式。以年平均风速为对象，研究建筑屋顶风能利用的效能，提出衡量建筑风能利用效能的6个性能指标。利用CFD数值模拟方法分析了长方体建筑平屋顶对风能的利用效果，考察了不同迎风角下控制点的性能指标，探讨屋顶风力机安装的最佳位置和排列形式。对长方体建筑屋顶形式进行分析，对比了4种不同屋顶形式的风能利用效能。
　　关键词：风能；建筑环境；建筑屋顶；利用效能
　　中图分类号：TU023；TK89文献标志码：A文章编号：16744764（2012）03011707
　　Wind Power Utilization Efficiency on Roof of Rectangular Buildings
　　YUAN Xingfei, ZHANG Yu
　　(Space Structures Research Center, Zhejiang University, Hangzhou 310058, P. R. China)
　　Abstract:Installing small wind turbines on the roof of buildings is a new way of wind power utilization in recently years. Based on the annual mean wind speed, the efficiency of wind power utilization on roofs of buildings was studied and the evaluation indexes for the utilization efficiency were proposed. With the help of CFD numerical analysis, the analysis on wind power utilization efficiency on flat roofs of rectangular buildings was carried out. The performance indexes of reference points under different windward angles were investigated. The best position and arrangement of wind turbines on the roof were also discussed. Furthermore, the utilization efficiency of four roofs with different shapes were analyzed and compared with that of flat roof.
　　Key words:wind power; building environment; building roofs; utilization efficiency
　　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：〖=D(〗袁行飞，等：长方体建筑屋顶风能利用效能研究〖=〗
　　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Cv总=ΣNi=1Cvi。
　　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≤5 m/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