高層建筑屋頂塔樓對(duì)風(fēng)力利用效能的影響分析

萬(wàn)瑞霞 WAN Rui-xia；瞿明 QU Ming

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730021）

（Lanzhou Resources and Environment Voc-Tech College，Lanzhou 730021，China）

0 引言

隨著科技不斷的進(jìn)步，人們的生活水平日益提升，對(duì)能源的需求也不斷提升。每個(gè)國(guó)家對(duì)新能源的開發(fā)非常重視。近年來(lái)，新能源的發(fā)展在我國(guó)非常迅速，尤其是風(fēng)能和太陽(yáng)能的發(fā)展最為顯著。

1 風(fēng)能資源的應(yīng)用

人類借風(fēng)力航船、借風(fēng)力風(fēng)車灌溉、糧食加工等古老的發(fā)明都是對(duì)風(fēng)力資源的利用，從世界范圍來(lái)看，人對(duì)風(fēng)能的利用由來(lái)已久。目前，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能的主要應(yīng)用形式。例如：美國(guó)北卡羅來(lái)納州的藍(lán)嶺山風(fēng)電、丹麥日德蘭半島風(fēng)電、臺(tái)灣臺(tái)中高美濕地風(fēng)力電廠、內(nèi)蒙古草原風(fēng)力發(fā)電廠等。這些規(guī)模較大的風(fēng)力發(fā)電廠都說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為人們能源消費(fèi)的一種常見(jiàn)形式。

世界各國(guó)都在積極開展風(fēng)能利用的研究。據(jù)我國(guó)的氣象資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的風(fēng)力資源儲(chǔ)量可達(dá)每年16億千瓦，能夠有效開發(fā)的約為1.6億千瓦。風(fēng)能的有效利用對(duì)改善我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是非常有益的。

2 風(fēng)能利用建筑

風(fēng)力發(fā)電設(shè)施一般修建在空曠、偏僻的地方，對(duì)于人口密度較大的城市中缺少對(duì)風(fēng)力資源的應(yīng)用。我國(guó)一些城市風(fēng)力資源豐富，人口眾多，無(wú)法對(duì)風(fēng)能有效利用。對(duì)于風(fēng)能的利用，科學(xué)家提出風(fēng)能利用建筑的概念，為城市有效利用風(fēng)能找到了有效的途徑。1968年KC.White針對(duì)高層建筑對(duì)建筑群環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行分析；20世紀(jì)70年代，設(shè)計(jì)者對(duì)倫敦Vauxhal地區(qū)的兩座高層建筑和南部銀行大廈周圍風(fēng)資源環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)。現(xiàn)代的研究者運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、風(fēng)洞試驗(yàn)等科技手段對(duì)建筑群環(huán)境進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的研究，取得了一些成就。

風(fēng)能利用建筑中最為著名的是巴林世貿(mào)中心，三個(gè)巨大的風(fēng)力渦輪螺旋槳被成功地架設(shè)兩座摩天高樓的中間，構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)，為中心提供清潔能源，英國(guó)倫敦的Strata，是一種渦輪式風(fēng)電建筑，設(shè)計(jì)師在高達(dá)148米的建筑頂部安裝3部風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，屆時(shí)將可以為整幢建筑提供約8%的能源。

建筑物自身是風(fēng)力強(qiáng)化和收集的載體，但是這些著名建筑造型各異，成本巨大，缺少普遍應(yīng)用的可能性。城市中的建筑對(duì)風(fēng)能的利用應(yīng)當(dāng)選擇垂直軸風(fēng)機(jī)，小型垂直軸風(fēng)機(jī)只要選擇和安裝角度適當(dāng)，轉(zhuǎn)動(dòng)所需風(fēng)速只有2m/s。這種風(fēng)機(jī)噪音小，功率也較高，非常適合在城市公共建筑和居民住宅上使用。

3 屋頂塔樓風(fēng)能利用分析

高層建筑在現(xiàn)今生活中非常普遍，在龐大的城市建筑群中安裝風(fēng)力電機(jī)，可以產(chǎn)生巨大的電能，來(lái)彌補(bǔ)能源消費(fèi)的不足，改善能源消費(fèi)的結(jié)構(gòu)。為了更好地收集風(fēng)能，建筑的形狀多為流線型，而生活中多數(shù)的高層建筑屬于非流線體型。針對(duì)非流線體型建筑的風(fēng)能利用在城市中很具有意義。

高層建筑的屋頂一般都會(huì)空置，而較高的建筑在頂部通常氣流流動(dòng)快，周圍遮擋少，具有可利用的風(fēng)力資源。高層建筑的屋頂是安放風(fēng)力電機(jī)的優(yōu)越位置，這樣既不用額外占用城市空間，又可以提供清潔能源，將建筑與風(fēng)能利用有機(jī)結(jié)合。

本文對(duì)高層建筑屋頂?shù)乃菍?duì)風(fēng)力環(huán)境的影響因素進(jìn)行分析，從而為高層建筑風(fēng)力電機(jī)的安裝提供參考。選擇校區(qū)內(nèi)的多個(gè)建筑物作為取樣的目標(biāo)，經(jīng)過(guò)測(cè)試、計(jì)算和分析，得到屋頂塔樓對(duì)風(fēng)能利用的影響因素。

3.1 分析方法

在校區(qū)內(nèi)選擇高度不同、塔樓結(jié)構(gòu)不同的建筑為研究對(duì)象，在塔樓的4個(gè)不同位置選擇觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同位置的風(fēng)速測(cè)試，對(duì)結(jié)果分析得到塔樓結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形式。

3.2 有無(wú)塔樓對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響

選取有塔樓和沒(méi)有塔樓設(shè)計(jì)的高層建筑，分別選擇4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)試有塔樓和沒(méi)有塔樓建筑的風(fēng)速大小，并記錄。經(jīng)過(guò)測(cè)試，沒(méi)有塔樓的屋頂上方最大風(fēng)速大約為5.3m/s，在具有塔樓的屋頂時(shí)，最大的風(fēng)速可以達(dá)到6.2m/s，說(shuō)明風(fēng)速增加，并且測(cè)試數(shù)據(jù)可以推動(dòng)風(fēng)力電機(jī)運(yùn)行。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以證明塔樓的存在增加了屋頂?shù)娘L(fēng)速，對(duì)風(fēng)力資源利用的提高起到了幫助作用。

3.3 塔樓高度對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響

對(duì)長(zhǎng)度、寬度相同，高度不同的塔樓屋頂進(jìn)行對(duì)比，用以驗(yàn)證塔樓高度對(duì)高層建筑屋頂?shù)母浇娘L(fēng)速是否產(chǎn)生影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，高度較小塔樓向屋頂?shù)臍饬髯钃踺^小，但是氣流在塔樓間和塔樓上的風(fēng)速都明顯增加；當(dāng)塔樓的高度增加，塔樓對(duì)氣流阻擋明顯增加，氣流沿著迎風(fēng)面上升，在塔樓的頂面邊緣風(fēng)速顯著增大。這樣的結(jié)果可以證明塔樓的頂面邊緣處是導(dǎo)致風(fēng)速增大的主要原因，而風(fēng)速的增大與塔樓的高度沒(méi)有必然聯(lián)系。高層建筑的塔樓不可能無(wú)限高度，從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和建筑的美觀上考慮，塔樓的高度可做適度的選擇。

3.4 塔樓長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響

對(duì)高度、寬度相同，長(zhǎng)度不同的塔樓進(jìn)行對(duì)比，在沿著塔樓不同長(zhǎng)度的地方選擇4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)試風(fēng)速，獲取結(jié)果。經(jīng)分析可以看出，隨著塔樓迎風(fēng)面垂直于氣流流動(dòng)方向的增加，塔樓之間的風(fēng)速開始減小。塔樓長(zhǎng)度的增加使得塔樓間距離變小，對(duì)氣流的阻擋作用增大，建筑的背風(fēng)面形成渦流，減小了風(fēng)速。可以認(rèn)為塔樓屋頂長(zhǎng)度的增加對(duì)建筑物風(fēng)能的利用是不利的，塔樓的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)在合理范圍內(nèi)。

圖1

4 結(jié)論

在文章中對(duì)高層建筑屋頂?shù)乃怯袩o(wú)、塔樓高度、塔樓長(zhǎng)度等做了測(cè)試比較，可以看到在高層建筑中塔樓的設(shè)計(jì)是可以提高風(fēng)能利用的，塔樓的體積對(duì)風(fēng)能利用效率的影響有限。本文中的分析還有很多不完善的地方，例如風(fēng)向角對(duì)風(fēng)速的影響；高層建筑屋頂?shù)募芸諏訉?duì)風(fēng)環(huán)境的影響等等。對(duì)這些不足應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探索，使得城市大規(guī)模利用風(fēng)力資源成為可能。

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[3]楊蓉.高層建筑屋頂風(fēng)能利用研究[D].碩士學(xué)位論文，華僑大學(xué)，2011.