超高層建筑的風荷載及風能發電研究

崔 森，謝曉杰

（鄭州工業應用技術學院 建筑工程系，河南 鄭州 451100）

超高層建筑的風荷載及風能發電研究

崔 森，謝曉杰

（鄭州工業應用技術學院 建筑工程系，河南 鄭州 451100）

本文結合工程實例，對超高層建筑風荷載及風能發電問題展開了研究.通過開展風洞試驗發現，建筑風荷載與當地風環境和周圍建筑群效應等因素有關，而該建筑具有風能發電的可行性，可以通過合理選擇風機和實現風能利用結構設計實現風能發電.

超高層建筑；風荷載；風能發電

在城鎮化建設的過程中，大量的超高層建筑得到了建設.而這些建筑往往具有豐富的風能，能夠為實現可再生能源的利用提供機會.因此，還應加強對超高層建筑的風荷載及風能發電研究，從而為實現低碳建筑的設計和實現可再生能力的利用提供指導.

1 超高層建筑的風荷載及風能發電的可行性分析

1.1 工程概況

某工程為超高層寫字樓，高達309m，位于城市商業核心區域，擁有優越地理位置.該工程地上有71層，被定位成低能耗綠色建筑，需實現可再生能源利用.而由于建筑朝向南偏東13°，可對東南風進行充分利用.目前，建筑所在的地區擁有較多太陽輻射量，夏季在季風影響下會形成海洋暖氣流，冬季則會形成北方大陸冷風氣流.從風向上來看，春季以東南風為主，夏季主要刮偏南風，秋季主要刮偏北風，冬季以偏北風和東北風為主.在風速上，春、冬兩季擁有較大的風速，其他兩季風速較小[1].在夏季，受熱帶氣旋的影響，可能突然形成8級以上大風.從總體上來看，擁有豐富的風力資源，工程設計要實現對風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個吸風口設置，從而通過安裝風力發電機實現風能發電.

1.2 分析模型

為確定工程能否實現風能發電，還要對建筑的風荷載進行分析.在分析的過程中，還要采用1:150比例尺模型，并進行低速風洞試驗.試驗采用的風洞為閉口串列和開路式的風洞，長達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的轉盤，最大風速達25m/s，第二段風速最大達100m/s.使用的轉盤系統能完成自動調速和數據采集，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°.在實際進行模擬分析時，還要以ABS剛體模型進行試驗，其與實物比例為1:150，高2m，剛度和強度均能滿足試驗要求.為完成風場的真實模擬，需采用1:150比例在轉盤上模型周圍完成其他建筑物模型的設置，并確保位置能夠對應（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，以完成吸風口和立面風壓測試.為確定風口內部風速放大效果，需在風機位置完成風速測點布置.

圖1 分析模型

1.3 模擬試驗

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

1.4 分析結果

1.4.1 風荷載分析

在對建筑基底風荷載進行分析時，還要結合測試數據完成等效精力風荷載的計算，以0.60kN/m2為基本風壓，阻尼比則為3.5%.如下圖2所示，為在風向角變化的過程中，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，該方向風荷載在225°-315°范圍內得到了控制.而在y方向上，風荷載在112°-180°范圍內得到了控制.受周圍建筑影響，基底最大風荷載并非出現在立面法線平行的風向角位置.在有風機的情況下，在基底反力達到最大時，其風向角大小與是否存在風機無關，但等效靜風荷載則比無風機時要大.分析原因可以發現，這是由于建筑結構因風機出現了受風面積變大的情況.如果將吸風口封閉，受風面積也將變大，從而導致風荷載變大.所以在有風洞的建筑中，在立面完成吸風口設置，能夠使建筑的風荷載得到減小.

圖2 大樓基底剪力變化

1.4.2 吸風口風壓

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

表1 某吸風口風壓系數極值變化情況

1.4.3 立面風壓

對立面風壓進行分析時，還要對風機正常工作狀態下的風壓分布進行研究.從試驗結果來看，受周圍建筑影響，最大平均風壓處在不對稱分布的狀態下.而在周圍不存在建筑的情況下，風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，該點迎風面在氣流分離的范圍內.從各立面測點平均最小風壓的分布情況來看，北立面的風壓系數最小，為-1.34，其次最小的則為西立面，系數大-1.13，南立面和東立面兩個位置的風壓系數分別為-0.99和-1.07.從極小值風壓系數分析結果來看，北立面和東立面系數最小，分別為-2.80和-2.45，其他兩個立面的系數相對要大一些.出現這種情況，則與建筑本身結構形體有關.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 風速放大分析

在超高層建筑中，風洞需要發揮風速放大的作用，才能滿足風機發電需求.在對風洞風速放大效果展開分析時，還要根據測點與10m高參考點的風速比值進行分析.而無論風向角為多大，擁有上風向風速的測點往往擁有更大的風速比.在未設置風機時，相較于下風向風速測點，上風向風速測點風速比可以大出較多.但是在設置風機的情況下，各測點風速比的關系相對混亂，大小相差不大.出現這種情況，主要是由于吸風口內擁有均勻的氣流，能夠使風機保持穩定運行.從試驗結果來看，該工程將受到建筑群體效應的影響.在未設置風機時，4號吸風口能夠產生較好的風速放大效果，能夠得到最大風速比.此時，風向角為205°，風速比為3.50.而完成風機設置后，同一層面的3號吸風口發生了明顯的風速放大效應.在風機未工作且風向角為215°時，風速比高達3.11.而在風機工作的過程中，風速比則為3.09.之所以這兩個吸風口擁有較大風速比，主要是由于兩個吸風口的來流風在建筑之間，能夠產生“城市峽谷”效應.在南面來鳳的情況下，建筑風速能夠得到進一步放大.出現這一情況，主要是由于建筑南面為凹面，能夠發揮“兜風”的作用.在這一背景下，4號吸風口之所以能夠獲得更好的風速放大效應，主要與周圍風環境有關.在設置風機的條件下，吸風口內風壓分布不均，可能無法進行最大風速的捕捉，進而導致其與3號吸風口擁有不同的風速放大效果.由此可見，在超高層建筑設計的過程中，想要實現風能發電，還可以通過改變建筑形狀獲得更大的風能.

1.4.5 可行性分析

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

2 超高層建筑風能發電的實現方法

2.1 風力發電機的設置

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

表2 WS-10型發電機組技術參數

2.2 風能利用結構設計

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

2.3 風力發電系統設計

完成風能利用結構設計后，還要完成風力發電系統設計.結合風速變化，還要使風機輸出最大電流達到90A，電壓則在0-100V范圍內.采用交流變直流轉換器，可進行交流電的連接，并進行直流電流的輸出.為保持電壓穩定，還要利用蓄電池完成電能存儲，并利用直流電進行充電.在電壓穩定后，可連接并網裝置.經過升壓，則能完成650V直流電的輸出.經并網逆變器，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.通過設計該系統，不僅能夠實現對風能的并網利用，還能完成對電網變化的同步跟蹤，進而使系統電壓、頻率和相位與外網保持一致[5].在運行的過程中，系統能夠完成對外網電壓等參數信號的檢測，并在發生故障時自動斷開連接，以實現自我保護.而在故障消失后，可實現自動并網.此外，系統配備有監控單元，能夠完成對并網裝置、風速風向儀等裝置信號的采集，并且利用數據中心實現數據處理和顯示，進而使風力發電系統的運行得到實時監控和管理.

3 結論

通過研究可以發現，超高層建筑的風荷載與當地氣候條件和周圍建筑群體效應有關，所以還要結合實際情況確定建筑是否能夠實現風能發電.而在進行風洞試驗的過程中，是否設置風機和風機是否運行也將對建筑風荷載產生影響，所以還要對不同工況進行分析.結合分析結果，則可以從風機設置、風能利用結構設計等方面考慮如何實現風能發電，進而實現對建筑風能的大規模利用.

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

〔2〕何文凱.高層雙塔復雜體型建筑風環境特性數值模擬研究[D].浙江工業大學,2015.

〔3〕華錫鋒,周名嘉.淺談風力發電機在超高層建筑珠江城項目的應用[J].電氣應用,2010（11）:68-72.

〔4〕徐揚,陳寶明,云和明.強風作用下超高層建筑風環境的數值模擬研究[J].制冷與空調(四川),2013（01）:86-89.

〔5〕劉國光,武志瑋,徐有華.考慮群體效應的高層建筑風力發電可行性風洞試驗研究[J].科技通報,2015（11）:181-185+193.

TU312+.1

A

1673-260X（2017）11-0050-03

2017-08-11

指導教師：謝曉杰