高层建筑屋顶塔楼对风力利用效能的影响分析

万瑞霞 WAN Rui-xia；瞿明 QU Ming

（兰州资源环境职业技术学院，兰州 730021）

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

摘要：风力发电已经广泛应用在人口密度大、土地空间紧张的城市，如何更好地在建筑中利用风力资源的问题，值得探索。本文通过对高层建筑的屋顶塔楼周围风环境影响因素的分析，得出塔楼的设计可以提高建筑顶部风力资源的利用，塔楼的高度、长度的选择需要适当，可以使风能利用最优。这些结论可以为高层建筑的风能利用提供参考。

Abstract: Wind power generation has been widely used in the city where has high population density, and lack of land. How to use the wind resource in architecture better is worthy of research. Through the analysis of the influence factors of high-rise building roof tower wind environment, this paper researched that the tower design can improve the use of the building top wind resources, the appropriate choice of the height and length of tower can make the use of wind energy optimal. These conclusions can provide reference for the utilization of high-rise building wind energy.

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关键词 ：高层建筑；塔楼；风能利用

Key words: the high-rise buildings；towers；wind energy utilization

中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0150-02

作者简介：万瑞霞（1979-），女，甘肃靖远人，兰州资源环境职业技术学院水利工程系，本科，讲师，主要从事建筑结构、岩土工程方面的教学和科研工作。

0 引言

随着科技不断的进步，人们的生活水平日益提升，对能源的需求也不断提升。每个国家对新能源的开发非常重视。近年来，新能源的发展在我国非常迅速，尤其是风能和太阳能的发展最为显著。

1 风能资源的应用

人类借风力航船、借风力风车灌溉、粮食加工等古老的发明都是对风力资源的利用，从世界范围来看，人对风能的利用由来已久。目前，风力发电是风能的主要应用形式。例如：美国北卡罗来纳州的蓝岭山风电、丹麦日德兰半岛风电、台湾台中高美湿地风力电厂、内蒙古草原风力发电厂等。这些规模较大的风力发电厂都说明风力发电已经成为人们能源消费的一种常见形式。

世界各国都在积极开展风能利用的研究。据我国的气象资料统计，我国的风力资源储量可达每年16亿千瓦，能够有效开发的约为1.6亿千瓦。风能的有效利用对改善我国能源消费结构是非常有益的。

2 风能利用建筑

风力发电设施一般修建在空旷、偏僻的地方，对于人口密度较大的城市中缺少对风力资源的应用。我国一些城市风力资源丰富，人口众多，无法对风能有效利用。对于风能的利用，科学家提出风能利用建筑的概念，为城市有效利用风能找到了有效的途径。1968年KC.White针对高层建筑对建筑群环境问题进行分析；20世纪70年代，设计者对伦敦Vauxhal地区的两座高层建筑和南部银行大厦周围风资源环境进行预测。现代的研究者运用了计算机技术、风洞试验等科技手段对建筑群环境进行了较为准确的研究，取得了一些成就。

风能利用建筑中最为著名的是巴林世贸中心，三个巨大的风力涡轮螺旋桨被成功地架设两座摩天高楼的中间，构成风力发电机，为中心提供清洁能源，英国伦敦的Strata，是一种涡轮式风电建筑，设计师在高达148米的建筑顶部安装3部风力涡轮发电机，届时将可以为整幢建筑提供约8%的能源。

建筑物自身是风力强化和收集的载体，但是这些著名建筑造型各异，成本巨大，缺少普遍应用的可能性。城市中的建筑对风能的利用应当选择垂直轴风机，小型垂直轴风机只要选择和安装角度适当，转动所需风速只有2m/s。这种风机噪音小，功率也较高，非常适合在城市公共建筑和居民住宅上使用。

3 屋顶塔楼风能利用分析

高层建筑在现今生活中非常普遍，在庞大的城市建筑群中安装风力电机，可以产生巨大的电能，来弥补能源消费的不足，改善能源消费的结构。为了更好地收集风能，建筑的形状多为流线型，而生活中多数的高层建筑属于非流线体型。针对非流线体型建筑的风能利用在城市中很具有意义。

高层建筑的屋顶一般都会空置，而较高的建筑在顶部通常气流流动快，周围遮挡少，具有可利用的风力资源。高层建筑的屋顶是安放风力电机的优越位置，这样既不用额外占用城市空间，又可以提供清洁能源，将建筑与风能利用有机结合。

本文对高层建筑屋顶的塔楼对风力环境的影响因素进行分析，从而为高层建筑风力电机的安装提供参考。选择校区内的多个建筑物作为取样的目标，经过测试、计算和分析，得到屋顶塔楼对风能利用的影响因素。

3.1 分析方法

在校区内选择高度不同、塔楼结构不同的建筑为研究对象，在塔楼的4个不同位置选择观测点，通过对不同位置的风速测试，对结果分析得到塔楼结构的最优形式。

3.2 有无塔楼对风环境的影响

选取有塔楼和没有塔楼设计的高层建筑，分别选择4个观测点，分别测试有塔楼和没有塔楼建筑的风速大小，并记录。经过测试，没有塔楼的屋顶上方最大风速大约为5.3m/s，在具有塔楼的屋顶时，最大的风速可以达到6.2m/s，说明风速增加，并且测试数据可以推动风力电机运行。

通过数据对比可以证明塔楼的存在增加了屋顶的风速，对风力资源利用的提高起到了帮助作用。

3.3 塔楼高度对风环境的影响

对长度、宽度相同，高度不同的塔楼屋顶进行对比，用以验证塔楼高度对高层建筑屋顶的附近的风速是否产生影响。经过测试发现，高度较小塔楼向屋顶的气流阻挡较小，但是气流在塔楼间和塔楼上的风速都明显增加；当塔楼的高度增加，塔楼对气流阻挡明显增加，气流沿着迎风面上升，在塔楼的顶面边缘风速显著增大。这样的结果可以证明塔楼的顶面边缘处是导致风速增大的主要原因，而风速的增大与塔楼的高度没有必然联系。高层建筑的塔楼不可能无限高度，从结构的稳定性和建筑的美观上考虑，塔楼的高度可做适度的选择。

3.4 塔楼长度对风环境的影响

对高度、宽度相同，长度不同的塔楼进行对比，在沿着塔楼不同长度的地方选择4个观测点，测试风速，获取结果。经分析可以看出，随着塔楼迎风面垂直于气流流动方向的增加，塔楼之间的风速开始减小。塔楼长度的增加使得塔楼间距离变小，对气流的阻挡作用增大，建筑的背风面形成涡流，减小了风速。可以认为塔楼屋顶长度的增加对建筑物风能的利用是不利的，塔楼的长度应当在合理范围内。

4 结论

在文章中对高层建筑屋顶的塔楼有无、塔楼高度、塔楼长度等做了测试比较，可以看到在高层建筑中塔楼的设计是可以提高风能利用的，塔楼的体积对风能利用效率的影响有限。本文中的分析还有很多不完善的地方，例如风向角对风速的影响；高层建筑屋顶的架空层对风环境的影响等等。对这些不足应当进一步探索，使得城市大规模利用风力资源成为可能。

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参考文献：

[1]徐艳文.风能建筑的杰作——巴林世贸中心[J].太阳能，2012，17.

[2]李秋胜，等.超高层建筑的风荷载及风能发电应用研究[J].土木工程学报，2011，7.

[3]杨蓉.高层建筑屋顶风能利用研究[D].硕士学位论文，华侨大学，2011.