摘　要：隨著小風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電與城市越來越近。越來越多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在建筑物頂，構(gòu)成風(fēng)電建筑一體化應(yīng)用。本文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在建筑物頂應(yīng)用時面臨的風(fēng)場選擇，給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在建筑頂部安裝的載荷計算和加固方法。

　　1. 引言
　　早在1998 年，歐洲委員會開展了將風(fēng)力發(fā)電引進(jìn)城市的開發(fā)項目(WEB)。為達(dá)到項目要求，新設(shè)計或改進(jìn)的裝有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建筑物至少有20% 的用電來自風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，項目組通過試驗結(jié)果得出結(jié)論：建筑物造型應(yīng)充分考慮如何能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最大效率。建筑會擾亂空氣流動而造成湍流，其表面設(shè)計須成曲線形，或者利用導(dǎo)管來保證風(fēng)力能夠順暢地流向葉片。
　　將垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在普通建筑物的屋頂上，可實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與建筑一體化設(shè)計。氣流在建筑物影響下產(chǎn)生分離、渦脫落和振蕩，導(dǎo)致有的區(qū)域風(fēng)速下降，而有的風(fēng)速增加的現(xiàn)象。大部分土木工程建筑物為非流線型，不具有良好的空氣動力學(xué)性質(zhì)，加劇了對風(fēng)流場的局部擾動性。通過對建筑物周圍的風(fēng)流場分布圖進(jìn)行分析研究，獲知屋頂以上部位的風(fēng)速分布，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)在屋頂安裝時避開風(fēng)速低及風(fēng)環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域提供指導(dǎo)，進(jìn)而利用產(chǎn)生的高風(fēng)速區(qū)來實現(xiàn)風(fēng)能利用的最大化。
　　此外，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在普通建筑物的屋頂上，使機(jī)組與建筑物成為一體。當(dāng)原建筑物由于外界原因?qū)е禄炷脸兄亟Y(jié)構(gòu)上的作用荷載發(fā)生較大變化時，必須根據(jù)該結(jié)構(gòu)極限承載力作對應(yīng)承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以提高其承載能力。由于己有建筑物及構(gòu)筑物的屋頂在設(shè)計時并未考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行帶來的影響，必須進(jìn)行安全性能分析。首先用結(jié)構(gòu)軟件畫出目標(biāo)建筑物頂部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖，通過計算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在各   種工況下對屋頂?shù)淖饔昧Γ撟C加固的必要性，選取合適的加固方法進(jìn)行施工。
　　本文給出了風(fēng)電建筑一體化過程中建筑物流場的變化規(guī)律和建筑物的加固方法。
　　2. 流場計算
　　2.1 流場研究方法
　　2.1.1 風(fēng)洞試驗方法。風(fēng)洞試驗方法是建筑室外風(fēng)環(huán)境及風(fēng)工程領(lǐng)域最早使用的方法，也是研究建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)問題的傳統(tǒng)手段，如圖1 所示。在風(fēng)洞中通過必要的手段產(chǎn)生類似于實際建筑周圍的風(fēng)場，布置在實際建筑物的縮尺模型，并在其表面及周圍測量風(fēng)速、風(fēng)壓等相關(guān)數(shù)據(jù)，研究建筑物不同地貌、體型、高層建筑的風(fēng)壓風(fēng)速分布，以及不同高度比和相對位置的變化所產(chǎn)生的相互干擾影響。但是風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ椭谱髻M時費力，試驗周期較長，難以同時研究不同的建筑設(shè)計方案，而且縮小尺寸的試驗?zāi)Ｐ筒⒉豢偸悄芊从橙壤Y(jié)構(gòu)的各方面特征。另外，在測點布置、同步測壓等一系列問題上也有很多不足有待解決。由于風(fēng)洞試驗的成本等局限性，并且隨著計算流體等方法的發(fā)展和計算機(jī)計算能力的提高，使用數(shù)值模擬方法來研究建筑室外流場也越來越多。
　　2.1.2 數(shù)值模擬方法。隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被用來研究風(fēng)的三維擾流。
　　目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型對穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes 方程進(jìn)行封閉處理，再用離散化方法獲得風(fēng)場數(shù)值解，研究表明標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型得到的建筑物正面風(fēng)壓值與風(fēng)洞試驗值吻合，但在建筑物背面及側(cè)面計算值偏小，回流區(qū)域明顯減小，存在較大誤差。數(shù)值模擬方法具有成本低、速度快、具模擬真實和理想條件的能力、資料完備、易于進(jìn)行參數(shù)分析等優(yōu)點，但由于當(dāng)前許多學(xué)者提出的各種湍流模型或多或少都對實際現(xiàn)象進(jìn)行了簡化，其研究大部分還集中于基礎(chǔ)性的研究，缺少實際工程中復(fù)雜結(jié)構(gòu)模擬計算研究，從而使數(shù)值模擬結(jié)果的可信度受到質(zhì)疑。另一方面三維流場計算所帶來的龐大計算量和對計算機(jī)性能的要求，雖然人們已經(jīng)在計算方法的設(shè)計和湍流模型的發(fā)展上花費了巨大的精力，但是采用精度較高的直接模擬或大渦模擬的三維流場的計算量仍然超乎人們的承受力。
　　2.2 建筑氣流場計算