發布時間：2019-09-17所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘 要] 本文的研究目的是對近些年來在建筑風環境領域的研究狀況做相關的歸納總結。近些年來建筑風環境領域的研究主要集中在多層建筑抗風優化設計，建筑與風能一體化設計以及步行高度處風環境研究 3 個方面。主要采用 CFD 模擬技術進行研究，部分研究使用實
[摘 要] 本文的研究目的是對近些年來在建筑風環境領域的研究狀況做相關的歸納總結。近些年來建筑風環境領域的研究主要集中在多層建筑抗風優化設計，建筑與風能一體化設計以及步行高度處風環境研究 3 個方面。主要采用 CFD 模擬技術進行研究，部分研究使用實測以及風洞試驗的方法。近些年來的研究成果主要為多層建筑被動式抗風設計，高層建筑的風能發電以及高層建筑對于步行高度處風環境的影響以及相應的改善措施。研究的難點主要集中在基于風環境的建筑型體參數優化的研究，城市中近地面層風力發電以及步行高度處風環境評價 3 個方面的研究，未來相關的研究應該圍繞此 3 個方面展開。
[關鍵詞] 風環境; 多層; 型體優化; 風能利用; 風環境評價
0 引 言
建筑風環境作為風環境工程領域中的一個重要組成部分。風環境問題不僅關乎到高層建筑的抗風問題，而且關乎到建筑的節能問題，近幾年越來越受到人們的重視，尤其是隨著超高層建筑的不斷出現，建筑風環境問題顯得越來越重要，而且與建筑節能以及室外行人周圍環境的舒適度問題息息相關。清潔能源例如風能與建筑一體化的設計，近些年來也逐漸成為研究的重點。與此同時隨著近幾年計算機流體力學技術( CFD) 的發展，為建筑風環境問題的研究提供了更加高效準確的研究方法，進一步有效的促進了相關研究的進展。
本文的目的在于回顧近些年在建筑風環境領域的研究狀況，從風能建筑一體化設計，多層建筑形體抗風優化，行人高度的風環境狀況，3 個方面進行敘述，為讀者提供一個世界范圍內的建筑風環境研究狀況概況。
1、多層建筑形體抗風優化
世界范圍內，風力災害每年不僅會造成巨大的人員損失，而且也會造成巨大的經濟損失。過去對抗風的研究主要集中在高層建筑方面，但近幾年隨著人們對風災越來越多的重視，多層建筑相關方面的研究越來越多的出現[1-3]，尤其集中在屋頂系統的研究方面。
與其他建筑構件相比，屋頂所受到的風荷載更大。當風向處在角落以及斜風向的情況下，沿著屋面邊緣產生了螺旋渦流，進而使得屋面處產生了較大的抽吸力，如圖 1 所示。屋面的瓦片，鋪面等構件在抽吸力的作用下不僅容易被吹飛傷及路人，而且損壞的屋頂無法有效的防止雨水等的侵入，進而破壞室內環境[4]。由此可見，風力對于屋面有巨大的破壞最用，因此近幾年來越來越多的研究聚焦在屋面防風方面[5-8]。
屋面不利的抽吸力主要是由于螺旋渦流產生的，因此屋面抗風的研究主要就是渦流抑制技術的研究。目前，根據空氣動力學的機理，渦流抑制技術可以分為 4 個類型[9]:
1) 削弱硬邊緣產生的螺旋渦流;
2) 破壞渦流的產生( 例如部分護墻的設置以及多孔性矮墻的使用) ;
3) 隔斷渦流產生( 例如屋頂柵欄) ;
4) 置換屋頂渦流( 例如屋頂高墻) 。
如圖 2 所示為多種渦流抑制技術示意圖
1. 1 屋面護墻
屋面墻廣泛的應用在平屋頂的建筑中，又稱作女兒墻。通常來說，當風吹向建筑屋面時，屋面護墻可以有效的提升屋面氣流分離層的位置，進而減小屋面角落以及邊界處的抽吸力。但是，與此同時這也可能增加屋頂內部區域的風荷載，進而影響整個護墻的抗風效果[10]。
護墻的高度也會對屋面抗風效果有影響， Baskaran 與 Stathopoulos[11]通過研究發現，較高的護墻有利于減小屋面角落以及邊緣處的抽吸效應，而較矮的護墻則相反。而 M. Asghari Mooneghi[12]則在 2014 年驗證了此種觀點，同時還發現，護墻沿屋面一周進行布置要比護墻沿單側進行布置的抗風效果好。除此之外，護墻的形態也對屋面風環境又較大影響[13]。早在 1995 年，Surry[14]等人就對比分析了鋸齒狀的護墻，半圓柱體護欄，位于角落的多空狀護墻以及獨立多孔護墻的通風效果，研究發現，獨立多孔狀的護墻可以更加有效的減小屋面角落處的抽吸力。而后，Kopp[15]等人進一步研究發現，擾流板狀的護墻以及多孔連續的護欄可以有效的減小屋面角落處的壓力系數，最大可分別較小 44% 與 56% ，如圖 2 所示。
1. 2 被動式抗風設計
除了屋面護墻以外，近些年來的屋面抗風設計也越來越聚焦于建筑本身的被動式設計方面。例如對于建筑屋面角落以及邊緣處形態的設計，或者在屋檐處增加某些建筑構件等。與屋面護墻相比，這些手法更好的與建筑本身融為一體，更好的實現了抗風設計與建筑設計一體化的目標，并且可以永久作為建筑的一部分存在。
同濟大學黃鵬教授[16 - 19]對 8 個典型形態的居住建筑屋檐風特性進行了研究，通過風洞實驗研究發現，不同形態的屋檐可以有效的減小屋面角落以及邊緣處的負風值風壓，有效的減小抽吸效應，并且不會改變屋面其他區域的風力負荷。不僅如此，黃鵬教授還對 3 種坡屋面的擋風板，完整連續的擋風板，位于角落處的擋風板以及離散狀的擋風板進行了實測分析，最終發現此 3 種構件均可以有效的減小來流風方向處屋面角落的風壓系數。
Blessing[20]等人則利用全比例實測的方法，通過對屋面進行屋面礫石沖刷試驗和壓力試驗對屋面的風負荷進行了評價，最終發現上述的被動式屋面設計手法可以有效的降低屋面角落以及邊緣處較高的風力升壓。而 Aly[21]利用 CFD 技術，對柵欄，圓角屋面邊緣，斜角屋面邊緣以及機翼屋面邊緣進行了風模擬分析，從中發現這些被動式抗風設計手法不僅可以有效的降低屋面附件的抽吸力，而且可以有效的降低沿著風方向的阻力以及垂直于風方向升力。這兩種力可能會對建筑本身結構造成傷害。除此之外，這類關于屋面邊緣設計的被動式抗風手法也可以利用太陽能光伏板進行代替，從而得到一舉兩得的效果[22]。
2 建筑風能一體化設計
過去的幾十年，可再生能源利用得到迅速發展，其中風能的利用是一個重要的組成部分。風能的諸多優點例如可再生，無污染，分布廣泛，蘊含量大等使其成為近些年來的研究熱點。尤其在綠色建筑領域，隨著世界范圍的超高層建筑越來越多，超高層建筑周圍的高速風環境促進了風能建筑一體化設計的產生[23]。
2. 1 微型風力發電機
過去風力發電機主要位于曠野處，尺度巨大，效率不高，需要較大面積的場地，風力的利用受到場地的限制而且較長的電力輸送距離也會造成電能的損耗。隨著科學技術的發展，微型風力發電機研究得到顯著進展，使得風能源的高效利用成為了可能。
微型風力發電機可根據風扇掃略的面積以及額定頻率進行分類，如圖 3 所示。De-Santoli 等人利用 CFD 技術對 AM300 型號的垂直軸風力發電機進行了模擬發現，在風機外面設置收斂通道管大致可以提高 125% 的風速，進而產生更多的電能。
微型發電機葉片的形態也是影響發電效率的一個重要因素，垂直軸蓮花狀的風力發電機葉片可以分為 3 個類型，半圓型，半圓柱體型以及螺旋型。其中，半圓型與半圓柱型的發電效率相似，而螺旋型葉片的發電效率最高。
不僅如此，機翼型葉片也可以充分提高發電效率，其中，Mohamed 對比分析了 25 種不同比例厚度的機翼型葉片的發電效果，如圖 6 所示，最終得出 LS ( 1) -0413 型號的風機比 NACA0018 在發電效率方面高 18% 左右，而 S-1046 可以比標準的 NACA 型風機在最大發電系數方面高出 27%[26-27]。越厚的機翼型葉片更加有利于垂直軸風力發電機的發電效果[28]。
2. 2 建筑風能利用
近些年來，微型風力發電機技術愈發成熟，不僅可以有效的利用風能，而且可以隨處安裝，有效的減小了電能輸送所造成的浪費，基于這些發展潛力，越來越多的相關人士，包括建筑師，工程師等將注意力集中到了建筑與風能利用一體化設計方面來。由于城市在發展的過程具有較大的能耗需求，同時城市復雜的風環境又為可再生風能的利用提供了有利條件，因此越來越多的建筑師，城市規劃師，工程師等將研究興趣轉移到了建筑風能的利用方面[29-30]。
城市中高層建筑的出現為風能的利用提供了有利條件，如圖 7 所示，理論上來說，當風力發電機安裝在高層屋頂時，由于遠離地面，受到地面粗糙度影響程度較小，風力發電機可以有效的利用風力發電，例如巴黎世貿中心，倫敦斯特拉大廈等[31-33]。
隨著 CFD 技術的發展，越來越多的研究者利用 CFD 技術探索高層建筑體型與風能利用的關系，目的是采用被動式的設計手法，使建筑更加充分的利用可再生資源。Aquino[34]等人利用 CFD 技術探討了風力發電機在高層建筑中的安裝位置問題，研究發現，在城市中，風力發電機的位置至關重要，由于高層建筑的屋頂處具有非常大的風速，因此在高層建筑屋頂處安裝風力發電機可以有效的利用風能，同時還發現，微型垂直風力發電機更加適用于城市地區。風力發電效果同時也會受到風機安裝位置的影響，許多研究致力于利用文丘里效應將風機安裝在某種喉管型的空間內部以達到增加風速的效果[35]。Heo 等人就利用 CFD 技術對此問題進行了研究，通過研究得出通過建筑放大后的風機利用率遠高于普通狀態下的風機，并且當來流風方向為 - 30°到 15°之間的范圍內時，風機的利用效率最高，如圖 8 所示[36]。
基于風放大效果，在高層建筑的形態研究方面也有很多進展。機翼，三角，方形以及圓形四種平面形態的高層建筑風環境就曾經進行過模擬研究，最終發現圓形平面的高層最有利于風能的有效利用，尤其在主導風向明顯的地區[37]。而獨棟高層建筑與雙棟高層建筑相比，盡管在獨棟高層建筑屋頂安裝風機可以得到良好的效果，但對于雙棟建筑來說，風機不僅可以安裝在屋頂，而且可以安裝在兩棟建筑之間，并且兩棟建筑之間有 1 個最有利于風力發電的最佳距離[38]。屋頂形態也對風能的利用具有較大的影響，在常見的 6 種屋頂形式拱形，平屋頂，山墻斜屋頂，楔形，穹隆形以及金字塔形中，拱形最有利于風力發電，與單獨風機發電效率相比，拱形屋頂可以增加 56% 的發電效率，而相反楔形屋頂形式最不利于風力發電。
與此類似的，Wang 等人則對篷狀屋頂的形狀進行了模擬研究，最終發現，平板型的篷狀頂對通風不利，而凹槽型的雙坡篷頂則更有利于風的聚集，進而更有利于風機發電，同時得出凹槽型的雙坡篷頂的最佳坡斜角度為 20°[41]。Toja-Silva 則對屋頂安放太陽能板的風環境進行了模擬研究，研究得出在屋面邊緣的上游部位以及安放太陽能板的第一排的位置的循環渦流效應最大，因此風速最大，建議將垂直風力發電機安放在屋面上游邊緣的位置以獲得最大的風力發電效果[42]。廈門大學的周紅教授則利用 CFD 技術通過研究得出了風速擴散體的最佳弧度，在此弧度下，風速可以達到最大值，并且將其利用到了實際的建筑設計中，通過模擬得出了良好的效果[43]。
微型風力發電機安裝的高度也是一個重要的影響因素。在城市中，最佳的安裝高度為建筑高度的 1. 51 ～ 1. 70 倍，最佳的安裝位置位于屋頂處朝向迎風面的部位，因此在此位置可以獲得最大的來流風速[44]。除此之外，還有一些關于城市內部微型風力發電機應用潛力的評價方法研究等等[45]。
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綜上所示可以看出，目前建筑風能利用方面主要集中在高層建筑風能的利用方面，而近地面處的風能利用方面的研究比較缺乏。主要是由于近地面處的風環境較復雜，受到的地面粗糙度影響較大，障礙物較多，風速往往達不到風機的要求，同時還要受到諸如美學，震動，噪聲等方面的制約，除此之外，近地面風環境以及微型風力發電機對于建筑本身以及結構的影響也是一個重要的制約因素，因此整個相關的研究的進展緩慢，未來主要的研究將會圍繞近地面風力發電展開。
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