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摘要：城市化进程的加快固然对我国经济社会发展有积极的促进作用，这一点不容置疑，但与此同时，其也带来了更为严重的能源消耗，无疑加剧了传统能源危机。而若合理利用高层建筑屋顶风能，一来可以降低能耗，二来利于节约成本，不失为一种节能减排的有效途径。对此，本文就高层建筑屋顶风能的利用进行了探讨，希望有助于提高风能利用效果。
关键词：高层建筑；屋顶风能；利用
【分类号】：TM614
近年来，伴随着新能源开发的不断深入，风能以其储量丰富且可再生的显著优势而备受关注，其中如何利用高层建筑屋顶风能是当下的研究热点，甚至有专家预测，21世纪中叶时，风能会成为全球范围内的支柱能源之一。但就当下而言，高层建筑屋顶风能利用尚不成熟，故当务之急是分析风能利用的基本原理和影响因素，并寻求行之有效的利用途径。
一、高层建筑屋顶风能利用的理论阐述
简单的讲，风能是指空气在流动过程中所储存的动能，那么风能利用便是借助一定的方法和手段将风的动能转化为其他形式能量的过程，就目前来说，电能是风能转化的主要形式。
由于风有风向和风速，且随机性强，还可随着高度的不断增加而增大，若不受其他因素干扰，其在高处的风速往往大于低处风速，而风速的增大自然会促使风的能量增大，故对于高层建筑而言，利用风能是有一定的优势的，加之建筑本身的存在会对风流场产生影响，所以风能利用值得深入研究[1]。如在矩形建筑中，若以面积较大的一面为0°迎面风，以另一面作为90°迎面风，根据图1可以看出，每个风向角都在屋面的边缘处出现了分离，风向和风速随之改变，并且随着高度的增加，风速逐渐变大，当其到达某个高度时，风速反而高于不受影响的流场风速，此时屋顶便彰显了聚集风力的效用，同时也是高层建筑屋顶风能利用的关键所在。
二、高层建筑屋顶风能利用的影响因素
考虑到在实际生活中，非流体型建筑较为普遍，故在此以其为研究对象，结合CFD数值模拟技术软件，对高层建筑屋顶风能利用的影响因素加以分析。
1.建筑塔楼
现实中的高层建筑有的设有塔楼，有的没有塔楼，而且塔楼的高度、长度也不尽相同，故以风速比 为判断依据分析塔楼对屋顶风能利用的影响。此时借助CFD软件，对有无塔楼的风速情况作了模拟，结果发现，塔楼利于增大屋顶风速和提高风能利用效果，其中在拐角处尤为明显；然后基于同一建筑模型，分别对塔楼的高度和长度作了适当调整，结果发现增加塔楼高度对屋顶风能利用效果意义不大，建议将其控制为0.1H；而延长塔楼长度则会降低主体建筑对风能的利用，故应使其保持在0.2L左右[2]。
2.风向角度
为科学验证风向角是否会影响建筑屋顶风能利用效果，便基于长、宽、高分别为10m、20m、5m的塔楼建筑模型，设置了0°、45°和90°的风向角。试验发现，当风向角为45°时，不仅风能利用有着最低的最佳高度，且风速比最大，可见此时利用效果最好。
3.架空层设置
由于部分已建成的高层建筑并未设置塔楼，所以可考虑为其加设架空层用于提高屋顶的风能利用效率。即先在技术软件的帮助下构建了一个设有1m高架空层的建筑模型，然后经施加合适的模拟条件，对其与无架空层的建筑风速进行反复试验和比较，结果发现，架空层的设置有利于屋顶利用风能，但风机安装高度应置于顶板之上，且在其在角点、中点、侧边中点、迎风前缘位置较为可行。
4.建筑尺寸
为验证建筑尺寸是否会影响屋顶风能利用效果，便保持架空层高度不变，对模拟条件中的建筑长度、宽度和高度作了一定的改变。经多次试验后发现，长度对风能利用影响较小，宽度对其影响具有相对性，而相比之下的高度对屋顶风能利用的影响最小。
三、高层建筑屋顶风能利用的有效途径
为简化计算、直观分析，上述提及的高层建筑屋顶风能利用影响因素是以单个建筑体为研究对象的。但在现实生活中我们可以发现，在较大范围内只存在单个建筑的情况普遍较少，而且随着城市化建设的不断发展，建筑密度会随之增大，所以我们应立足实际，寻求建筑群屋顶风能利用的有效途径。
1.条件模擬
在此以最典型的行列形式作为建筑群的布局，已知研究对象建筑群为整齐排列的两行三列式，建筑的长、宽、高均为30m、15m和30m，行、列间距均为30m，并选择该建筑群的中心点为坐标原点，Y轴方向为风向，由于其具有对称特点，故以其中的一半为研究对象，并在每个建筑的屋顶设置了9个风速监测点，以便尽可能全面的分析高层建筑屋顶风能利用情况。
2.数据分析
首先对无任何措施的情况下屋顶风能利用情况进行了模拟，用于验证在屋顶风速较低的情况下设置架空层是否会起到强化风能利用效果，经分析架空层加设前后的9个测点的风速增值发现，每个建筑的每个测点的风速均有所提高，其中第一排中的第1个和第4个建筑风速增加明显，由此可见，在建筑群中加设架空层可行[3]；为进一步分析架空层对建筑屋顶风能增大究竟有着怎样的作用和影响，便基于风能、风能密度和风速之间的内在关系确定了单个建筑和建筑群屋顶风能的增大系数函数，在此基础上统一了高度，以期通过比较同一高度和同一位置处的风速，后经数据模拟计算得知，设有架空层的各个建筑中每个测点位置的风能均得到了提高，而且单个建筑平均风能系数也有一定的增大，其中建筑1、2、3的风能系数分别增大了0.204472、0.068683、0.064644，而且加设架空层后的建筑群与之前相比，总风能增大了0.894127，同时也是无建筑影响情况下风能的2.6倍。如此一来，架空层的存在对高层建筑屋顶风能聚集能力的优势便不言而喻。以厦门市为例，若其采用上文提及的建筑群布局形式，以风速为6m/s计算标准，并将风力机设于最佳高度（选用市场上的普通风机），经计算得出建筑群屋顶处可利用的风能大约有22.14KW，而且该建筑群每年可节约10万元左右的电费。
3.试验总结
由上可知，无论风向角是0°还是90°，均有助于提高建筑屋顶风能的聚集和利用，既使最大风速比得到了明显提高，也显著降低了安装风机的高度。而顶板因其上下表面都会受到负压作用，故会起到平衡作用，进而减小在大风情况下被掀翻的隐患，而且经比较分析发现，当架空层高度为2m时有着最好的风能利用效果，即使此时建筑尺寸有所差异，也不会对风能收集构成较大威胁[4]。此外，在高层建筑屋顶风能利用模拟试验中还发现，建筑群中的前排建筑对风能的利用效率高于后排建筑，同时在架空层为最佳高度且风速相对较小时，有着更为显著的风能收集效果，所以上述方式有助于提高建筑屋顶风能利用效率。但若想推广应用，还有待进一步的研究和实践。
结束语：
总之，随着时间的推移，风能必然会成为经济社会发展过程中不可或缺的绿色能源，但其距离理想目标还有很大差距，所以应先解决当下高层建筑屋顶风能的利用问题，这就要求我们基于对其基本原理和影响因素的了解和分析，探讨最佳的利用方法，像如何布置建筑形式和尺寸，如何加设架空层等，唯有如此，才能更好的彰显风能效用。
参考文献：
[1] 袁行飞，张玉.建筑环境中的风能利用研究进展[J].自然资源学报， 2011，（05）：09-10
[2] 李秋胜，赵松林，朱楚南.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， 2012，（02）：21-23
[3] 陈宝明，张涛.风力集中式建筑物风能密度分布的数值模拟[J].能源技术， 2010，（08）：16-17
[4] 田蕾，秦佑国.可再生能源在建筑设计中的利用[J].建筑学报， 2010，（12）：03-04
关键词：高层建筑；屋顶风能；利用
【分类号】：TM614
近年来，伴随着新能源开发的不断深入，风能以其储量丰富且可再生的显著优势而备受关注，其中如何利用高层建筑屋顶风能是当下的研究热点，甚至有专家预测，21世纪中叶时，风能会成为全球范围内的支柱能源之一。但就当下而言，高层建筑屋顶风能利用尚不成熟，故当务之急是分析风能利用的基本原理和影响因素，并寻求行之有效的利用途径。
一、高层建筑屋顶风能利用的理论阐述
简单的讲，风能是指空气在流动过程中所储存的动能，那么风能利用便是借助一定的方法和手段将风的动能转化为其他形式能量的过程，就目前来说，电能是风能转化的主要形式。
由于风有风向和风速，且随机性强，还可随着高度的不断增加而增大，若不受其他因素干扰，其在高处的风速往往大于低处风速，而风速的增大自然会促使风的能量增大，故对于高层建筑而言，利用风能是有一定的优势的，加之建筑本身的存在会对风流场产生影响，所以风能利用值得深入研究[1]。如在矩形建筑中，若以面积较大的一面为0°迎面风，以另一面作为90°迎面风，根据图1可以看出，每个风向角都在屋面的边缘处出现了分离，风向和风速随之改变，并且随着高度的增加，风速逐渐变大，当其到达某个高度时，风速反而高于不受影响的流场风速，此时屋顶便彰显了聚集风力的效用，同时也是高层建筑屋顶风能利用的关键所在。
二、高层建筑屋顶风能利用的影响因素
考虑到在实际生活中，非流体型建筑较为普遍，故在此以其为研究对象，结合CFD数值模拟技术软件，对高层建筑屋顶风能利用的影响因素加以分析。
1.建筑塔楼
现实中的高层建筑有的设有塔楼，有的没有塔楼，而且塔楼的高度、长度也不尽相同，故以风速比 为判断依据分析塔楼对屋顶风能利用的影响。此时借助CFD软件，对有无塔楼的风速情况作了模拟，结果发现，塔楼利于增大屋顶风速和提高风能利用效果，其中在拐角处尤为明显；然后基于同一建筑模型，分别对塔楼的高度和长度作了适当调整，结果发现增加塔楼高度对屋顶风能利用效果意义不大，建议将其控制为0.1H；而延长塔楼长度则会降低主体建筑对风能的利用，故应使其保持在0.2L左右[2]。
2.风向角度
为科学验证风向角是否会影响建筑屋顶风能利用效果，便基于长、宽、高分别为10m、20m、5m的塔楼建筑模型，设置了0°、45°和90°的风向角。试验发现，当风向角为45°时，不仅风能利用有着最低的最佳高度，且风速比最大，可见此时利用效果最好。
3.架空层设置
由于部分已建成的高层建筑并未设置塔楼，所以可考虑为其加设架空层用于提高屋顶的风能利用效率。即先在技术软件的帮助下构建了一个设有1m高架空层的建筑模型，然后经施加合适的模拟条件，对其与无架空层的建筑风速进行反复试验和比较，结果发现，架空层的设置有利于屋顶利用风能，但风机安装高度应置于顶板之上，且在其在角点、中点、侧边中点、迎风前缘位置较为可行。
4.建筑尺寸
为验证建筑尺寸是否会影响屋顶风能利用效果，便保持架空层高度不变，对模拟条件中的建筑长度、宽度和高度作了一定的改变。经多次试验后发现，长度对风能利用影响较小，宽度对其影响具有相对性，而相比之下的高度对屋顶风能利用的影响最小。
三、高层建筑屋顶风能利用的有效途径
为简化计算、直观分析，上述提及的高层建筑屋顶风能利用影响因素是以单个建筑体为研究对象的。但在现实生活中我们可以发现，在较大范围内只存在单个建筑的情况普遍较少，而且随着城市化建设的不断发展，建筑密度会随之增大，所以我们应立足实际，寻求建筑群屋顶风能利用的有效途径。
1.条件模擬
在此以最典型的行列形式作为建筑群的布局，已知研究对象建筑群为整齐排列的两行三列式，建筑的长、宽、高均为30m、15m和30m，行、列间距均为30m，并选择该建筑群的中心点为坐标原点，Y轴方向为风向，由于其具有对称特点，故以其中的一半为研究对象，并在每个建筑的屋顶设置了9个风速监测点，以便尽可能全面的分析高层建筑屋顶风能利用情况。
2.数据分析
首先对无任何措施的情况下屋顶风能利用情况进行了模拟，用于验证在屋顶风速较低的情况下设置架空层是否会起到强化风能利用效果，经分析架空层加设前后的9个测点的风速增值发现，每个建筑的每个测点的风速均有所提高，其中第一排中的第1个和第4个建筑风速增加明显，由此可见，在建筑群中加设架空层可行[3]；为进一步分析架空层对建筑屋顶风能增大究竟有着怎样的作用和影响，便基于风能、风能密度和风速之间的内在关系确定了单个建筑和建筑群屋顶风能的增大系数函数，在此基础上统一了高度，以期通过比较同一高度和同一位置处的风速，后经数据模拟计算得知，设有架空层的各个建筑中每个测点位置的风能均得到了提高，而且单个建筑平均风能系数也有一定的增大，其中建筑1、2、3的风能系数分别增大了0.204472、0.068683、0.064644，而且加设架空层后的建筑群与之前相比，总风能增大了0.894127，同时也是无建筑影响情况下风能的2.6倍。如此一来，架空层的存在对高层建筑屋顶风能聚集能力的优势便不言而喻。以厦门市为例，若其采用上文提及的建筑群布局形式，以风速为6m/s计算标准，并将风力机设于最佳高度（选用市场上的普通风机），经计算得出建筑群屋顶处可利用的风能大约有22.14KW，而且该建筑群每年可节约10万元左右的电费。
3.试验总结
由上可知，无论风向角是0°还是90°，均有助于提高建筑屋顶风能的聚集和利用，既使最大风速比得到了明显提高，也显著降低了安装风机的高度。而顶板因其上下表面都会受到负压作用，故会起到平衡作用，进而减小在大风情况下被掀翻的隐患，而且经比较分析发现，当架空层高度为2m时有着最好的风能利用效果，即使此时建筑尺寸有所差异，也不会对风能收集构成较大威胁[4]。此外，在高层建筑屋顶风能利用模拟试验中还发现，建筑群中的前排建筑对风能的利用效率高于后排建筑，同时在架空层为最佳高度且风速相对较小时，有着更为显著的风能收集效果，所以上述方式有助于提高建筑屋顶风能利用效率。但若想推广应用，还有待进一步的研究和实践。
结束语：
总之，随着时间的推移，风能必然会成为经济社会发展过程中不可或缺的绿色能源，但其距离理想目标还有很大差距，所以应先解决当下高层建筑屋顶风能的利用问题，这就要求我们基于对其基本原理和影响因素的了解和分析，探讨最佳的利用方法，像如何布置建筑形式和尺寸，如何加设架空层等，唯有如此，才能更好的彰显风能效用。
参考文献：
[1] 袁行飞，张玉.建筑环境中的风能利用研究进展[J].自然资源学报， 2011，（05）：09-10
[2] 李秋胜，赵松林，朱楚南.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， 2012，（02）：21-23
[3] 陈宝明，张涛.风力集中式建筑物风能密度分布的数值模拟[J].能源技术， 2010，（08）：16-17
[4] 田蕾，秦佑国.可再生能源在建筑设计中的利用[J].建筑学报， 2010，（12）：03-04