摘　要：隨著小風電的快速發(fā)展，風電與城市越來越近。越來越多的小型風力發(fā)電機安裝在建筑物頂，構成風電建筑一體化應用。本文介紹了風力發(fā)電機組在建筑物頂應用時面臨的風場選擇，給出了風力發(fā)電機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力發(fā)電引進城市的開發(fā)項目(WEB)。為達到項目要求，新設計或改進的裝有風力發(fā)電機的建筑物至少有20% 的用電來自風力發(fā)電系統(tǒng)，項目組通過試驗結果得出結論：建筑物造型應充分考慮如何能使風力發(fā)電機達到最大效率。建筑會擾亂空氣流動而造成湍流，其表面設計須成曲線形，或者利用導管來保證風力能夠順暢地流向葉片。
　　將垂直軸風力發(fā)電機組安裝在普通建筑物的屋頂上，可實現(xiàn)風力發(fā)電機組與建筑一體化設計。氣流在建筑物影響下產生分離、渦脫落和振蕩，導致有的區(qū)域風速下降，而有的風速增加的現(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性質，加劇了對風流場的局部擾動性。通過對建筑物周圍的風流場分布圖進行分析研究，獲知屋頂以上部位的風速分布，為風力發(fā)電機在屋頂安裝時避開風速低及風環(huán)境復雜的區(qū)域提供指導，進而利用產生的高風速區(qū)來實現(xiàn)風能利用的最大化。
　　此外，將風力發(fā)電機組安裝在普通建筑物的屋頂上，使機組與建筑物成為一體。當原建筑物由于外界原因導致混凝土承重結構上的作用荷載發(fā)生較大變化時，必須根據(jù)該結構極限承載力作對應承重結構進行加固，以提高其承載能力。由于己有建筑物及構筑物的屋頂在設計時并未考慮風力發(fā)電機運行帶來的影響，必須進行安全性能分析。首先用結構軟件畫出目標建筑物頂部結構的內力包絡圖，通過計算出風力發(fā)電機組在各   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行施工。
　　本文給出了風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 風洞試驗方法。風洞試驗方法是建筑室外風環(huán)境及風工程領域最早使用的方法，也是研究建筑結構抗風問題的傳統(tǒng)手段，如圖1 所示。在風洞中通過必要的手段產生類似于實際建筑周圍的風場，布置在實際建筑物的縮尺模型，并在其表面及周圍測量風速、風壓等相關數(shù)據(jù)，研究建筑物不同地貌、體型、高層建筑的風壓風速分布，以及不同高度比和相對位置的變化所產生的相互干擾影響。但是風洞試驗模型制作費時費力，試驗周期較長，難以同時研究不同的建筑設計方案，而且縮小尺寸的試驗模型并不總是能反映全比例結構的各方面特征。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。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被用來研究風的三維擾流。
　　目前，國內外學者主要通過標準k-ε 湍流模型對穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes 方程進行封閉處理，再用離散化方法獲得風場數(shù)值解，研究表明標準k-ε 湍流模型得到的建筑物正面風壓值與風洞試驗值吻合，但在建筑物背面及側面計算值偏小，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、易于進行參數(shù)分析等優(yōu)點，但由于當前許多學者提出的各種湍流模型或多或少都對實際現(xiàn)象進行了簡化，其研究大部分還集中于基礎性的研究，缺少實際工程中復雜結構模擬計算研究，從而使數(shù)值模擬結果的可信度受到質疑。另一方面三維流場計算所帶來的龐大計算量和對計算機性能的要求，雖然人們已經在計算方法的設計和湍流模型的發(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