建物屋頂太陽光電板陣列風載重數值模擬成果

本計畫關於建築物屋頂面上太陽光電板陣列之風荷載探討，基於前年度氣 動力實驗成果，進行 CFD 模擬以建立更完整的設計風壓參考資料。首先進行 CFD 與實驗驗證之比較，參考前年度之氣動力實驗模型建立之計算模型如圖 4-13 所示。本案例在典型低矮建築上鋪設 7 片太陽能光電板，建築深寬比(B/D) 為 0.67，高寬比(H/D)為 0.33。太陽能光電板寬度為建築寬度的一半(0.5B)，太 陽能光電板長度為 2 公分，如以縮尺 1/200 來看，長度為 4 公尺。來流採用開 闊地況(地況 C；α=0.15)之大氣邊界層流場，縮尺後之邊界層厚度 1.5 m。模擬 條件示意圖如圖 4-14、圖 4-15 所示，來流風攻角為 β，後面將針對安裝於屋頂 之太陽能光電板陣列以下幾個參數進行討論：

(1) 太陽能光電板間距比(S/h) (2) 太陽能光電板仰角(γ)

(2) 太陽能光電板屋頂配置之退縮比(F/H) (3) 建築高寬比(H/B)

本研究數值模擬部分使用 2 種模擬方式，首先以穩態(steady state)模擬比較，

初步檢視退縮比(F/H=0.1875)對於平均淨風壓係數的影響，並確認所採用之模 擬網格。第二種模擬方式則為大渦模擬(LES)，相對於穩態模擬，LES 的瞬態 (transition)模擬方式具有較高之精確度並可獲得逐時資料，進行擾動風壓結果比 較，唯其計算量較大，目前進行大量案例分析具有一定難度。本研究所採用之 流場模擬之模式如表 4-3 所列。

為單純化間距比比較參數，於平地鋪設狀況下，入流為均勻(uniform)，探 討太陽能光電板於 3 種間距(S/h=0、1、2)排列之淨風壓係數(平均及擾動)比較。

其次，屋頂模擬個案於 3 種退縮比(F/H=0.05、0.1、0.125)狀況下進行比較。

另在無退縮比的狀況下，針對 5 種太陽能光電板仰角( γ=10∘、15∘、20∘、

25∘、30∘)進行比較。最後，針對 3 種建築高寬比(H/B=0.333、0.25、0.167) 之屋頂太陽能光電板風力進行討論，瞭解建築高度對於太陽能光電板之影響。

透過以上參數分析，提供設計及施工者合理建議。

圖 4-13 本研究採用之屋頂太陽光電板陣列 CFD 模擬計算模型圖

(資料來源：本研究繪製)

表 4-3 CFD 計算流場模擬設定

模擬條件 設定 1(初步模擬) 設定 2 穩態瞬態 Steady state Transition

紊流模型 Realizable k- model Smagorinsky LES Cs=0.15 Time step - 0.001 s

對流項 Second upwind scheme Second upwind scheme 壓力解法 SIMPLEC SIMPLEC

Roughness

height 0.0054 -

Residual

velocity 10^-4 k 10^-5

 10^-5 velocity 10^-4 Y⁺ 建築與太陽能光電板表面<80

地表 10-900

建築與太陽能光電板表面<80 地表 10-900

(資料來源：本研究整理)

圖 4-14 屋頂太陽光電板陣列模擬頂視圖

(資料來源：本研究繪製)

圖 4-15 屋頂太陽光電板陣列模擬側視圖

(資料來源：本研究繪製)

Panel 1 Panel 2 Panel 3 Panel 4 Panel 5 Panel 6 Panel 7

β

Center line

B F

D

F

H

UH

γ h

一 、 網 格 系 統 與 初 步 測 試

本計算建立之分析格網最小網格為 0.004 m、最大網格 0.1 m，網格分割狀 況圖 4-16 所示。太陽能光電板短邊配置 6 個格點，長邊配置 75 個格點，太陽 能光電板表面格點為三角形(triangular)網格均勻配置。計算域總共格網數量為 1,687,213。

對於光電板排列前排與屋頂前緣切齊的狀況下，由 CFD 模擬計算結果如圖 4-17 及圖 4-18 所示，整體平均淨風壓係數 CFD 計算結果與氣動力實驗實測結 果相接近，變化趨勢亦符合，因此利用 CFD 模擬計算推估類似條件之風壓係數 應具有可信度，由 CFD 計算太陽光電版陣列各片(共七片)之整體平均淨風壓係 數如圖 4-17 所示，亦為第一片具有較強烈的風壓荷載，當風攻角小於 90 度時，

光電版上仰側直接迎向來流，因此將受到較大的傾倒力矩作用，隨後各片太陽 能光電板均受到遮蔽作用而受力輕微。

太陽光電板面上局部淨風壓係數分布如圖 4-19 所示，由圖可見在小風攻角 時第一片光電板的版面負風壓分布非常明顯，隨後各板面則接近為零值的風壓 係數，驗證遮蔽效應的現象。風攻角 180 度時來流由光電板低側方向逼近，因 以七片組成的光電板陣列在原先下游區未鋪滿，因此風攻角 180 度時，氣流先 經過一區平坦的屋頂面再到達光電板，受到近地面的干擾，風壓為微幅正值。

(a)

(b)

圖 4-16 本研究採用之屋頂太陽光電板陣列 CFD 模擬計算模型格網，

(a)整體網格分布， (b)太陽光電板附近網格 (資料來源：本研究繪製)

圖 4-17 屋頂太陽光電板陣列 CFD 數值模擬與風洞實驗(建研所 2015) 之第一至三片版整體平均淨風壓係數比較

(資料來源：本研究整理)

圖 4-18 屋頂太陽光電板陣列各片版之整體平均淨風壓係數隨角度變 化 CFD 計算成果

(資料來源：本研究整理)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖 4-19 屋頂太陽光電板陣列各片版之平均淨風壓係數分布隨角度變 化 CFD 計算成果， 風攻角為(a)0 度，(b)20 度，(c)40 度，(d)180 度，

(e)220 度，(f)340 度。

(資料來源：本研究整理)

本研究第一階段為能驗證 CFD 計算與實驗量測結果，檢驗光電板陣列布設 於屋頂面時具有退縮距離的氣動力現象，由實驗資料顯示，低層建築物屋頂面 上的太陽光電板陣列擺放時，距離邊緣約退縮建築物高度的十分之一，即可避 開屋頂面邊緣的強烈分離剪力流渦卷區域，而減少太陽光電版的受風荷載。CFD 計算太陽光電版無退縮時，各片光電板的整體淨風壓係數變化如圖 4-20 所示，

以第一片所受風荷載載要大，特別是在風攻角介於+/-30 度之間時，負風壓的作 用較為強烈。本研究 CFD 計算模型中將太陽光電板陣列退縮建築高度的 0.1875H 之後進行模擬計算，各片電板的整體淨風壓係數變化如圖 4-21 所示，

圖中顯示各片太陽光電版之整體淨風壓係數均在零值附近，由於退縮距離後使 得光電板避開邊緣強烈的分離渦流作用，因此大幅減輕光電板的風荷載，此現 象與實驗量測所得結果相吻合。退縮後光電板陣列各片版面的局部淨風壓係數 分布如圖 4-22 所示，圖中顯示各板面的局部平均淨風壓係數分布均接近零值，

檢討的風攻角包括+80 度到-80 度，由於光電板陣列安裝於建築物屋頂的右半側，

因此正負功角形成的效果有所差異。板面上較為強烈的負風壓分布僅在角隅處 存在，其餘均多為零值附近的分布，與實驗結果相符。

圖 4-20 屋頂太陽光電板陣列無退縮時各片版之整體平均淨風壓係數 分布隨風攻角變化之 CFD 計算成果。

(資料來源：本研究整理)

圖 4-21 屋頂太陽光電板陣列退縮 0.1875H(H=建築物高度)時，各片版 之整體平均淨風壓係數分布隨角度變化 CFD 計算成果。

(資料來源：本研究整理)

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

圖 4-22 屋頂太陽光電板陣列退縮 0.1875H 時，各片版之平均淨風壓 係數分布隨角度變化 CFD 計算成果， 風攻角為(a)-80 度，(b)-40 度，

(c)-20 度，(d)0 度，(e)20 度，(f)40 度，(f)80 度。

(資料來源：本研究整理)

二 、 LES 模 擬 驗 證

將第一片太陽能光電板的淨風壓係數與比較風洞實驗時，LES 模擬的擾動 淨風壓係數有不錯的結果(如圖 4-24)，但平均淨風壓係數會高估(如圖 4-23)。可

能是風洞模型與 CFD 模型間，在造型上以及風壓孔位配置上略有不同所致，需 要進一步釐清。初步看來，平均淨風壓係數略有高估，主要是因為風洞實驗屋 頂太陽能光電板陣列有加入支撐結構，而數值模擬則簡化這個部分所造成，使 得加載在第一片太陽能光電板的風力較強。後續進行極值分析的如採用 CFD 結 果，會呈現較實驗值保守的結果，而支撐結構在淨風壓擾動係數影響並未有顯 著影響，具有參考價值。

圖 4-23：平均淨風壓於不同風攻角比較

(資料來源：本研究整理)

圖 4-24：擾動淨風壓於不同風攻角比較

(資料來源：本研究整理)

Degree Cp,r.m.s.

0 30 60 90 120 150 180

0 0.1 0.2 0.3

Experimental Numerical

三 、 太 陽 能 光 電 板 陣 列 排 列 間 距 比

本測試將太陽能光電板排列於地表，以均勻入流方式進行測試(如圖 4-23)，

入流風速為 10 m/s。間距比為 S/h=0、1、2(h 為太陽能光電板高度)，分別進行 3 種風攻角模擬(β=0∘、22.5∘、45∘)。太陽能光電板仰角為 30∘，共配置 7 片太陽能光電板，檢視各片平均及擾動淨風壓係數的變化。

由表 4-4 之平均淨風壓係數結果，可以得到以下幾點結論：

1. 第一片太陽能光電板(panel 1)之平均淨風壓均為負值，表示受到強烈的上掀 力，並隨著風攻角增加而降低。雖然間距比增加，平均淨風壓有漸減的趨勢，

但變化幅度很小。

2. 第二片太陽能光電板(panel 2)的平均淨風壓均為正值，顯示其承受下壓力，

同樣隨著風攻角增加而降低，間距比增加亦隨之降低。

3. 第三片之後的太陽能光電板，受到前 2 片太陽能光電板的尾流保護下，淨風 壓係數均小於± 0.21。隨著間距增加，變化似乎沒有明確的關聯性，可能仍 在尾流保護的區域內，可能需要更大的間距比模擬結果來確認保護範圍。但 在大部分的屋頂配置狀況下，為有效利用屋頂空間，間距比應不至於太大。

表 4-5 為擾動淨風壓係數模擬結果，可以看出第一片太陽能光電板的擾動 淨風壓值遠低於設置於屋頂上的狀況，主要是因為入流紊流強度以及建築頂部 捲增(roll-up)使得屋頂設置之太陽能光電板有較強的擾動量。

圖 4-25：間距比測試示意圖(S/H=2)

(資料來源：本研究整理)

表 4-4： 間距比測試之平均淨風壓係數

degree=0∘

S/h panel 1 panel 2 panel 3 panel 4 panel 5 panel 6 panel 7 0 -1.311 1.178 0.120 -0.196 0.068 -0.117 0.038 1 -1.253 1.122 0.128 -0.206 0.067 -0.113 -0.002 2 -1.223 1.099 0.124 -0.204 0.059 -0.110 -0.041

degree=22.5∘

S/h panel 1 panel 2 panel 3 panel 4 panel 5 panel 6 panel 7 0 -1.254 1.046 0.137 -0.210 -0.028 -0.001 -0.069 1 -1.238 1.045 0.053 -0.129 -0.086 0.043 -0.118 2 -1.225 1.012 0.001 -0.064 -0.171 0.089 -0.125

degree=45∘

S/h panel 1 panel 2 panel 3 panel 4 panel 5 panel 6 panel 7 0 -0.874 0.681 0.086 -0.113 -0.065 -0.030 0.007 1 -0.868 0.642 0.030 -0.064 -0.116 0.009 -0.065 2 -0.847 0.614 -0.020 -0.032 -0.185 0.155 -0.177

(資料來源：本研究整理)

均勻 入流

表 4-5： 間距比測試之擾動淨風壓係數

degree=0∘

S/h panel 1 panel 2 panel 3 panel 4 panel 5 panel 6 panel 7 0 0.0023 0.0026 0.0023 0.0036 0.0040 0.0094 0.0062 1 0.0014 0.0024 0.0036 0.0071 0.0117 0.0268 0.0317 2 0.0023 0.0038 0.0067 0.0134 0.0224 0.0556 0.0746

degree=22.5∘

S/h panel 1 panel 2 panel 3 panel 4 panel 5 panel 6 panel 7 0 0.0017 0.0020 0.0024 0.0035 0.0039 0.0106 0.0079 1 0.0008 0.0017 0.0027 0.0050 0.0080 0.0271 0.0410 2 0.0015 0.0091 0.0268 0.0087 0.0270 0.0407 0.0502

degree=45∘

S/h panel 1 panel 2 panel 3 panel 4 panel 5 panel 6 panel 7 0 0.0003 0.0002 0.0007 0.0009 0.0005 0.0006 0.0002 1 0.0006 0.0014 0.0049 0.0033 0.0038 0.0032 0.0019 2 0.0003 0.0007 0.0015 0.0024 0.0069 0.0075 0.0123

(資料來源：本研究整理)

四 、 屋 頂 太 陽 能 光 電 板 參 數 分 析

由前述模擬驗證結果可以得知，風攻角 40∘時，平均淨風壓有最大值發生，

擾動淨風壓的相對大值亦在此時發生。由個案β=40∘的瞬時渦度(圖 4-26)結果 可以看出，渦流在迎風面角隅處沿著屋頂邊緣開始開始增長，捲增範圍沿著長 邊範圍增大並能量增強，因此在無退縮狀況下會有淨風壓極值發生。以下分析 個案包含太陽能光電板仰角、退縮比以及建築高寬比均以風攻角 40∘、仰角 γ=30∘、建築高度 0.2 m 為基本設定，調整相應參數來進行比較。

圖 4-26：風攻角 40 度時渦度等值表面圖

(資料來源：本研究整理)

(1) 太陽能光電板仰角

圖 4-27 為不同仰角(γ)間的比較，可以發現第一片太陽能光電板(Panel 1)的 有最大的負淨風壓值。Panel 2 的平均淨風壓值則為正值，相對較小，約在 0.6-0.8 之間。其餘太陽能光電板受到遮蔽效應影響，平均淨風壓係數在±0.1 之間。隨 著仰角降低，Panel 1 的平均淨風壓值逐漸降低。若仰角 30∘調整至 10∘，平 均淨風壓係數可降低 23 %，而 Panel 2 則可降低 25 %。

在擾動淨風壓力係數部分(圖 4-28)，同樣地，隨著仰角增加，淨風壓係數 也隨之增加。由圖可以看出，仰角在由 25∘增至 30∘時，擾動風壓增加幅度較 大。此外，在所有仰角下，Panel 2 的擾動值約小於 0.6-0.9 之間，趨勢十分一 致。

入流

圖 4-27：不同仰角之平均淨風壓比較圖

ELEVATION ANGLE ()

MEANNETPRESSURE

ELEVATION ANGLE ()

RMSNETPRESSURE

圖 4-29：不同退縮比之平均淨風壓比較圖

(資料來源：本研究整理)

圖 4-30：不同退縮比之擾動淨風壓比較圖

(資料來源：本研究整理)

(3) 建築高寬比

改變建築高寬比為 H/B=0.333(0.2 m)、0.25(0.15 m)、0.167(0.1 m)後，進行 屋頂太陽能光電板之淨風壓比較。由平均淨風壓係數(圖 4-31)結果可以發現，

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15

-1

0 0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15

0

圖 4-31：不同建築高度之平均淨風壓比較圖

在文檔中 建築物附置物之耐風設計評估研究 (頁 80-99)