來源：小樹洞談光伏支架

引導語

隨著國內“整縣推進”的政策逐漸落實，現(xiàn)在流行在屋頂上安裝光伏支架。屋頂風荷載變化多端，對于支架設計來說就非常棘手。了解屋頂上氣動變化的最好辦法莫過于“風洞測試”，但是這種測試又貴又耗時間。這一期小樹洞就談談怎么在不做風洞的情況下，對屋頂風荷載變化有一個大概的了解。

目錄：

1.?屋頂氣流分離現(xiàn)象

2. 整體系數(shù)與局部系數(shù)

3. 屋頂光伏支架展示

之前看過小樹洞文章的朋友，應該對跟蹤器的“氣動渦流”現(xiàn)象不會感到陌生。實際上，空氣在流過任何障礙物后，都會產(chǎn)生渦流，房屋這樣的建筑物也不例外。

當氣流經(jīng)過房屋時，會在屋頂上產(chǎn)生一個渦流，而氣流就會被“揚起”，并且產(chǎn)生一個相對于外界的低壓區(qū)域，這種氣流流過物體發(fā)生分離變化的現(xiàn)象稱為“氣流分離現(xiàn)象”。

?屋頂上方的“氣流分離”現(xiàn)象

(來源：Theodore von Kármán WTT)

?屋頂上方的“氣流分離”現(xiàn)象圖解

這樣的低壓使屋頂上產(chǎn)生一個“風吸力”，這也就是為什么在大風下，屋頂會被“掀飛”的原因。與此同時，屋頂上方的附著物，例如光伏支架也會受到這股上揚力的影響。如果此時光伏支架無法固定在屋頂上，那么它也會被風吹飛。假如屋頂足夠長，這股揚起的氣流會再次落下，落下的位置距離屋頂邊緣的長度，大約是屋頂高度的2倍。

?屋頂上方的“風吸力”

?風吸力對屋頂?shù)钠茐?/span>

假如風吹向屋頂?shù)慕锹?，在角落兩邊產(chǎn)生的旋轉渦流會在角落形成交叉重疊，從而增強風荷載，形成更強的低壓。因此角落往往是整個屋頂風吸力最大的區(qū)域。

?氣流在屋頂產(chǎn)生的圓錐形渦流

兩個渦流的重疊區(qū)（A區(qū)）荷載最大

（來源：CPP）

對于屋頂這樣的復雜氣流變化，很多國際上的研究機構和光伏支架廠家都陸續(xù)進行了大量的風洞測試。在這些風洞測試中，大家發(fā)現(xiàn)了許多共性的問題。而很多這些問題，最后總結成了行業(yè)規(guī)范和國際標準。

?不同風向下的屋頂支架體型系數(shù)分布

（來源：CPP）

由于這類“氣流分離”的現(xiàn)象，風在屋頂上不同的區(qū)域產(chǎn)生了不同大小的荷載，通常我們采用三類區(qū)域來劃分這些荷載。

1.白色區(qū)域，遠離屋頂邊緣，風荷載較小

2.黃色區(qū)域，沿著屋頂邊緣位置，風荷載較大

3.紅色區(qū)域，各個屋頂邊角區(qū)域，風荷載最大

?屋頂?shù)?個風區(qū)與建筑物高度的關系

(ASCE 7-16光伏支架風荷載標準)

因為風壓在流經(jīng)屋面時的不均勻性，其形成了大小不同的風壓區(qū)域。我們知道在風荷載的計算公式里，采用的是“基本風壓（q）”和“體型系數(shù)（C_p）”這兩者的乘積關系。因此體型系數(shù)是判定風壓大小程度的重要參數(shù)。

?以一個10h*10h的平屋頂舉例

解釋屋頂?shù)恼w風壓與局部風壓

這里的局部體型系數(shù)為假想值

從上圖我們可以知道，對于局部區(qū)域，在同一個風速情況下會出現(xiàn)不同的風壓大小(p_1，p_2，p_3)，意味著安裝在不同區(qū)域的光伏支架，其受到的風壓也不一樣。

而對于整體建筑物來說，風壓的大小則為各個局部區(qū)域風壓大小的綜合值(p_total)。因此許多建筑荷載規(guī)范往往采用“整體”和“局部”兩種不同的思路，來計算這兩類風荷載。

這種整體和局部的思路，在國標中分別以兩種計算方式來區(qū)分：

• 主要受力結構：考慮結構的整體受力大小
  

• 圍護結構：考慮建筑物上不同位置的各個局部受力大小

以國標為例，假如我們的計算目標是房屋的整體設計，比如建造房梁、立柱等等，那么就應該采用“主要受力結構”體型系數(shù)來計算風荷載。

假如我們的計算目標是屋頂上的光伏支架，那么就應該采用“圍護結構”體型系數(shù)，來計算安裝在屋頂不同位置處的光伏支架風荷載大小。

?國標建筑荷載規(guī)范里

規(guī)定的整體和局部體型系數(shù)

國際上其他國家的規(guī)范，也是類似這樣的整體和局部劃分：

?美標建筑荷載規(guī)范 ASCE 7-16

規(guī)定的整體和局部體型系數(shù)

?歐標建筑荷載規(guī)范 EN 1991-1-4

規(guī)定的整體和局部體型系數(shù)

前面說了很多屋頂風荷載的計算，那么對于屋頂光伏支架我們又該怎么設計呢？小樹洞收集了國際上幾個典型的屋頂光伏支架設計。

?T5屋頂支架（來源：Sunpower）

?RMS屋頂支架（來源：Sunlink）

?S-Dome V屋頂支架（來源：K2）

?GridFlex屋頂支架（來源：Unirac）

盡管這些廠家的支架細節(jié)各不相同，但是整體設計卻是大同小異，感興趣的朋友可以在下方留言，看看你們能找到他們的哪些設計共同點。