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建築研究簡訊第107期 《業務報導》

研擬太陽光電系統風壓係數提升構造耐風性能

       太陽能發電是政府積極推動之綠色能源之一,各地設置於建築物屋頂或地面的太陽光電系統日漸增多。其配置形式及安裝位置可概分為斜屋頂平貼型、平屋頂距置型、地面距置型、地面單斜式棚架型及平屋頂單斜式棚架型等。而臺灣地處西太平洋颱風活躍的路徑上,每年或多或少可能有不同強度的颱風侵襲,特別是近年因氣候變遷,極端天候頻仍,出現強烈颱風的機率大幅增加,在104年8月及9月相繼受到蘇迪勒、杜鵑強烈颱風侵襲,即有許多太陽能光電系統損壞情形。因此,無論是上述任一種型式之太陽光電系統,其太陽能光電面板、下部支撐架構件及接合扣件均需經妥慎之結構耐風設計與分析,以確保在強風吹襲下之安全性。

       國內一般建築物之主要風力抵抗系統及局部構材或外部被覆物之耐風設計係根據營建署頒布之「建築物耐風設計規範及解說」(2015),但其中並未完全涵蓋上述各太陽光電系統之耐風設計規定。為確保國內太陽光電系統之耐風安全性,本研究先回顧美國相關規範之規定,釐清我國「建築物耐風設計規範及解說」(2015)未能涵蓋之部分,是否能相容應用;再考慮國內現存設計情況,針對現有規範未規定者,執行一系列風洞試驗,採用極值分析求取極值風壓係數,統合並簡化分析結果,以研擬耐風設計所需之風壓係數相關條文及圖表,俾為設計者執行耐風設計之依據。

       研究過程參考ASCE7-16之規定,並將相關淨風壓係數圖加以公式化,分別擬訂斜屋頂平貼型及平屋頂距置型子系統之風壓係數,建議修正「建築物耐風設計規範及解說」(2015)「圖3.1(b)(c)(d)(e)屋頂外風壓係數(h≦18 m封閉式或部分封閉式建築物之局部構件及外部被覆物)」。並根據SEAOC(加州結構工程師協會) PV2-2012及加拿大學者Kopp實驗結果,推估地面距置型與平屋頂距置型極值風壓係數之關係,再以平屋頂距置型之風壓係數為基礎,擬訂地面距置型之耐風風壓係數與計算公式。同時,依據本計畫屋頂單斜式棚架型之風洞實驗極值分析結果(試驗模型示意圖如圖1~圖2),配合對地面單斜式棚架型設計風壓變化趨勢之觀察,擬訂平屋頂單斜式棚架型子系統之風壓係數。又依據地面單斜式棚架型之風洞實驗(試驗模型示意圖如圖3~圖6)極值分析結果,檢討「建築物耐風設計規範及解說」(2015)圖3.3(a) 「開放式建築物之單斜屋頂局部構件及外部被覆物淨風壓係數」之適用性。結果發現現有規範數值可包含大部分實驗所得最大正(負)淨風壓係數,但實驗結果顯示有下列例外:(1)面板傾角10度、面板下有阻擋之地面單斜式棚架型子系統區域3(如圖1b)之最大正淨風壓係數中約有兩成比規範值大;(2)面板傾角30度、面板下無阻擋之地面單斜式棚架型子系統區域2(如圖1b)之最大正(負)淨風壓係數均遠小於規範值,但區域3(如圖1b)之最大負淨風壓係數有少數比規範值大;(3)面板傾角30度、面板下有阻擋之地面單斜式棚架型子系統區域3(如圖1b)之最大正(負)淨風壓係數中有少數比規範值大。

       綜整前述,本研究針對國外規範已有規定,但應用於國內仍有疑慮者,或台灣常見但未出現於國外規範或文獻者(例如平屋頂單斜式棚架型),將考慮國內常見設計情況,斟酌擬定試驗參數組合(面板傾角、長寬比、面板有無突出、面板下有無阻擋、有無女兒牆等),在本所風洞實驗室分別執行一系列風洞試驗,以極值分析求取不同情況下之最大正(負)淨風壓係數。再統整各分析結果,參考地面單斜式棚架型之耐風規定,擬議平屋頂單斜式棚架型耐風規範草案,最後綜合評估訂定各太陽光電系統之設計風壓係數,俾供國內相關人員設計太陽光電系統設計時參用,以確保耐風安全。

 

圖1(a)                                                                                    圖1(b)

圖1(a)屋頂棚架型子系統示意圖(無阻擋);(b)面板分區示意圖

 

2屋頂棚架型子系統示意圖(有阻擋,阻塞比大於50%)

 

 

3地面單斜式棚架型子系統示意圖(無阻擋)

 

 

4地面單斜式棚架型子系統示意圖(有阻擋,阻塞比大於50%)

 

 

圖5地面單斜式棚架型子系統風洞試驗模型與地況模擬

 

圖6地面單斜式棚架型子系統風洞試驗模型(有阻擋,阻塞比大於50%)