Characterization of shear stress distribution on a flat roof with solar collectors

• Autorzy: Thiis T. , Ferreira A. D. , Molnar M. , Erichsen A. V.

Identyfikatory

DOI

10.4467/2353737XCT.15.143.4180

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka rozkładu naprężeń stycznych na płaskim dachu z kolektorami słonecznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the search for new renewable energy sources, photovoltaic systems and solar thermal collectors have become more common in buildings. With increased efficiency and demand for energy, solar power has also become exploitable at higher latitudes where snow is a major load on buildings. For flat roofs, one usually expects approximately 80% of the snow to be eroded off the roof surface. Installing solar panels would change this since the flow pattern and wind conditions on the roof are affected by their presence. This study shows the erosion of sand particles from underneath solar panels of various configurations associated with different wind velocities. The pattern of erosion is used to determine the relative friction velocity, u_*REL, of the wind on the roof. This value is the friction velocity on the roof relative to the friction velocity on a flat roof without solar panels. The experiments, conducted in a wind tunnel, show that the area where u_*REL is 0 and where it is expected that sand and snow will accumulate in case of an upwind particle source and decrease with increasing distances between roof and solar panel. It is also shown that a larger gap between the solar panel and roof surface creates larger erosion zones, where u_*REL > 1 for both wind directions. Since the erosion is closely linked to the air flow under the solar panels, and that higher air velocity increases the erosion, it is likely that a larger solar panel, extending higher into the free air flow would be desirable to avoid snow accumulation on a flat roof with solar panels. If the solar panel has large enough dimensions, the solar panels can be used as a deflector to decrease snow accumulation on flat roofs. With solar panels of the size in the current experiments, a building with a length smaller than the equivalent of x/L = 0.3 would have u_*REL > 1 on most of the roof surface and would thus likely have a lower snow load than an equivalent float roof without solar panels.

PL

Wraz ze zwiększoną efektywnością i zapotrzebowaniem na energię, energia słoneczna stała się możliwa do wykorzystywania w większych szerokościach geograficznych, gdzie śnieg jest głównym obciążeniem budynków. W przypadku płaskich dachów, można się spodziewać, że 80% śniegu jest zwiewane z jego powierzchni. Po zainstalowaniu paneli słonecznych, sytuacja ulega zmianie, gdyż przepływ powietrza i warunki wiatrowe na dachu zmieniają się. Praca przedstawia erozję ziaren piasku spod paneli słonecznych, w różnych układach, przy różnych prędkościach wiatru. Forma erozji jest wykorzystywana do wyznaczania względnej prędkości tarciowej, u_*REL, wiatru na dachu, względem dachu bez paneli. Doświadczenia w tunelu aerodynamicznym wskazują obszar, gdzie u_*REL = 0 i gdzie piasek i śnieg będą się zbierać w przypadku źródła ziaren w napływie i zmniejszać się wraz ze wzrostem odległości między dachem i panelem słonecznym. Większy odstęp między panelem i dachem przyczynia się do zwiększenia obszarów erozji, gdzie u_*REL > 1, dla obu kierunków wiatru. Ponieważ erozja jest silnie związana z przepływem pod panelami, a większa prędkość powietrza powoduje wzrost erozji, prawdopodobne jest, że większy panel słoneczny, sięgający wyżej w przepływie powietrza, jest pożądany, aby uniknąć gromadzenia się śniegu na powierzchni dachu. Jeśli panel ma wystarczająco duże wymiary, może zostać wykorzystany do zmniejszenia gromadzenia się śniegu na dachu. W przypadku paneli słonecznych w rozmiarach użytych w badaniach, budynek o długości mniejszej niż x/L = 0,3 ma u_*REL > 1 na większości powierzchni dachu i będzie charakteryzować się mniejszym obciążeniem śniegiem, niż na odpowiednim dachu bez paneli słonecznych.

Słowa kluczowe

EN

wind engineering; wind tunnel; snow load; environmental actions; wind erosion

PL

inżynieria wiatrowa; tunel aerodynamiczny; obciążenie śniegiem; oddziaływania środowiskowe; erozja eoliczna

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Czasopismo Techniczne. Budownictwo
• Rocznik: 2015
• Tom: Y. 112, iss. 2-B
• Strony: 359--368
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., wykr., wz., il.

Twórcy

autor

Thiis T.

• Department of Mathematical Science and Technology, Norwegian University of Life Sciences, Norway

autor

Ferreira A. D.

• ADAI-LAETA, Department of Mechanical Engineering, University of Coimbra, Portugal

autor

Molnar M.

• Department of Mathematical Science and Technology, Norwegian University of Life Sciences, Norway

autor

Erichsen A. V.

• Department of Mathematical Science and Technology, Norwegian University of Life Sciences, Norway

Bibliografia

• [1] Bagnold R.A., The Physics of Blown Sand and Desert Dunes, Methuen, London 1941.
• [2] Blackmore P., Wind loads on roof-based photovoltaic systems, BRE Digest 489, 2004.
• [3] European Committee for Standardization, CEN , EN 1991-1-3, Eurocode 1, Actions on structures – Part 1-3: General actions – Snow Loads, 2003.
• [4] Ferreira A.D., Structural design of a natural windbreak using computational and experimental modelling, Environmental Fluid Mechanics, Vol. 11, 2011, 517-530.
• [5] Ferreira A.D., Lambert R.J., Numerical and wind tunnel modeling on the windbreak effectiveness to control the aeolian erosion of conical stockpiles, Environmental Fluid Mechanics, Vol. 11, 2011 61-76.
• [6] Ferreira A.D., Oliveira A.R., Wind erosion of sand placed inside a rectangular box, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 97, 2009, 1-10.
• [7] International Organization for Standardization ISO - ISO 4355 Bases for design of structures, Determination of snow loads on roofs, 2013.
• [8] Kind R.J., Murray S. B., Saltation flow measurements relating to modeling of snow drifting, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 10, 1982, 89-102.
• [9] Kind R.J., A critical examination of the requirements for model simulation of wind-induced erosion/deposition phenomena such as snow drifting, Atmospheric Environment, Vol. 10(3), 1976, 219-227.
• [10] NEN, NVN 7250, Solar energy systems, Integration in roofs and facades, Building aspects, 2007.
• [11] Pomeroy J.W., Gray D. M., Saltation of snow, Water Resources Research, Vol. 26(7), 1990, 1583-1594.
• [12] Tabler R.D., Controlling blowing and drifting snow with snow fences and road design, Final report, NCHRP Project 20-7 (147), 2003.
• [13] Tabler R.D., Design guidelines for the control of blowing and drifting snow, SHRP H-381, US National Research Council, 1994.
• [14] Thiis T., Delpech P., DeVirel M., The use of deflectors to remove snowdrifts around buildings, Proc. 5th Conference on Snow Engineering, Davos, Balkema, 2004.
• [15] Viegas D.X, Borges A.R., An erosion technique for the measurement of the shear stress field on a flat plate, Journal of Physics E: Scientific Instruments, Vol. 19, 1986, 625-630.
• [16] Zhou X, Hu J. Gu M., Wind tunnel test of snow loads on a stepped flat roof using different granular materials, Natural Hazards, Vol. 74(3), 2014, 1629-1648.