煙囪效應(yīng)對超高層建筑的影響與對策研究

裴智超 李娜 曾宇

中國建筑科學(xué)研究院

0 引言

近年來，國內(nèi)超高層建筑不斷涌現(xiàn)，超高層建筑在節(jié)約土地資源、提升城市形象等方面具有積極的作用，同時也存在一定的安全問題和節(jié)能問題，包括消防問題、空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)問題、煙囪效應(yīng)對電梯運行的影響等。隨著我國超高層建筑的快速發(fā)展，國內(nèi)對超高層建筑的自然通風(fēng)、自然排煙、煙囪效應(yīng)、建筑熱壓等研究工作取得了一定的進展。目前，對于超高層建筑自然通風(fēng)和煙囪效應(yīng)的研究，常用的手段是CFD模擬分析和現(xiàn)場測試等[1]。

在氣候寒冷地區(qū)，冬季超高層建筑由熱壓產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)可能會帶來很多安全問題，如樓梯間門、前室門、電梯門不能正常開關(guān)，起火時會加速火勢在建筑內(nèi)的擴散，加壓系統(tǒng)不能正常運行等[2]。因此，對超高層建筑的熱壓、煙囪效應(yīng)的影響分析，是保證超高層建筑正常、安全的運行非常重要。

1 研究對象

1.1 理論基礎(chǔ)

“煙囪效應(yīng)”是指由于建筑室內(nèi)外空氣密度差所產(chǎn)生的空氣浮升作用。冬季室內(nèi)溫度高于室外溫度，由于煙囪效應(yīng)的作用，冷空氣（密度相對較高）由建筑下部進入建筑，通過建筑物內(nèi)上下貫穿的通道（如電梯井道、樓梯間、設(shè)備豎井、通風(fēng)豎井等），逐漸變熱后變成熱空氣（密度相對較低）由建筑上部排出室外。

建筑熱壓可由公式（1）計算[3]：

式中：Pr為理論熱壓，Pa；ρw為室外空氣密度，kg/m；ρn為室內(nèi)空氣密度，kg/m；h為計算高度，m；hz為中和面高度，m；g為重力加速度，g=9.81m/s。

由式（1）可以看出，室內(nèi)外溫差越大、建筑高度越高，煙囪效應(yīng)越明顯。

此外，建筑熱壓形成煙囪效應(yīng)的一個重要因素是建筑存在空氣流進（出）的開口（縫隙），建筑如果完全密閉，那么也就不存在煙囪效應(yīng)。增強建筑外墻氣密性能夠緩解超高層建筑的煙囪效應(yīng)[4]。

1.2 研究對象

超高層建筑的電梯必不可少，電梯門開關(guān)的作用力在克服開關(guān)阻力的同時，也要考慮避免夾傷人員，所以其關(guān)門作用力不能過大。電梯門開關(guān)的阻力主要來自門與軌道之間的摩擦阻力，其大小主要與門與軌道間的摩擦系數(shù)和作用于門上的垂直作用力大小有關(guān)，而垂直作用力大小主要取決于電梯門內(nèi)外壓差，ASHRAE Research Project 661中提出，當(dāng)電梯門內(nèi)外壓差超過25Pa時，會影響電梯門正常開閉，為保證電梯正常運行，電梯門內(nèi)外壓差不應(yīng)超過25Pa[5]。本次對超高層建筑煙囪效應(yīng)的分析，主要考核對象選定為建筑電梯門內(nèi)外壓差。

本次分析研究的氣候區(qū)域選取煙囪效應(yīng)比較顯著的嚴寒和寒冷地區(qū)，嚴寒地區(qū)選取哈爾濱市，寒冷地區(qū)選取北京市。參考實際建筑情況，研究的建筑假定單層平面尺寸為80m×80m，建筑核心筒位于建筑中央，核心筒尺寸為40m×40m，核心筒周邊設(shè)有內(nèi)走道，其寬度為2m，核心筒內(nèi)電梯尺寸為3m×3m，電梯井道為首層到頂層，各層各朝向外窗面積設(shè)置為240m2。研究的建筑平面如圖1所示。

圖1 研究建筑平面及模型示意圖

2 研究方案

本次采用理論分析的方法對嚴寒和寒冷地區(qū)的超高層建筑由熱壓引起的煙囪效應(yīng)進行研究，采用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)法進行分析，應(yīng)用 CONTAMW 軟件，CONTAMW軟件是基于多區(qū)域模型預(yù)測和評價建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)的應(yīng)用軟件，該軟件計算結(jié)果的有效性得到了一些實例的驗證。

2.1 外窗滲透邊界條件設(shè)定

本研究中對于建筑圍護結(jié)構(gòu)氣流滲透，主要考慮建筑外窗的氣密性引起的氣流滲透。外窗的氣密性標準是用外窗或外門兩側(cè)壓力差為10Pa時，單位縫長單位時間的漏風(fēng)量q1（m3/(m·h)）或單位面積單位時間的漏風(fēng)量q2（m3/(m2·h)）表述的。本此研究參考《建筑物外門窗氣密性能標準如何應(yīng)用的研究》一文中的方法，將建筑外窗氣密性等效轉(zhuǎn)換為開孔率，6級氣密性外窗的開孔率為0.3%，5級氣密性的外窗開孔率約為0.5%[6]。

2.2 溫度邊界條件設(shè)定

根據(jù)建筑熱壓公式可知，煙囪效應(yīng)的影響因素包括建筑高度和室內(nèi)外空氣密度，空氣溫度是其密度的表觀參數(shù)。冬季時，室內(nèi)外溫差最大，所以本次研究分別選取嚴寒和寒冷地區(qū)的城市——嚴寒地區(qū)選取哈爾濱市，寒冷地區(qū)選取北京市——的冬季工況進行分析，選取《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中2個城市的室外溫、濕度數(shù)據(jù)，如表1所示，建筑室內(nèi)溫、濕度按照空調(diào)冬季室內(nèi)設(shè)計溫、濕度參數(shù)設(shè)定：20℃、50%。

表1 哈爾濱市、北京市冬季室外計算溫、濕度

2.3 建筑高度設(shè)定

建筑高度對建筑熱壓的影響非常顯著，本研究針對超高層建筑經(jīng)常出現(xiàn)的煙囪效應(yīng)問題，關(guān)注建筑高度對建筑煙囪效應(yīng)的影響，建筑高度分別選取從100 m、150 m、200 m、250 m、300 m。本次分析研究方案如圖2所示。

圖2 研究方案示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 建筑壓差分析

根據(jù)上述研究方案，針對不同建筑高度、不同開孔率時的建筑內(nèi)電梯門內(nèi)外壓差進行了分析。主要分析結(jié)論如下：

1）建筑熱壓中和面的位置約在建筑中間高度處，建筑首層和頂層是電梯門內(nèi)外壓差最大層，首層建筑內(nèi)為負壓，頂層建筑內(nèi)為正壓。不同建筑高度電梯門內(nèi)外壓差曲線如圖3、圖4所示。

圖3 哈爾濱市電梯門內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線（0.3%透過率）

圖4 北京市電梯門內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線（0.3%透過率）

2）在熱壓的作用下，建筑首層電梯門內(nèi)外壓差隨建筑高度的增加而加大，但隨著建筑高度的增加，電梯門內(nèi)外壓差增加趨勢減小。室內(nèi)外溫差越大時，電梯門內(nèi)外壓差越大，隨建筑高度增加，此現(xiàn)象更加明顯。哈爾濱市和北京市首層電梯門內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線如圖5所示。

圖5 首層電梯門內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線

3）在熱壓作用下，圍護結(jié)構(gòu)氣密性影響建筑電梯門內(nèi)外壓差，圍護結(jié)構(gòu)氣密性越差，電梯門內(nèi)外壓差越大，即圍護結(jié)構(gòu)氣密性越差建筑煙囪效應(yīng)越明顯。建筑高度為300 m時，不同外窗開孔率的首層電梯門內(nèi)外壓差曲線如圖6所示。

圖6 不同外窗開孔率時首層電梯門內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線

3.2 降低電梯門內(nèi)外壓差措施分析

根據(jù)上述建筑煙囪效應(yīng)分析，哈爾濱市300 m高建筑，當(dāng)外窗透過率為0.5%時，其首層電梯門內(nèi)外壓差最大，達到了192.3 Pa。北京市300 m高建筑，當(dāng)外窗透過率為0.3%時，其首層電梯門內(nèi)外壓差最大，達到了99.8 Pa。以上情況均會影響電梯的正常安全運行。為了保證電梯門內(nèi)外壓差在允許范圍內(nèi)，實際項目經(jīng)常采取的措施一是提高圍護結(jié)構(gòu)氣密性，二是在建筑外圍護和電梯門之間增加隔斷措施。

本次研究分別對哈爾濱市和北京市的建筑首層增加隔斷措施進行了理論分析，分析模型如圖7所示。

增加隔斷對首層電梯門內(nèi)外壓差的分析結(jié)果見表2、表3。

圖7 增加隔斷分析模型示意圖

表2 哈爾濱市建筑增加隔斷時電梯表面壓差

表3 北京市建筑增加隔斷時電梯表面壓差

根據(jù)分析結(jié)果可知，除了原模型中內(nèi)走道和電梯門外，哈爾濱市建筑在外圍護和內(nèi)走道間增加5層隔斷，北京市建筑在外圍護和內(nèi)走道間增加4層隔斷時，可將首層電梯門內(nèi)外壓差降低到 25 Pa以內(nèi)，保證電梯正常運行。

4 結(jié)論

建筑外窗或幕墻設(shè)置可開啟部分，當(dāng)過渡季時可以利用其開啟部分實現(xiàn)自然通風(fēng)，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)能耗，符合綠色建筑理念。然而，超高層建筑在圍護結(jié)構(gòu)氣密性、室內(nèi)外溫差作用下，會產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，尤其在嚴寒和寒冷地區(qū)，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)氣密性較差時，會加劇建筑煙囪效應(yīng)影響，為了降低煙囪效應(yīng)影響，應(yīng)提高圍護結(jié)構(gòu)氣密性。此外，為了緩解煙囪效應(yīng)影響電梯正常運行，可采用在外門和電梯之間增加隔斷措施，保證電梯門內(nèi)外壓差滿足運行要求。

目前，國內(nèi)超高層建筑的建設(shè)數(shù)量越來越多，實際項目中由于建筑煙囪效應(yīng)影響電梯運行的問題時有出現(xiàn)，本次分析建立在理論模擬的基礎(chǔ)上，未考慮風(fēng)壓等因素的影響，同時尚缺少實際項目測試數(shù)據(jù)支撐，為了更好的解決煙囪效應(yīng)問題保證建筑良好運行，進行實際項目現(xiàn)場測試結(jié)合理論分析尤為重要。