高層建筑熱負荷計算影響因素的探討

張 濤 郈愛杰 陳德玉 蔡建軍

(1．中國汽車工業工程有限公司，天津 300013；2.天津市建筑設計院，天津 300074； 3.天津市房屋鑒定設計院，天津 300072)

1 概述

在節約型社會的背景下，對住宅建筑熱負荷的合理及相對準確計算，不僅可以滿足用戶的需要，而且可以減少投資，對于建筑節能具有顯著意義。

GB 50016—2014建筑設計防火規范(2018年版)的2.1.1條規定：高層建筑指建筑高度大于27 m的住宅建筑和建筑高度大于24 m的非單層廠房、倉庫和其他民用建筑，并進一步在5.1.1條中，對民用建筑的分類進行了詳細規定。不同于其他建筑形式，高層建筑的熱負荷計算更加復雜，影響因素也比一般建筑要多。考慮到高層建筑外部環境參數在垂直方向的差異化分布，在進行熱負荷計算時，需要綜合考慮朝向、風力、高度、門窗縫隙向室內滲入冷空氣等參數變化對建筑熱負荷的影響。本文重點分析風力、門窗縫隙滲入室內的冷空氣對高層建筑熱負荷的影響。

2 風力影響

室外風速對建筑圍護結構的表面傳熱系數有明顯影響，進而影響熱負荷計算。目前相關規范給出的冬季室外平均風速是以地面以上10 m作為基準高度[1]，10 m以上高度h處的風速計算見式(1)：

(1)

其中，Vh為高度h處的風速，m/s；V0為高度h0處的風速，m/s，建筑所在地區的氣象監測值；h為需要計算的實際高度，在取值上大于10 m；h0為基準高度，一般為10 m；α為冪指數，與溫度的垂直梯度和地面粗糙度有關的實驗值,見表1。

表1 不同地區環境的風速計算冪指數α經驗數值[2]

對于高層建筑，室外風速的增加導致圍護結構的外表面對流換熱系數的增大，從而造成傳熱系數K的增大。根據GB 50736—2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[3]第5.1.8條圍護結構傳熱系數K的計算式：

(2)

式中：K——圍護結構的傳熱系數，W/(m2·K)；

an——圍護結構內表面換熱系數，取8.7 W/(m2·K)；

δ——圍護結構各層材料厚度，m；

aλ——材料導熱系數的修正因數；

λ——圍護結構各層材料導熱系數，W/(m·K)；

Rk——封閉空氣間層的熱阻，m2·K/W；

aw——圍護結構外表面換熱系數，W/(m2·K)。

筆者通過實際計算，分析了風力對外墻傳熱系數的影響：依據天津地區室外氣象條件，分別取10 m和100 m高處的外表面對流換熱系數為23 W/(m2·K)和35 W/(m2·K)[4]。室外風速隨著建筑高度增加而增大，同時隨著建筑高度的升高，建筑周圍漩渦氣流加大，圍護結構外表面換熱系統在冬季達到了35 W/(m2·K)，《空氣調節設計手冊》(第2版)表2-8也印證了圍護結構表面換熱系數隨高度的變化。

根據JGJ 26—2018嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準對寒冷地區最小傳熱系數的規定，當取外墻熱阻為2.22 m2·K/W時，外墻傳熱系數K在10 m和100 m高處分別為(單位為W/(m2·K))：

(3)

(4)

比較Kw10及Kw100數值可知，100 m處墻體的傳熱系數僅比10 m處增加1%，二者差別很小。因此，在設計過程中可以不考慮墻體的傳熱系數隨高度的變化。

對于外窗傳熱系數隨高度的變化，《實用供熱空調設計手冊》表4.1-4[5]中數據顯示：在室外風速為3 m/s時，10.5 m高處的傳熱系數為K=3.3 W/(m2·K)，在58.5 m高處，風速為6 m/s時，傳熱系數為K=3.5 W/(m2·K)，僅增加了6.1%。因此對于高層建筑中外窗的傳熱系數隨高度的變化亦可以不考慮。

3 冷風滲透影響

風速在不同高度的分布差異通過下式影響高層建筑風壓：

(5)

式中：V——風速，m/s；

r——空氣容重，kg/m3；

g——重力加速度(不考慮不同高度的重力加速度的差異)，m/s2；

P——風壓，Pa。

根據相關資料，由地面起，每升高150 m，溫度升高1 ℃，所以在計算時，可以認為r為常數。以冬季工況為例，取采暖室外計算溫度t=-7 ℃，r=1.317 kg/m3，冬季室外平均風速：2.5 m/s，得出不同高度下，風速風壓的變化值，見表2。

表2 冬季工況下不同高度的風速、風壓分布

由表2中數據顯示，隨著建筑物高度的增加，風壓增大明顯。

根據我國氣象站實測，氣溫在垂直高度存在分布差異，表現為高層溫降，高度每提升100 m，氣溫存在一定程度的下降，即氣溫直減率[4]。對冬季負荷而言，氣溫直減率為不利因素。由于氣溫差異，加之冬季室內溫度高于室外，存在空氣容重差，引起建筑物下部滲入冷空氣，室內空氣由上部排出，如圖1所示。圖1中的中和面是指建筑內外的壓力相等的水平面，為便于計算，中和面取為建筑的中間位置，即50 m處。

熱壓計算式[1]如下：

ΔP=(hm-h)(r0-ri)

(6)

式中:ΔP——熱壓值，Pa；

hm——中和面高度，m；

r0——室外空氣容重，kg/m3；

ri——室內空氣容重，kg/m3；

h——計算建筑層離地面高度，m。

對于室內和室外空氣容重，可認為是定值，取采暖室外計算溫度t=-7 ℃，r0=1.317 kg/m3，室內溫度：20 ℃，ri=1.205 kg/m3，假設建筑高度為100 m，得出不同高度下熱壓的變化值，如表3所示。

表3 冬季工況不同高度熱壓分布

表3及上述分析表明，由于空氣直減率以及室內外空氣容重差的綜合作用，導致高層建筑不同高度下的壓力分布差異，進而影響負荷計算。

實際的冷風滲透現象，是風壓和熱壓共同作用相互疊加的結果。其中，風壓與主導風向有關，即與門窗的朝向有關；而熱壓僅與高度位置有關。

在中和面以下對于迎風面風壓與熱壓相加，壓差增大，冷風滲透量增多，造成中和面上升，滲入空氣的樓層數增加。相反，背風側的房間，室外風壓為負值，使中和面下降，滲出空氣的樓層數增加。

中和面以上迎風面風壓熱壓相反，要相互抵消其部分作用，而背風面風壓熱壓方向相同，向外滲出空氣增加，因此對建筑整體熱負荷計算的影響可抵消。

然而，雖然熱壓作用相對穩定，但由于風向等因氣候變化造成的不確定因素，使得在高層建筑實際工程熱負荷計算中，對于中和面以上冬季主導風向迎風面房間，應認為風壓熱壓不能完全抵消，應該計算一部分冷風滲透量，根據具體情況考慮修正，而背風側則不應再考慮滲透風量對熱負荷的影響。

此外，高層建筑中非采暖樓梯間及封閉陽臺的設置會對建筑負荷計算產生較大影響，因此在實際工程中有必要對其帶來的溫差變化進行修正，相關文獻已有詳細論述[6]，筆者不再贅述。

4 結論

本文結合現行規范以及工程實際，對高層建筑熱負荷計算的影響因素進行了分析與探討，重點分析了風力、冷風滲透對高層建筑熱負荷的影響，以期對后續高層建筑熱負荷計算的準確性提供幫助。具體結論如下：

1)高層建筑中，隨高度增加，室外垂直高度氣象參數的差異化分布通過影響圍護結構傳熱系數進而改變房間負荷。風壓、熱壓在垂直高度上的差異對熱負荷計算產生較大影響。同時作用機制受建筑具體結構影響。在具體分析過程中，需考慮建筑迎、背風面，以及氣象條件等多個因素。

2)在對熱負荷計算進行修正的過程中，因高度差異造成的圍護結構換熱系數的差異較小，加之現行規范已做出較具體的規定，因此可不考慮其對高層建筑熱負荷計算的影響。