超高層建筑煙囪效應問題以及防治措施探討

王 葵

(華南理工大學，廣東 廣州 510641)

超高層建筑煙囪效應問題以及防治措施探討

王 葵

(華南理工大學，廣東 廣州 510641)

介紹了高層建筑煙囪效應的形成機理，利用CONTAMW軟件，對某建筑進行了冬季工況煙囪效應模擬分析，探討了煙囪效應熱壓差系數及通高電梯的壓差分布特性，且通過計算分析，提出了煙囪效應的防治措施，保證高層建筑內部電梯正常使用。

高層建筑，CONTAMW，數值模擬，熱壓差系數

近年來，隨著中國經濟的快速發展，各個地區的超高層建筑也越來越多，超高層建筑作為城市的地標性建筑代表著城市的形象。據不完全統計僅廣州地區，超過100 m的超高層建筑達到350多座。

超高層建筑也隨之帶來諸多安全問題，特別是北方地區寒冷的冬季，室內外溫差較大，超高層建筑內部的電梯常常會出現嘯叫和電梯門難以開閉，以及能耗增多等問題。相對于超高層建筑結構安全性問題，超高層建筑的煙囪效應沒有得到足夠的重視，往往在問題出現后造成不必要的經濟損失。

本文通過對煙囪效應形成機理的研究，利用多區域網絡模型軟件CONTAMW對不同地區高層建筑的煙囪效應問題進行分析，說明高層建筑的煙囪效應問題不容忽視，并提出相關解決措施。

1 煙囪效應的形成機理

在冬季，室外溫度低于室內，室外密度較大的空氣由較低的樓層建筑表面進入室內，然后通過豎井通道向上流動，最后從較高樓層流出建筑，這樣的形成原理類似于煙囪內部的氣流運動規律，因而被稱為煙囪效應。超高層建筑樓層較高，其內部的煙囪效應問題相對于普通建筑而言更加明顯；在夏季，室外溫度高于室內，空氣會從較高的樓層進入室內，然后通過豎井向下流動，最后從較低的樓層流出建筑，這稱為逆煙囪效應。

其原理可由式(1)描述，由式(1)可以看出，煙囪效應的壓差主要是由溫差引起，同時室內外壓差的大小還與建筑高度有關。

(1)

其中，ρo為室外空氣密度，kg/m2；Ti為室內溫度，K；To為室外溫度，K；HNPL為建筑中性面位置。

就高層建筑而言，除了外部環境因素影響煙囪效應，建筑內部結構也對煙囪效應具有重要作用，在冬季工況下，外部冷空氣進入室內的過程中，建筑內部的沿途阻隔會分擔由煙囪效應產生的總壓差。不同的超高層建筑內部隔斷不同，熱壓差系數會有很大的差異。2007年韓國學者Jae Hun jo,Jae-Han Jim,Seung-Yeong Song,Kwang-Woo Kim研究了高層住宅建筑中由于煙囪效應引起的壓差分布特征以及在寒冷季節引發的煙囪效應問題合理的解決方法[1]。通過數值模擬和實測研究，TDC(Thermal Draft Coefficients)熱壓系數變化范圍約為0.20～0.49。這些數值表明壓差分布主要受到內部阻隔的影響而不是外墻，因而較大壓差分布問題主要產生于建筑內部。在電梯井和居住區域安裝隔離門是一種良好的解決壓差分布問題的方法。

2 煙囪效應熱壓差系數分析

本文通過對深圳地區某高層建筑進行冬季工況煙囪效應模擬分析，建筑高度340 m,地上共77層。

Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim等人根據Tamura和Wilson對于TDC(熱壓差系數)研究的基礎上[3，4]，對韓國地區三棟不同豎井形式的高層建筑進行實測和數值模擬研究，發現熱壓差系數在0.20～0.49之間波動。熱壓差系數是高層建筑煙囪效應研究構件壓差分布規律很重要的一個表征參數。

熱壓差系數:

(2)

式(2)是根據Tamura闡述得到，而Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim等人在此基礎上通過分析，發現僅通過頂層和底層的幕墻壓差、豎井壓差和隔斷壓差來表征整個建筑內部隔斷承受熱壓差特性并不合適，需要對每一層建筑的壓差進行分析，得到每一層的熱壓差系數更加準確。

(3)

Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim以及Tamura和Wilson研究的建筑內部梯井分布相對簡單，每個樓層只有一個梯井進行空氣滲透，而該建筑內部梯井樓梯井分布復雜，隔斷也相較于前者更加復雜，熱壓差系數的公式應該略有不同。

本文先對幾個典型的梯井進行熱壓差計算，探索復雜梯井分布下的超高層煙囪效應壓差分布特性。

圖1顯示，僅僅考慮HS電梯時，計算所得熱壓差系數均值為0.44，在和Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim通過實測所得熱壓差系數變化范圍0.20～0.49之間，目前關于熱壓差系數沒有一個較好的定義。

目前超高層建筑內部梯井分布更加復雜，煙囪效應的壓差分布規律也復雜多變，對于隔斷分布較為敏感，因而對于這樣復雜的建筑建立一個較為合理的熱壓差計算公式也是很有必要的。

圖2顯示建筑內部復雜梯井分布時給出各梯井的數值模擬絕對壓力值和室內外絕對壓力值，試圖尋找合適的計算熱壓差系數方法。

3 煙囪效應壓差分布特性分析

本文通過熱壓差系數的研究，發現熱壓差系數為0.44，小于0.5，說明煙囪效應發生時，建筑的熱壓差主要由建筑內部阻隔分擔，因而需對建筑內部的氣流路徑阻隔進行壓差分布特性研究，并找到緩解由于煙囪效應產生的一系列問題的方法。

圖3，圖4是通過CONTAMW對該建筑一通高電梯的壓差以及流量進行模擬分析的結果圖。

冬季工況下分析，通高電梯最大壓差出現在71層，壓差為-21.43 Pa，并未超過影響電梯門正常開啟的壓差閥值25 Pa。最大流量值130.4 L/s，第二大的流量也達到了110 L/s。均超過了電梯門可能產生嘯叫流量閥值110 L/s。這就需要引起設計人員的注意，采取相應的措施減緩。

4 防治措施

1)通過熱壓差系數的研究發現，高層建筑的煙囪效應主要是由建筑外表面的圍護結構承擔，在考慮緩解煙囪效應措施時，可以從幕墻以及外層大門出發，提高幕墻的密封性，在首層增加旋轉門等等。

2)此外底部大堂和地下停車場開口較大，常常會與外界進行直接的空氣交換，在寒冷的冬季，特別是底部大堂和地下車庫很容易吸入較多的外部空氣，因而可以考慮在地下停車場適當排風，減少空氣滲入，從而緩解煙囪效應。

3)通常情況下并不是所有的電梯入口都會出現較大壓差，較大的壓差往往會出現在離中性面較遠的地方，當某一層電梯門壓差較大時，可以通過增設阻隔或前室門也能夠有效的緩解壓差過大這樣的煙囪效應問題。

5 結語

本文從高層建筑煙囪效應問題的普遍性出發，闡述了高層建筑煙囪效應可能引發的問題，介紹了煙囪效應的形成機理，以深圳地區某超高層建筑為背景，研究了建筑的熱壓差系數，簡要分析建筑內部一部通高電梯的壓差分布特性和流量分布特性，最后提出了幾點防治措施。在綠色建筑領域，煙囪效應逐漸成為了高層建筑不可忽視的一個重要課題，國外很早就對煙囪效應問題展開了研究，目前國內的研究還尚不成熟，關于煙囪效應的實際應用還有一定的距離。充分了解煙囪效應的形成機理，掌握建筑內部壓差分布特性和流量特性，并提出有效的緩解措施對建筑節能及對建筑正常使用具有重要意義。

[1] 孫一堅，沈恒根.工業通風[M].北京：中國建筑工業出版社,1985:209-301.

[2] 張建濤，王丁丁.當代建筑運用“煙囪效應”原理的設計表達[J].鄭州大學學報,2007,28(2):125-128.

[3] Tamura,G.T,A.G.Wilson.Pressure differences caused by chimney effect in three high buildings[J].ASHRAE Transactions,1967,73(2):101-102.

[4] 陳玖玖，張 杰.超高層建筑中煙囪效應問題研究及防治措施[J].暖通空調HV&AC，2009(39):524-527.

[5] 李國志.超高層建筑冬季煙囪效應的模擬分析[D].西安：長安大學，2013.

[6] 賽 娜.超高層建筑在煙囪效應作用下的壓差分布特性研究[D].天津：天津商業大學，2012.

[7] Jae Hun jo.Characteristics of pressure distribution and solution to the problems caused by stack effect in high-rise residential buildings[J].Building and Environment，2005(4):80-81.

[8] Jae Hun jo,Jae-Han Jim,Seung-Yeong Song,etc..Simplified Prediction Method of Stack-Induced Pressure Distribution in High-rise Residential Buildings[J].Journal of asian architecture and building engineering，2009(5):136-137.

Research and prevention measures of stack effect in super high rise building

Wang Kui

(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

The paper introduces the forming mechanism of high-rise building chimney effect, uses CONTAMW software, carries out simulation analysis of chimney effect under winter construction condition, explores heat-pressing difference coefficient of chimney effect and pressing difference distribution property of Tonggao elevator, and finally puts forward effective preventive measures of chimney effect, so as to guarantee normal operation of internal high-rise building elevator.

high-rise building, CONTAMW, numerical simulation, heat-pressing difference coefficient

1009-6825(2017)02-0130-02

2016-11-05

王 葵(1991- )，男，在讀碩士

TU233

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