超高層建筑煙囪效應(yīng)問題以及防治措施探討

王 葵

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

超高層建筑煙囪效應(yīng)問題以及防治措施探討

王 葵

(華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641)

介紹了高層建筑煙囪效應(yīng)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(yīng)模擬分析，探討了煙囪效應(yīng)熱壓差系數(shù)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(yīng)的防治措施，保證高層建筑內(nèi)部電梯正常使用。

高層建筑，CONTAMW，數(shù)值模擬，熱壓差系數(shù)

近年來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各個地區(qū)的超高層建筑也越來越多，超高層建筑作為城市的地標(biāo)性建筑代表著城市的形象。據(jù)不完全統(tǒng)計僅廣州地區(qū)，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(qū)寒冷的冬季，室內(nèi)外溫差較大，超高層建筑內(nèi)部的電梯常常會出現(xiàn)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(jié)構(gòu)安全性問題，超高層建筑的煙囪效應(yīng)沒有得到足夠的重視，往往在問題出現(xiàn)后造成不必要的經(jīng)濟損失。

本文通過對煙囪效應(yīng)形成機理的研究，利用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型軟件CONTAMW對不同地區(qū)高層建筑的煙囪效應(yīng)問題進行分析，說明高層建筑的煙囪效應(yīng)問題不容忽視，并提出相關(guān)解決措施。

1 煙囪效應(yīng)的形成機理

在冬季，室外溫度低于室內(nèi)，室外密度較大的空氣由較低的樓層建筑表面進入室內(nèi)，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(nèi)部的氣流運動規(guī)律，因而被稱為煙囪效應(yīng)。超高層建筑樓層較高，其內(nèi)部的煙囪效應(yīng)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(nèi)，空氣會從較高的樓層進入室內(nèi)，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(yīng)。

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

(1)

其中，ρo為室外空氣密度，kg/m2；Ti為室內(nèi)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(huán)境因素影響煙囪效應(yīng)，建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)也對煙囪效應(yīng)具有重要作用，在冬季工況下，外部冷空氣進入室內(nèi)的過程中，建筑內(nèi)部的沿途阻隔會分擔(dān)由煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的總壓差。不同的超高層建筑內(nèi)部隔斷不同，熱壓差系數(shù)會有很大的差異。2007年韓國學(xué)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(yīng)引起的壓差分布特征以及在寒冷季節(jié)引發(fā)的煙囪效應(yīng)問題合理的解決方法[1]。通過數(shù)值模擬和實測研究，TDC(Thermal Draft Coefficients)熱壓系數(shù)變化范圍約為0.20～0.49。這些數(shù)值表明壓差分布主要受到內(nèi)部阻隔的影響而不是外墻，因而較大壓差分布問題主要產(chǎn)生于建筑內(nèi)部。在電梯井和居住區(qū)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(yīng)熱壓差系數(shù)分析

本文通過對深圳地區(qū)某高層建筑進行冬季工況煙囪效應(yīng)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(jù)Tamura和Wilson對于TDC(熱壓差系數(shù))研究的基礎(chǔ)上[3，4]，對韓國地區(qū)三棟不同豎井形式的高層建筑進行實測和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)熱壓差系數(shù)在0.20～0.49之間波動。熱壓差系數(shù)是高層建筑煙囪效應(yīng)研究構(gòu)件壓差分布規(guī)律很重要的一個表征參數(shù)。

熱壓差系數(shù):

(2)

式(2)是根據(jù)Tamura闡述得到，而Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim等人在此基礎(chǔ)上通過分析，發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(shù)更加準(zhǔn)確。

(3)

Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim以及Tamura和Wilson研究的建筑內(nèi)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(nèi)部梯井樓梯井分布復(fù)雜，隔斷也相較于前者更加復(fù)雜，熱壓差系數(shù)的公式應(yīng)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(fù)雜梯井分布下的超高層煙囪效應(yīng)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(shù)均值為0.44，在和Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim通過實測所得熱壓差系數(shù)變化范圍0.20～0.49之間，目前關(guān)于熱壓差系數(shù)沒有一個較好的定義。

目前超高層建筑內(nèi)部梯井分布更加復(fù)雜，煙囪效應(yīng)的壓差分布規(guī)律也復(fù)雜多變，對于隔斷分布較為敏感，因而對于這樣復(fù)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(nèi)部復(fù)雜梯井分布時給出各梯井的數(shù)值模擬絕對壓力值和室內(nèi)外絕對壓力值，試圖尋找合適的計算熱壓差系數(shù)方法。

3 煙囪效應(yīng)壓差分布特性分析

本文通過熱壓差系數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)熱壓差系數(shù)為0.44，小于0.5，說明煙囪效應(yīng)發(fā)生時，建筑的熱壓差主要由建筑內(nèi)部阻隔分擔(dān)，因而需對建筑內(nèi)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(yīng)產(chǎn)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(jié)果圖。

冬季工況下分析，通高電梯最大壓差出現(xiàn)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(chǎn)生嘯叫流量閥值110 L/s。這就需要引起設(shè)計人員的注意，采取相應(yīng)的措施減緩。

4 防治措施

1)通過熱壓差系數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，高層建筑的煙囪效應(yīng)主要是由建筑外表面的圍護結(jié)構(gòu)承擔(dān)，在考慮緩解煙囪效應(yīng)措施時，可以從幕墻以及外層大門出發(fā)，提高幕墻的密封性，在首層增加旋轉(zhuǎn)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(dāng)排風(fēng)，減少空氣滲入，從而緩解煙囪效應(yīng)。

3)通常情況下并不是所有的電梯入口都會出現(xiàn)較大壓差，較大的壓差往往會出現(xiàn)在離中性面較遠的地方，當(dāng)某一層電梯門壓差較大時，可以通過增設(shè)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(yīng)問題。

5 結(jié)語

本文從高層建筑煙囪效應(yīng)問題的普遍性出發(fā)，闡述了高層建筑煙囪效應(yīng)可能引發(fā)的問題，介紹了煙囪效應(yīng)的形成機理，以深圳地區(qū)某超高層建筑為背景，研究了建筑的熱壓差系數(shù)，簡要分析建筑內(nèi)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(lǐng)域，煙囪效應(yīng)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(yīng)問題展開了研究，目前國內(nèi)的研究還尚不成熟，關(guān)于煙囪效應(yīng)的實際應(yīng)用還有一定的距離。充分了解煙囪效應(yīng)的形成機理，掌握建筑內(nèi)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(jié)能及對建筑正常使用具有重要意義。

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

[2] 張建濤，王丁丁.當(dāng)代建筑運用“煙囪效應(yīng)”原理的設(shè)計表達[J].鄭州大學(xué)學(xué)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(yīng)問題研究及防治措施[J].暖通空調(diào)HV&AC，2009(39):524-527.

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

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

A