高層建筑熱負(fù)荷計(jì)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(yè)工程有限公司，天津 300013；2.天津市建筑設(shè)計(jì)院，天津 300074； 3.天津市房屋鑒定設(shè)計(jì)院，天津 300072)

1 概述

在節(jié)約型社會(huì)的背景下，對(duì)住宅建筑熱負(fù)荷的合理及相對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算，不僅可以滿足用戶的需要，而且可以減少投資，對(duì)于建筑節(jié)能具有顯著意義。

GB 50016—2014建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2018年版)的2.1.1條規(guī)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(jìn)一步在5.1.1條中，對(duì)民用建筑的分類進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。不同于其他建筑形式，高層建筑的熱負(fù)荷計(jì)算更加復(fù)雜，影響因素也比一般建筑要多。考慮到高層建筑外部環(huán)境參數(shù)在垂直方向的差異化分布，在進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算時(shí)，需要綜合考慮朝向、風(fēng)力、高度、門窗縫隙向室內(nèi)滲入冷空氣等參數(shù)變化對(duì)建筑熱負(fù)荷的影響。本文重點(diǎn)分析風(fēng)力、門窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣對(duì)高層建筑熱負(fù)荷的影響。

2 風(fēng)力影響

室外風(fēng)速對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有明顯影響，進(jìn)而影響熱負(fù)荷計(jì)算。目前相關(guān)規(guī)范給出的冬季室外平均風(fēng)速是以地面以上10 m作為基準(zhǔn)高度[1]，10 m以上高度h處的風(fēng)速計(jì)算見式(1)：

(1)

其中，Vh為高度h處的風(fēng)速，m/s；V0為高度h0處的風(fēng)速，m/s，建筑所在地區(qū)的氣象監(jiān)測(cè)值；h為需要計(jì)算的實(shí)際高度，在取值上大于10 m；h0為基準(zhǔn)高度，一般為10 m；α為冪指數(shù)，與溫度的垂直梯度和地面粗糙度有關(guān)的實(shí)驗(yàn)值,見表1。

表1 不同地區(qū)環(huán)境的風(fēng)速計(jì)算冪指數(shù)α經(jīng)驗(yàn)數(shù)值[2]

對(duì)于高層建筑，室外風(fēng)速的增加導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外表面對(duì)流換熱系數(shù)的增大，從而造成傳熱系數(shù)K的增大。根據(jù)GB 50736—2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]第5.1.8條圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K的計(jì)算式：

(2)

式中：K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

an——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，取8.7 W/(m2·K)；

δ——圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料厚度，m；

aλ——材料導(dǎo)熱系數(shù)的修正因數(shù)；

λ——圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

Rk——封閉空氣間層的熱阻，m2·K/W；

aw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

筆者通過實(shí)際計(jì)算，分析了風(fēng)力對(duì)外墻傳熱系數(shù)的影響：依據(jù)天津地區(qū)室外氣象條件，分別取10 m和100 m高處的外表面對(duì)流換熱系數(shù)為23 W/(m2·K)和35 W/(m2·K)[4]。室外風(fēng)速隨著建筑高度增加而增大，同時(shí)隨著建筑高度的升高，建筑周圍漩渦氣流加大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系統(tǒng)在冬季達(dá)到了35 W/(m2·K)，《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第2版)表2-8也印證了圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面換熱系數(shù)隨高度的變化。

根據(jù)JGJ 26—2018嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)寒冷地區(qū)最小傳熱系數(shù)的規(guī)定，當(dāng)取外墻熱阻為2.22 m2·K/W時(shí)，外墻傳熱系數(shù)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(shù)值可知，100 m處墻體的傳熱系數(shù)僅比10 m處增加1%，二者差別很小。因此，在設(shè)計(jì)過程中可以不考慮墻體的傳熱系數(shù)隨高度的變化。

對(duì)于外窗傳熱系數(shù)隨高度的變化，《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表4.1-4[5]中數(shù)據(jù)顯示：在室外風(fēng)速為3 m/s時(shí)，10.5 m高處的傳熱系數(shù)為K=3.3 W/(m2·K)，在58.5 m高處，風(fēng)速為6 m/s時(shí)，傳熱系數(shù)為K=3.5 W/(m2·K)，僅增加了6.1%。因此對(duì)于高層建筑中外窗的傳熱系數(shù)隨高度的變化亦可以不考慮。

3 冷風(fēng)滲透影響

風(fēng)速在不同高度的分布差異通過下式影響高層建筑風(fēng)壓：

(5)

式中：V——風(fēng)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(fēng)壓，Pa。

根據(jù)相關(guān)資料，由地面起，每升高150 m，溫度升高1 ℃，所以在計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為r為常數(shù)。以冬季工況為例，取采暖室外計(jì)算溫度t=-7 ℃，r=1.317 kg/m3，冬季室外平均風(fēng)速：2.5 m/s，得出不同高度下，風(fēng)速風(fēng)壓的變化值，見表2。

表2 冬季工況下不同高度的風(fēng)速、風(fēng)壓分布

由表2中數(shù)據(jù)顯示，隨著建筑物高度的增加，風(fēng)壓增大明顯。

根據(jù)我國氣象站實(shí)測(cè)，氣溫在垂直高度存在分布差異，表現(xiàn)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(duì)冬季負(fù)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(nèi)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(nèi)空氣由上部排出，如圖1所示。圖1中的中和面是指建筑內(nèi)外的壓力相等的水平面，為便于計(jì)算，中和面取為建筑的中間位置，即50 m處。

熱壓計(jì)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(nèi)空氣容重，kg/m3；

h——計(jì)算建筑層離地面高度，m。

對(duì)于室內(nèi)和室外空氣容重，可認(rèn)為是定值，取采暖室外計(jì)算溫度t=-7 ℃，r0=1.317 kg/m3，室內(nèi)溫度：20 ℃，ri=1.205 kg/m3，假設(shè)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(nèi)外空氣容重差的綜合作用，導(dǎo)致高層建筑不同高度下的壓力分布差異，進(jìn)而影響負(fù)荷計(jì)算。

實(shí)際的冷風(fēng)滲透現(xiàn)象，是風(fēng)壓和熱壓共同作用相互疊加的結(jié)果。其中，風(fēng)壓與主導(dǎo)風(fēng)向有關(guān)，即與門窗的朝向有關(guān)；而熱壓僅與高度位置有關(guān)。

在中和面以下對(duì)于迎風(fēng)面風(fēng)壓與熱壓相加，壓差增大，冷風(fēng)滲透量增多，造成中和面上升，滲入空氣的樓層數(shù)增加。相反，背風(fēng)側(cè)的房間，室外風(fēng)壓為負(fù)值，使中和面下降，滲出空氣的樓層數(shù)增加。

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

然而，雖然熱壓作用相對(duì)穩(wěn)定，但由于風(fēng)向等因氣候變化造成的不確定因素，使得在高層建筑實(shí)際工程熱負(fù)荷計(jì)算中，對(duì)于中和面以上冬季主導(dǎo)風(fēng)向迎風(fēng)面房間，應(yīng)認(rèn)為風(fēng)壓熱壓不能完全抵消，應(yīng)該計(jì)算一部分冷風(fēng)滲透量，根據(jù)具體情況考慮修正，而背風(fēng)側(cè)則不應(yīng)再考慮滲透風(fēng)量對(duì)熱負(fù)荷的影響。

此外，高層建筑中非采暖樓梯間及封閉陽臺(tái)的設(shè)置會(huì)對(duì)建筑負(fù)荷計(jì)算產(chǎn)生較大影響，因此在實(shí)際工程中有必要對(duì)其帶來的溫差變化進(jìn)行修正，相關(guān)文獻(xiàn)已有詳細(xì)論述[6]，筆者不再贅述。

4 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范以及工程實(shí)際，對(duì)高層建筑熱負(fù)荷計(jì)算的影響因素進(jìn)行了分析與探討，重點(diǎn)分析了風(fēng)力、冷風(fēng)滲透對(duì)高層建筑熱負(fù)荷的影響，以期對(duì)后續(xù)高層建筑熱負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確性提供幫助。具體結(jié)論如下：

1)高層建筑中，隨高度增加，室外垂直高度氣象參數(shù)的差異化分布通過影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)進(jìn)而改變房間負(fù)荷。風(fēng)壓、熱壓在垂直高度上的差異對(duì)熱負(fù)荷計(jì)算產(chǎn)生較大影響。同時(shí)作用機(jī)制受建筑具體結(jié)構(gòu)影響。在具體分析過程中，需考慮建筑迎、背風(fēng)面，以及氣象條件等多個(gè)因素。

2)在對(duì)熱負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行修正的過程中，因高度差異造成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)的差異較小，加之現(xiàn)行規(guī)范已做出較具體的規(guī)定，因此可不考慮其對(duì)高層建筑熱負(fù)荷計(jì)算的影響。