裴智超 李娜 曾宇

中國(guó)建筑科學(xué)研究院

0 引言

近年來(lái)，國(guó)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(shí)也存在一定的安全問(wèn)題和節(jié)能問(wèn)題，包括消防問(wèn)題、空調(diào)水系統(tǒng)豎向分區(qū)問(wèn)題、煙囪效應(yīng)對(duì)電梯運(yùn)行的影響等。隨著我國(guó)超高層建筑的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)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(jìn)展。目前，對(duì)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(chǎng)測(cè)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(huì)帶來(lái)很多安全問(wèn)題，如樓梯間門(mén)、前室門(mén)、電梯門(mén)不能正常開(kāi)關(guān)，起火時(shí)會(huì)加速火勢(shì)在建筑內(nèi)的擴(kuò)散，加壓系統(tǒng)不能正常運(yùn)行等[2]。因此，對(duì)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(yùn)行非常重要。

1 研究對(duì)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(duì)較高）由建筑下部進(jìn)入建筑，通過(guò)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(duì)較低）由建筑上部排出室外。

建筑熱壓可由公式（1）計(jì)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(jì)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(gè)重要因素是建筑存在空氣流進(jìn)（出）的開(kāi)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(qiáng)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(duì)象

超高層建筑的電梯必不可少，電梯門(mén)開(kāi)關(guān)的作用力在克服開(kāi)關(guān)阻力的同時(shí)，也要考慮避免夾傷人員，所以其關(guān)門(mén)作用力不能過(guò)大。電梯門(mén)開(kāi)關(guān)的阻力主要來(lái)自門(mén)與軌道之間的摩擦阻力，其大小主要與門(mén)與軌道間的摩擦系數(shù)和作用于門(mén)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(mén)內(nèi)外壓差，ASHRAE Research Project 661中提出，當(dāng)電梯門(mén)內(nèi)外壓差超過(guò)25Pa時(shí)，會(huì)影響電梯門(mén)正常開(kāi)閉，為保證電梯正常運(yùn)行，電梯門(mén)內(nèi)外壓差不應(yīng)超過(guò)25Pa[5]。本次對(duì)超高層建筑煙囪效應(yīng)的分析，主要考核對(duì)象選定為建筑電梯門(mén)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(yán)寒和寒冷地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)選取哈爾濱市，寒冷地區(qū)選取北京市。參考實(shí)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(duì)嚴(yán)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(jìn)行研究，采用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行分析，應(yīng)用 CONTAMW 軟件，CONTAMW軟件是基于多區(qū)域模型預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)的應(yīng)用軟件，該軟件計(jì)算結(jié)果的有效性得到了一些實(shí)例的驗(yàn)證。

2.1 外窗滲透邊界條件設(shè)定

本研究中對(duì)于建筑圍護(hù)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(biāo)準(zhǔn)是用外窗或外門(mén)兩側(cè)壓力差為10Pa時(shí)，單位縫長(zhǎng)單位時(shí)間的漏風(fēng)量q1（m3/(m·h)）或單位面積單位時(shí)間的漏風(fēng)量q2（m3/(m2·h)）表述的。本此研究參考《建筑物外門(mén)窗氣密性能標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)孔率，6級(jí)氣密性外窗的開(kāi)孔率為0.3%，5級(jí)氣密性的外窗開(kāi)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(shí)，室內(nèi)外溫差最大，所以本次研究分別選取嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的城市——嚴(yán)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(jìn)行分析，選取《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》中2個(gè)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(jì)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(jì)算溫、濕度

2.3 建筑高度設(shè)定

建筑高度對(duì)建筑熱壓的影響非常顯著，本研究針對(duì)超高層建筑經(jīng)常出現(xiàn)的煙囪效應(yīng)問(wèn)題，關(guān)注建筑高度對(duì)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(duì)不同建筑高度、不同開(kāi)孔率時(shí)的建筑內(nèi)電梯門(mén)內(nèi)外壓差進(jìn)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(mén)內(nèi)外壓差最大層，首層建筑內(nèi)為負(fù)壓，頂層建筑內(nèi)為正壓。不同建筑高度電梯門(mén)內(nèi)外壓差曲線如圖3、圖4所示。

圖3 哈爾濱市電梯門(mén)內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線（0.3%透過(guò)率）

圖4 北京市電梯門(mén)內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線（0.3%透過(guò)率）

2）在熱壓的作用下，建筑首層電梯門(mén)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(mén)內(nèi)外壓差增加趨勢(shì)減小。室內(nèi)外溫差越大時(shí)，電梯門(mén)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(mén)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(mén)內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線

3）在熱壓作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性影響建筑電梯門(mén)內(nèi)外壓差，圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性越差，電梯門(mén)內(nèi)外壓差越大，即圍護(hù)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(shí)，不同外窗開(kāi)孔率的首層電梯門(mén)內(nèi)外壓差曲線如圖6所示。

圖6 不同外窗開(kāi)孔率時(shí)首層電梯門(mén)內(nèi)外壓差隨建筑高度變化曲線

3.2 降低電梯門(mén)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(guò)率為0.5%時(shí)，其首層電梯門(mén)內(nèi)外壓差最大，達(dá)到了192.3 Pa。北京市300 m高建筑，當(dāng)外窗透過(guò)率為0.3%時(shí)，其首層電梯門(mén)內(nèi)外壓差最大，達(dá)到了99.8 Pa。以上情況均會(huì)影響電梯的正常安全運(yùn)行。為了保證電梯門(mén)內(nèi)外壓差在允許范圍內(nèi)，實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)常采取的措施一是提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性，二是在建筑外圍護(hù)和電梯門(mén)之間增加隔斷措施。

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

增加隔斷對(duì)首層電梯門(mén)內(nèi)外壓差的分析結(jié)果見(jiàn)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(shí)電梯表面壓差

表3 北京市建筑增加隔斷時(shí)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(mén)外，哈爾濱市建筑在外圍護(hù)和內(nèi)走道間增加5層隔斷，北京市建筑在外圍護(hù)和內(nèi)走道間增加4層隔斷時(shí)，可將首層電梯門(mén)內(nèi)外壓差降低到 25 Pa以?xún)?nèi)，保證電梯正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

建筑外窗或幕墻設(shè)置可開(kāi)啟部分，當(dāng)過(guò)渡季時(shí)可以利用其開(kāi)啟部分實(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)氣密性、室內(nèi)外溫差作用下，會(huì)產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，尤其在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性較差時(shí)，會(huì)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(hù)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(yùn)行，可采用在外門(mén)和電梯之間增加隔斷措施，保證電梯門(mén)內(nèi)外壓差滿(mǎn)足運(yùn)行要求。

目前，國(guó)內(nèi)超高層建筑的建設(shè)數(shù)量越來(lái)越多，實(shí)際項(xiàng)目中由于建筑煙囪效應(yīng)影響電梯運(yùn)行的問(wèn)題時(shí)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(shí)尚缺少實(shí)際項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)支撐，為了更好的解決煙囪效應(yīng)問(wèn)題保證建筑良好運(yùn)行，進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)合理論分析尤為重要。