超高层建筑烟囱效应问题以及防治措施探讨

王 葵

(华南理工大学，广东 广州 510641)

超高层建筑烟囱效应问题以及防治措施探讨

王 葵

(华南理工大学，广东 广州 510641)

介绍了高层建筑烟囱效应的形成机理，利用CONTAMW软件，对某建筑进行了冬季工况烟囱效应模拟分析，探讨了烟囱效应热压差系数及通高电梯的压差分布特性，且通过计算分析，提出了烟囱效应的防治措施，保证高层建筑内部电梯正常使用。

高层建筑，CONTAMW，数值模拟，热压差系数

近年来，随着中国经济的快速发展，各个地区的超高层建筑也越来越多，超高层建筑作为城市的地标性建筑代表着城市的形象。据不完全统计仅广州地区，超过100 m的超高层建筑达到350多座。

超高层建筑也随之带来诸多安全问题，特别是北方地区寒冷的冬季，室内外温差较大，超高层建筑内部的电梯常常会出现啸叫和电梯门难以开闭，以及能耗增多等问题。相对于超高层建筑结构安全性问题，超高层建筑的烟囱效应没有得到足够的重视，往往在问题出现后造成不必要的经济损失。

本文通过对烟囱效应形成机理的研究，利用多区域网络模型软件CONTAMW对不同地区高层建筑的烟囱效应问题进行分析，说明高层建筑的烟囱效应问题不容忽视，并提出相关解决措施。

1 烟囱效应的形成机理

在冬季，室外温度低于室内，室外密度较大的空气由较低的楼层建筑表面进入室内，然后通过竖井通道向上流动，最后从较高楼层流出建筑，这样的形成原理类似于烟囱内部的气流运动规律，因而被称为烟囱效应。超高层建筑楼层较高，其内部的烟囱效应问题相对于普通建筑而言更加明显；在夏季，室外温度高于室内，空气会从较高的楼层进入室内，然后通过竖井向下流动，最后从较低的楼层流出建筑，这称为逆烟囱效应。

其原理可由式(1)描述，由式(1)可以看出，烟囱效应的压差主要是由温差引起，同时室内外压差的大小还与建筑高度有关。

(1)

其中，ρo为室外空气密度，kg/m2；Ti为室内温度，K；To为室外温度，K；HNPL为建筑中性面位置。

就高层建筑而言，除了外部环境因素影响烟囱效应，建筑内部结构也对烟囱效应具有重要作用，在冬季工况下，外部冷空气进入室内的过程中，建筑内部的沿途阻隔会分担由烟囱效应产生的总压差。不同的超高层建筑内部隔断不同，热压差系数会有很大的差异。2007年韩国学者Jae Hun jo,Jae-Han Jim,Seung-Yeong Song,Kwang-Woo Kim研究了高层住宅建筑中由于烟囱效应引起的压差分布特征以及在寒冷季节引发的烟囱效应问题合理的解决方法[1]。通过数值模拟和实测研究，TDC(Thermal Draft Coefficients)热压系数变化范围约为0.20～0.49。这些数值表明压差分布主要受到内部阻隔的影响而不是外墙，因而较大压差分布问题主要产生于建筑内部。在电梯井和居住区域安装隔离门是一种良好的解决压差分布问题的方法。

2 烟囱效应热压差系数分析

本文通过对深圳地区某高层建筑进行冬季工况烟囱效应模拟分析，建筑高度340 m,地上共77层。

Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim等人根据Tamura和Wilson对于TDC(热压差系数)研究的基础上[3，4]，对韩国地区三栋不同竖井形式的高层建筑进行实测和数值模拟研究，发现热压差系数在0.20～0.49之间波动。热压差系数是高层建筑烟囱效应研究构件压差分布规律很重要的一个表征参数。

热压差系数:

(2)

式(2)是根据Tamura阐述得到，而Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim等人在此基础上通过分析，发现仅通过顶层和底层的幕墙压差、竖井压差和隔断压差来表征整个建筑内部隔断承受热压差特性并不合适，需要对每一层建筑的压差进行分析，得到每一层的热压差系数更加准确。

(3)

Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim以及Tamura和Wilson研究的建筑内部梯井分布相对简单，每个楼层只有一个梯井进行空气渗透，而该建筑内部梯井楼梯井分布复杂，隔断也相较于前者更加复杂，热压差系数的公式应该略有不同。

本文先对几个典型的梯井进行热压差计算，探索复杂梯井分布下的超高层烟囱效应压差分布特性。

图1显示，仅仅考虑HS电梯时，计算所得热压差系数均值为0.44，在和Jae-Hun Jo,Jae-Han Lim通过实测所得热压差系数变化范围0.20～0.49之间，目前关于热压差系数没有一个较好的定义。

目前超高层建筑内部梯井分布更加复杂，烟囱效应的压差分布规律也复杂多变，对于隔断分布较为敏感，因而对于这样复杂的建筑建立一个较为合理的热压差计算公式也是很有必要的。

图2显示建筑内部复杂梯井分布时给出各梯井的数值模拟绝对压力值和室内外绝对压力值，试图寻找合适的计算热压差系数方法。

3 烟囱效应压差分布特性分析

本文通过热压差系数的研究，发现热压差系数为0.44，小于0.5，说明烟囱效应发生时，建筑的热压差主要由建筑内部阻隔分担，因而需对建筑内部的气流路径阻隔进行压差分布特性研究，并找到缓解由于烟囱效应产生的一系列问题的方法。

图3，图4是通过CONTAMW对该建筑一通高电梯的压差以及流量进行模拟分析的结果图。

冬季工况下分析，通高电梯最大压差出现在71层，压差为-21.43 Pa，并未超过影响电梯门正常开启的压差阀值25 Pa。最大流量值130.4 L/s，第二大的流量也达到了110 L/s。均超过了电梯门可能产生啸叫流量阀值110 L/s。这就需要引起设计人员的注意，采取相应的措施减缓。

4 防治措施

1)通过热压差系数的研究发现，高层建筑的烟囱效应主要是由建筑外表面的围护结构承担，在考虑缓解烟囱效应措施时，可以从幕墙以及外层大门出发，提高幕墙的密封性，在首层增加旋转门等等。

2)此外底部大堂和地下停车场开口较大，常常会与外界进行直接的空气交换，在寒冷的冬季，特别是底部大堂和地下车库很容易吸入较多的外部空气，因而可以考虑在地下停车场适当排风，减少空气渗入，从而缓解烟囱效应。

3)通常情况下并不是所有的电梯入口都会出现较大压差，较大的压差往往会出现在离中性面较远的地方，当某一层电梯门压差较大时，可以通过增设阻隔或前室门也能够有效的缓解压差过大这样的烟囱效应问题。

5 结语

本文从高层建筑烟囱效应问题的普遍性出发，阐述了高层建筑烟囱效应可能引发的问题，介绍了烟囱效应的形成机理，以深圳地区某超高层建筑为背景，研究了建筑的热压差系数，简要分析建筑内部一部通高电梯的压差分布特性和流量分布特性，最后提出了几点防治措施。在绿色建筑领域，烟囱效应逐渐成为了高层建筑不可忽视的一个重要课题，国外很早就对烟囱效应问题展开了研究，目前国内的研究还尚不成熟，关于烟囱效应的实际应用还有一定的距离。充分了解烟囱效应的形成机理，掌握建筑内部压差分布特性和流量特性，并提出有效的缓解措施对建筑节能及对建筑正常使用具有重要意义。

[1] 孙一坚，沈恒根.工业通风[M].北京：中国建筑工业出版社,1985:209-301.

[2] 张建涛，王丁丁.当代建筑运用“烟囱效应”原理的设计表达[J].郑州大学学报,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] 陈玖玖，张 杰.超高层建筑中烟囱效应问题研究及防治措施[J].暖通空调HV&AC，2009(39):524-527.

[5] 李国志.超高层建筑冬季烟囱效应的模拟分析[D].西安：长安大学，2013.

[6] 赛 娜.超高层建筑在烟囱效应作用下的压差分布特性研究[D].天津：天津商业大学，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，在读硕士

TU233

A