烟囱效应对超高层建筑的影响与对策研究

裴智超 李娜 曾宇

中国建筑科学研究院

0 引言

近年来，国内超高层建筑不断涌现，超高层建筑在节约土地资源、提升城市形象等方面具有积极的作用，同时也存在一定的安全问题和节能问题，包括消防问题、空调水系统竖向分区问题、烟囱效应对电梯运行的影响等。随着我国超高层建筑的快速发展，国内对超高层建筑的自然通风、自然排烟、烟囱效应、建筑热压等研究工作取得了一定的进展。目前，对于超高层建筑自然通风和烟囱效应的研究，常用的手段是CFD模拟分析和现场测试等[1]。

在气候寒冷地区，冬季超高层建筑由热压产生的烟囱效应可能会带来很多安全问题，如楼梯间门、前室门、电梯门不能正常开关，起火时会加速火势在建筑内的扩散，加压系统不能正常运行等[2]。因此，对超高层建筑的热压、烟囱效应的影响分析，是保证超高层建筑正常、安全的运行非常重要。

1 研究对象

1.1 理论基础

“烟囱效应”是指由于建筑室内外空气密度差所产生的空气浮升作用。冬季室内温度高于室外温度，由于烟囱效应的作用，冷空气（密度相对较高）由建筑下部进入建筑，通过建筑物内上下贯穿的通道（如电梯井道、楼梯间、设备竖井、通风竖井等），逐渐变热后变成热空气（密度相对较低）由建筑上部排出室外。

建筑热压可由公式（1）计算[3]：

式中：Pr为理论热压，Pa；ρw为室外空气密度，kg/m；ρn为室内空气密度，kg/m；h为计算高度，m；hz为中和面高度，m；g为重力加速度，g=9.81m/s。

由式（1）可以看出，室内外温差越大、建筑高度越高，烟囱效应越明显。

此外，建筑热压形成烟囱效应的一个重要因素是建筑存在空气流进（出）的开口（缝隙），建筑如果完全密闭，那么也就不存在烟囱效应。增强建筑外墙气密性能够缓解超高层建筑的烟囱效应[4]。

1.2 研究对象

超高层建筑的电梯必不可少，电梯门开关的作用力在克服开关阻力的同时，也要考虑避免夹伤人员，所以其关门作用力不能过大。电梯门开关的阻力主要来自门与轨道之间的摩擦阻力，其大小主要与门与轨道间的摩擦系数和作用于门上的垂直作用力大小有关，而垂直作用力大小主要取决于电梯门内外压差，ASHRAE Research Project 661中提出，当电梯门内外压差超过25Pa时，会影响电梯门正常开闭，为保证电梯正常运行，电梯门内外压差不应超过25Pa[5]。本次对超高层建筑烟囱效应的分析，主要考核对象选定为建筑电梯门内外压差。

本次分析研究的气候区域选取烟囱效应比较显著的严寒和寒冷地区，严寒地区选取哈尔滨市，寒冷地区选取北京市。参考实际建筑情况，研究的建筑假定单层平面尺寸为80m×80m，建筑核心筒位于建筑中央，核心筒尺寸为40m×40m，核心筒周边设有内走道，其宽度为2m，核心筒内电梯尺寸为3m×3m，电梯井道为首层到顶层，各层各朝向外窗面积设置为240m2。研究的建筑平面如图1所示。

图1 研究建筑平面及模型示意图

2 研究方案

本次采用理论分析的方法对严寒和寒冷地区的超高层建筑由热压引起的烟囱效应进行研究，采用多区域网络法进行分析，应用 CONTAMW 软件，CONTAMW软件是基于多区域模型预测和评价建筑室内空气质量和通风的应用软件，该软件计算结果的有效性得到了一些实例的验证。

2.1 外窗渗透边界条件设定

本研究中对于建筑围护结构气流渗透，主要考虑建筑外窗的气密性引起的气流渗透。外窗的气密性标准是用外窗或外门两侧压力差为10Pa时，单位缝长单位时间的漏风量q1（m3/(m·h)）或单位面积单位时间的漏风量q2（m3/(m2·h)）表述的。本此研究参考《建筑物外门窗气密性能标准如何应用的研究》一文中的方法，将建筑外窗气密性等效转换为开孔率，6级气密性外窗的开孔率为0.3%，5级气密性的外窗开孔率约为0.5%[6]。

2.2 温度边界条件设定

根据建筑热压公式可知，烟囱效应的影响因素包括建筑高度和室内外空气密度，空气温度是其密度的表观参数。冬季时，室内外温差最大，所以本次研究分别选取严寒和寒冷地区的城市——严寒地区选取哈尔滨市，寒冷地区选取北京市——的冬季工况进行分析，选取《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中2个城市的室外温、湿度数据，如表1所示，建筑室内温、湿度按照空调冬季室内设计温、湿度参数设定：20℃、50%。

表1 哈尔滨市、北京市冬季室外计算温、湿度

2.3 建筑高度设定

建筑高度对建筑热压的影响非常显著，本研究针对超高层建筑经常出现的烟囱效应问题，关注建筑高度对建筑烟囱效应的影响，建筑高度分别选取从100 m、150 m、200 m、250 m、300 m。本次分析研究方案如图2所示。

图2 研究方案示意图

3 结果分析

3.1 建筑压差分析

根据上述研究方案，针对不同建筑高度、不同开孔率时的建筑内电梯门内外压差进行了分析。主要分析结论如下：

1）建筑热压中和面的位置约在建筑中间高度处，建筑首层和顶层是电梯门内外压差最大层，首层建筑内为负压，顶层建筑内为正压。不同建筑高度电梯门内外压差曲线如图3、图4所示。

图3 哈尔滨市电梯门内外压差随建筑高度变化曲线（0.3%透过率）

图4 北京市电梯门内外压差随建筑高度变化曲线（0.3%透过率）

2）在热压的作用下，建筑首层电梯门内外压差随建筑高度的增加而加大，但随着建筑高度的增加，电梯门内外压差增加趋势减小。室内外温差越大时，电梯门内外压差越大，随建筑高度增加，此现象更加明显。哈尔滨市和北京市首层电梯门内外压差随建筑高度变化曲线如图5所示。

图5 首层电梯门内外压差随建筑高度变化曲线

3）在热压作用下，围护结构气密性影响建筑电梯门内外压差，围护结构气密性越差，电梯门内外压差越大，即围护结构气密性越差建筑烟囱效应越明显。建筑高度为300 m时，不同外窗开孔率的首层电梯门内外压差曲线如图6所示。

图6 不同外窗开孔率时首层电梯门内外压差随建筑高度变化曲线

3.2 降低电梯门内外压差措施分析

根据上述建筑烟囱效应分析，哈尔滨市300 m高建筑，当外窗透过率为0.5%时，其首层电梯门内外压差最大，达到了192.3 Pa。北京市300 m高建筑，当外窗透过率为0.3%时，其首层电梯门内外压差最大，达到了99.8 Pa。以上情况均会影响电梯的正常安全运行。为了保证电梯门内外压差在允许范围内，实际项目经常采取的措施一是提高围护结构气密性，二是在建筑外围护和电梯门之间增加隔断措施。

本次研究分别对哈尔滨市和北京市的建筑首层增加隔断措施进行了理论分析，分析模型如图7所示。

增加隔断对首层电梯门内外压差的分析结果见表2、表3。

图7 增加隔断分析模型示意图

表2 哈尔滨市建筑增加隔断时电梯表面压差

表3 北京市建筑增加隔断时电梯表面压差

根据分析结果可知，除了原模型中内走道和电梯门外，哈尔滨市建筑在外围护和内走道间增加5层隔断，北京市建筑在外围护和内走道间增加4层隔断时，可将首层电梯门内外压差降低到 25 Pa以内，保证电梯正常运行。

4 结论

建筑外窗或幕墙设置可开启部分，当过渡季时可以利用其开启部分实现自然通风，节约空调系统能耗，符合绿色建筑理念。然而，超高层建筑在围护结构气密性、室内外温差作用下，会产生烟囱效应，尤其在严寒和寒冷地区，当围护结构气密性较差时，会加剧建筑烟囱效应影响，为了降低烟囱效应影响，应提高围护结构气密性。此外，为了缓解烟囱效应影响电梯正常运行，可采用在外门和电梯之间增加隔断措施，保证电梯门内外压差满足运行要求。

目前，国内超高层建筑的建设数量越来越多，实际项目中由于建筑烟囱效应影响电梯运行的问题时有出现，本次分析建立在理论模拟的基础上，未考虑风压等因素的影响，同时尚缺少实际项目测试数据支撑，为了更好的解决烟囱效应问题保证建筑良好运行，进行实际项目现场测试结合理论分析尤为重要。