高層建筑煙囪效應(yīng)的節(jié)能策略研究

張健宸 潘 嵩 向伊依 張仲辰

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高層建筑煙囪效應(yīng)的節(jié)能策略研究

張健宸 潘 嵩 向伊依 張仲辰

（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 北京 100124）

分析高層建筑的“煙囪效應(yīng)”模擬實(shí)際策略以改善能耗使用情況。對(duì)兩棟高層建筑——北京某高校綜合樓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)綜合樓）和某學(xué)生公寓（以下簡(jiǎn)稱(chēng)學(xué)生公寓）進(jìn)行實(shí)測(cè)，運(yùn)用CONTAMW軟件對(duì)建筑原型內(nèi)部各區(qū)域壓差模擬。分析提出增加前室門(mén)、增加外墻氣密性等幾種節(jié)能策略，并對(duì)這幾種節(jié)能策略產(chǎn)生的節(jié)能效果進(jìn)行分析計(jì)算。

高層建筑；煙囪效應(yīng)；節(jié)能策略

0 引言

我國(guó)的能源消耗量巨大，推行節(jié)能勢(shì)在必行。目前社會(huì)各界普遍認(rèn)為建筑節(jié)能在各種節(jié)能途徑中是潛力最大、最有效的方式[1]。上世紀(jì)60年代，發(fā)現(xiàn)影響建筑通風(fēng)換氣的動(dòng)力學(xué)因素主要有三個(gè)，即風(fēng)壓、機(jī)械通風(fēng)和“煙囪效應(yīng)”[2]；依據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的研究結(jié)果表明，煙囪效應(yīng)的產(chǎn)生主要是由于豎井內(nèi)外壓差與煙氣自身浮力的聯(lián)合作用，但是在不同范圍內(nèi)所發(fā)揮的作用不同[3]。因此，本研究采用測(cè)試和模擬對(duì)比分析方法，討論實(shí)測(cè)及模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及此結(jié)果下對(duì)能耗的影響。

1 實(shí)測(cè)調(diào)研

1.1 測(cè)試概況

本次實(shí)測(cè)對(duì)象是北京某高校綜合樓和學(xué)生公寓。綜合樓是辦公樓，共14層，高約60米。學(xué)生公寓總共16層，高約58米。

1.2 測(cè)試結(jié)果與分析

壓差計(jì)誤差精度0.25Pa，經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，此誤差在電梯間、樓梯間及室內(nèi)外壓差量級(jí)下可忽略，同時(shí)由于空氣滲透是風(fēng)壓和熱壓共同作用的結(jié)果，對(duì)熱壓和風(fēng)壓均可修正，所以壓差計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可靠[4]。確定實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)合理，可以與模擬數(shù)據(jù)比較。

（a）學(xué)生公寓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

（b）綜合樓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖1 建筑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

Fig.1 Measured data of building

如圖1所示，學(xué)生宿舍中和面位于建筑高度一半，說(shuō)明建筑上下部滲透量相當(dāng)。綜合樓中和面位于建筑高度的57%，低于建筑高度的一半，說(shuō)明建筑上半部的滲透較嚴(yán)重，升高了中和面的位置，造成上部滲出量增加。由于綜合樓設(shè)有具有轉(zhuǎn)換層的電梯，導(dǎo)致加強(qiáng)空氣向上流通，并向外滲出，因此提高了中和面的位置[5]。

2 CONTAMW軟件模擬

2.1 驗(yàn)證模擬

為了有效說(shuō)明該模型所模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)外墻兩側(cè)及電梯井兩側(cè)壓差分別作對(duì)比，如圖2所示。

軟件模擬選取外墻兩側(cè)及樓梯間兩側(cè)的壓差與實(shí)測(cè)對(duì)比圖如圖2，軟件模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果模擬趨勢(shì)相似。由于滲透系數(shù)，即外墻氣密性選取與實(shí)際情況存在出入。水房和衛(wèi)生間溫度較室內(nèi)偏低，樓梯間上鎖存在內(nèi)部阻隔，模擬與實(shí)測(cè)存在偏差。分析可得，該軟件能有效模擬無(wú)風(fēng)或近似無(wú)風(fēng)條件下煙囪效應(yīng)室內(nèi)熱壓差分布。

（a）外墻兩側(cè)壓差

（b）樓梯間兩側(cè)壓差

圖2 模擬與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

Fig.2 Contrast figure of simulation and test results

2.2 各措施下的軟件模擬

總壓差分三個(gè)部分考慮，分別為外墻兩側(cè)、樓梯間兩側(cè)和內(nèi)部阻隔壓差，總壓差為這三部分壓差之和。樓層平面基準(zhǔn)情況為圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性較差，室內(nèi)外溫差為20度，無(wú)前室。

2.2.1 設(shè)置前室門(mén)

分析住宅式公寓和辦公樓在樓梯間處增設(shè)前室門(mén)，目的在于對(duì)兩種不同類(lèi)型建筑進(jìn)行可行性節(jié)能分析。對(duì)比發(fā)現(xiàn)設(shè)置前室門(mén)前后總壓差明顯減小，樓梯間壓差降低。無(wú)前室門(mén)和增設(shè)前室門(mén)情況下，學(xué)生公寓和綜合樓熱壓系數(shù)分別約為0.41、0.5和0.33、0.35，反映出熱壓更多地消耗在了內(nèi)部阻隔上，有效減小外墻兩側(cè)壓差以及樓梯間壓差，有利于減小由于“煙囪效應(yīng)”所增加的滲透耗熱量。增設(shè)前室門(mén)可行性高，無(wú)需較大的結(jié)構(gòu)改動(dòng)，如若結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，可以將電梯間和樓梯間共用一個(gè)前室。

2.2.2 設(shè)置走廊門(mén)

設(shè)置走廊門(mén)是一種增加內(nèi)部阻隔的有效措施，將設(shè)置走廊門(mén)分為兩種情況分析：有無(wú)前室門(mén)，設(shè)置走廊門(mén)。兩者總壓差相差不大，但在有前室門(mén)增設(shè)走廊門(mén)的情況，外墻壓差降低明顯。樓梯豎井壓差由于前室門(mén)的作用降低明顯，電梯間內(nèi)外兩側(cè)壓差有所下降，如圖3所示。

圖3 僅設(shè)置走廊門(mén)的電梯梯壓差對(duì)比

是否設(shè)置走廊門(mén)區(qū)別體現(xiàn)在外墻壓差和內(nèi)部阻隔上，從而降低熱壓系數(shù)。對(duì)于豎井同樣適用，但走廊門(mén)相比前室門(mén)效果差。適當(dāng)增設(shè)內(nèi)部阻隔，可以有效降低外墻兩側(cè)壓差。

2.2.3 改變氣密性

各種環(huán)境下豎井工況不同，風(fēng)壓會(huì)有不同影響[6]。增強(qiáng)外墻氣密性后，滲入冷風(fēng)樓層明顯減少。豎井兩側(cè)壓差絕對(duì)值在中和面減小不明顯。說(shuō)明增強(qiáng)外墻氣密性后有效減小外墻冷風(fēng)滲透且可以減小電梯豎井、樓梯間及外墻兩側(cè)壓差。

2.2.4 降低樓梯間溫度

分別取樓梯間溫度為5℃、10℃、15℃、20℃的情況進(jìn)行模擬。熱壓系數(shù)只與建筑內(nèi)部隔斷情況有關(guān)。改變溫度后熱壓系數(shù)仍穩(wěn)定在0.50左右，即對(duì)外墻上消耗壓差占總壓差的比值幾乎無(wú)影響。隨著豎井溫度降低，消耗在外墻兩側(cè)壓差的具體值減小明顯。降低電梯豎井區(qū)域的溫度，電梯豎井兩側(cè)壓差也會(huì)有明顯的降低。豎井區(qū)域與外界的溫差越大，煙囪效應(yīng)越明顯。降低樓梯間的溫度有利于減弱煙囪效應(yīng)。

3 節(jié)能方案分析

3.1 熱負(fù)荷計(jì)算分析

本文就所分析的高層電梯豎井與室外溫差所帶來(lái)的空氣滲透進(jìn)行分析。計(jì)算該建筑由于煙囪效應(yīng)存在所帶來(lái)的空氣滲透熱負(fù)荷的基本公式如下：

式中：為空氣滲透耗熱量，kW；為滲入空氣量，m3；為室外空氣密度，kg；C為空氣比熱容，1.01kg；為室外空氣溫度，℃；為室內(nèi)空氣溫度，℃；

由于熱壓與風(fēng)壓結(jié)合起來(lái)考慮非常復(fù)雜，且結(jié)合前人研究及在超高層建筑中熱壓遠(yuǎn)比風(fēng)壓大[7]的特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)當(dāng)天風(fēng)速數(shù)據(jù)以及北京市冬季室外平均風(fēng)速的界定，選取=2.8m來(lái)計(jì)算風(fēng)壓。

此處采用《供熱工程》[8]中計(jì)算滲入空氣量的計(jì)算公式如下：

式中：為考慮計(jì)算門(mén)窗所處的高度、朝向和熱壓差的存在而引入的風(fēng)量綜合修正系數(shù)，按確定；為風(fēng)壓作用下的滲入空氣量，m3/s；為風(fēng)壓差，Pa，按確定；為高度修正系數(shù)，按確定，其中為門(mén)窗中心線(xiàn)標(biāo)高，由于本建筑為高層建筑，所以此處近似取作樓高；為滲透空氣量的朝向修正系數(shù)；為作用在門(mén)窗上的有效熱壓差與有效風(fēng)壓差之比，簡(jiǎn)稱(chēng)壓差，其中為壓差系數(shù)，Pa；為風(fēng)壓差系數(shù)，當(dāng)建筑物內(nèi)部氣流阻力很大時(shí)，壓差系數(shù)約達(dá)0.3～0.5，本文中選取0.4，按確定；為窗縫隙的計(jì)算長(zhǎng)度，m，本文中單扇窗的縫隙計(jì)算長(zhǎng)度=9m；、為與窗構(gòu)造有關(guān)的特性參數(shù)，根據(jù)學(xué)生公寓和綜合樓實(shí)際情況，我們選平開(kāi)型鋁合金窗，即取0.26，取0.77[9]。

3.2 結(jié)合軟件模擬改進(jìn)后的熱負(fù)荷

取建筑東南西北四個(gè)朝向即=4；=14模擬計(jì)算，取當(dāng)天實(shí)測(cè)情況，即=1.275kg/m3（=4℃），=20℃情況。此計(jì)算熱負(fù)荷亦為20℃，氣密性不好情況下的熱負(fù)荷。討論的節(jié)能方法有：（1）設(shè)置前室門(mén)；（2）改變外墻氣密性；（3）改變豎井溫度。

3.2.1 設(shè)前室門(mén)前后熱負(fù)荷對(duì)比

在建筑原型（即20℃氣密性不好）的基礎(chǔ)上，在電梯前室前增設(shè)一道前室門(mén)，記為情況一；另外，我們又考慮到有些建筑內(nèi)部阻隔設(shè)置較差的情況，即內(nèi)部既不設(shè)置前室門(mén)，幾乎單獨(dú)豎井和外墻的情況，記為情況二。

表1 增設(shè)前室門(mén)熱負(fù)荷情況表

3.2.2 不同外界溫差下及外墻氣密性下熱負(fù)荷對(duì)比

表2 不同溫差下改變外墻氣密性熱負(fù)荷情況表

3.2.3 降低豎井溫度后的熱負(fù)荷對(duì)比

表3 改變豎井溫度熱負(fù)荷情況表

3.3 各改造方案的節(jié)能潛力

式中：為設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；為供暖期天數(shù)，d，本文中取北京地區(qū)供暖期為11月15日至3月15日計(jì)算；為供暖室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；一般取18℃；為供暖室外平均溫度，℃，選取北京采暖期室外平均溫度-0.7℃；為供暖室外設(shè)計(jì)溫度，℃，選取北京采暖期室外設(shè)計(jì)溫度-7.6℃；代入后可得本文中耗熱量與熱負(fù)荷之間計(jì)算公式：kWh。

3.3.1 增加前室門(mén)后節(jié)能量分析

按北京供暖期計(jì)算，11月取15天，12月與1月均取31天，2月取28天，3月取15天，代入上述公式，計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下表。

表4 增設(shè)前室門(mén)后節(jié)能計(jì)算表

采用增設(shè)前室門(mén)方法后，一個(gè)供暖期的節(jié)能量為87880.3kW，節(jié)能率為52.62%。

3.3.2 不同溫差下改變外墻氣密性節(jié)能量分析

隨著滲透特性參數(shù)逐漸變?。饷苄宰兒茫臒崃繙p小，節(jié)能效果確實(shí)明顯。內(nèi)外溫差越高，采用增強(qiáng)外墻氣密性方法的節(jié)能量越多，內(nèi)外溫差為20℃、25℃、30℃所對(duì)應(yīng)的節(jié)能慮分別為26.11%、29.15%、29.63%。

3.3.3 降低豎井溫度節(jié)能量分析

當(dāng)豎井溫度由20℃降低到5℃時(shí)，耗熱量由90792.4kW降低到3054.6kW，節(jié)能率為95.75%，節(jié)能潛力非常大。當(dāng)豎井溫度降低到與冬季外界溫度相差不大的溫度時(shí)，內(nèi)外熱壓差會(huì)大幅度下降。

4 結(jié)論

（1）在實(shí)測(cè)過(guò)程和軟件模擬能耗診斷中的發(fā)現(xiàn)：實(shí)測(cè)中往往存在系統(tǒng)誤差和各種情況的干擾，在測(cè)試儀器的選用上應(yīng)使用誤差較小，實(shí)測(cè)范圍適中，精度較高的儀器。部分不重要因素在實(shí)測(cè)中可忽略處理。一些不可抗因素可使用不同情況的多組數(shù)據(jù)記錄，并結(jié)合CONTAMW模擬軟件進(jìn)行修正處理。

（2）提出節(jié)能改造方案：①在建筑原有基礎(chǔ)上增設(shè)一道前室門(mén)，一個(gè)供暖期里減少滲透耗熱量約87880.3萬(wàn)kWh，節(jié)能比例為52.62%；②增強(qiáng)外墻氣密性，如本文中在室內(nèi)外溫差20℃的條件下，一個(gè)供暖期減少滲透耗熱量約39781.2kWh，節(jié)能比例為26.11%；③通過(guò)降低豎井溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，本文中將豎井溫度由20℃降低為5℃時(shí)，節(jié)約能耗近90792.4萬(wàn)kWh，節(jié)能比例95.75%，值得說(shuō)明的是，5℃與外界環(huán)境溫度已相當(dāng)接近，所以滲透耗熱量會(huì)大大減少。

（3）安全、舒適性分析：①本文所討論的節(jié)能措施實(shí)施的同時(shí)，也保證了建筑室內(nèi)空氣流通更加貼近人的生活，有效減小了“煙囪效應(yīng)”所帶來(lái)的室內(nèi)冷風(fēng)流動(dòng)，提升乘客舒適性；②煙囪效應(yīng)可能造成建筑內(nèi)各類(lèi)門(mén)的開(kāi)閉故障，上述措施減少了電梯井兩側(cè)的壓差，為減少冬季電梯門(mén)難開(kāi)、噪聲大等問(wèn)題提供了有效解決方法；③冬季“煙囪效應(yīng)”所導(dǎo)致的電梯無(wú)法正常運(yùn)行造成建筑內(nèi)水平交通和豎直交通堵塞從而引發(fā)安全問(wèn)題；由于“煙囪效應(yīng)”對(duì)火災(zāi)有著難以想象的促進(jìn)作用，一旦發(fā)生火災(zāi)，對(duì)于超高層建筑的影響難以想象，上述措施同時(shí)有效降低了電梯事故發(fā)生的幾率，也為人們生活安全提供了保障。

[1] 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.

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[3] 高甫生.關(guān)注超高層建筑煙囪效應(yīng)可能引發(fā)的安全問(wèn)題[J].暖通空調(diào),2012,42(11):82-90

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[5] 郭清華,夏斐.煙囪效應(yīng)在生態(tài)建筑中的應(yīng)用[J].華中建筑,2011,(6):80-82.

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[8] 賀平,孫剛,王飛,等.供熱工程（第四版）[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[9] 高甫生.外窗密閉性對(duì)寒冷地區(qū)建筑能耗的影響[J].暖通空調(diào),1998,(4):11-13.

Study of Stack Effect of Measurement Error and the Energy Saving Strategy on a High-rise Building

Zhang Jianchen Pan Song Xiang Yiyi Zhang Zhongchen

( The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124 )

Predecessors’ researcher of stack effect of high-rise building is mainly based on the analysis of fire cases of flue gas flow, rarely involves the influence of measured error and energy consumption which existing in the stack effect.This article analyzed the cause of simulated practical strategies to improve the usage of energy consumption of the stack effect of high-rise building. Measuringthe dormitory building and administration building of a university in Beijing and using CONTAMW software for building prototype to simulate the regional differential pressure. Put forward several kinds of energy saving strategy, such as increasing atria door, exterior air tightness and so on. And calculating the amount of energy saving effect based on these energy saving strategy.

high-rise building; stack effect; error analyses; energy saving strategy

1671-6612（2017）04-391-05

TU834

A

張健宸（1995.07-），男，本科，E-mail：nightroamer@163.com

潘 嵩（1971.05-），男，副教授，E-mail：15010100895@163.com

2016-08-24