高层建筑烟囱效应的节能策略研究

张健宸 潘 嵩 向伊依 张仲辰



高层建筑烟囱效应的节能策略研究

张健宸 潘 嵩 向伊依 张仲辰

（北京工业大学建筑工程学院 北京 100124）

分析高层建筑的“烟囱效应”模拟实际策略以改善能耗使用情况。对两栋高层建筑——北京某高校综合楼（以下简称综合楼）和某学生公寓（以下简称学生公寓）进行实测，运用CONTAMW软件对建筑原型内部各区域压差模拟。分析提出增加前室门、增加外墙气密性等几种节能策略，并对这几种节能策略产生的节能效果进行分析计算。

高层建筑；烟囱效应；节能策略

0 引言

我国的能源消耗量巨大，推行节能势在必行。目前社会各界普遍认为建筑节能在各种节能途径中是潜力最大、最有效的方式[1]。上世纪60年代，发现影响建筑通风换气的动力学因素主要有三个，即风压、机械通风和“烟囱效应”[2]；依据实验得到的研究结果表明，烟囱效应的产生主要是由于竖井内外压差与烟气自身浮力的联合作用，但是在不同范围内所发挥的作用不同[3]。因此，本研究采用测试和模拟对比分析方法，讨论实测及模拟数据的准确性及此结果下对能耗的影响。

1 实测调研

1.1 测试概况

本次实测对象是北京某高校综合楼和学生公寓。综合楼是办公楼，共14层，高约60米。学生公寓总共16层，高约58米。

1.2 测试结果与分析

压差计误差精度0.25Pa，经实测验证，此误差在电梯间、楼梯间及室内外压差量级下可忽略，同时由于空气渗透是风压和热压共同作用的结果，对热压和风压均可修正，所以压差计实测数据可靠[4]。确定实测数据合理，可以与模拟数据比较。

（a）学生公寓实测数据图

（b）综合楼实测数据图

图1 建筑实测数据

Fig.1 Measured data of building

如图1所示，学生宿舍中和面位于建筑高度一半，说明建筑上下部渗透量相当。综合楼中和面位于建筑高度的57%，低于建筑高度的一半，说明建筑上半部的渗透较严重，升高了中和面的位置，造成上部渗出量增加。由于综合楼设有具有转换层的电梯，导致加强空气向上流通，并向外渗出，因此提高了中和面的位置[5]。

2 CONTAMW软件模拟

2.1 验证模拟

为了有效说明该模型所模拟数据的准确性，对外墙两侧及电梯井两侧压差分别作对比，如图2所示。

软件模拟选取外墙两侧及楼梯间两侧的压差与实测对比图如图2，软件模拟结果与实测结果模拟趋势相似。由于渗透系数，即外墙气密性选取与实际情况存在出入。水房和卫生间温度较室内偏低，楼梯间上锁存在内部阻隔，模拟与实测存在偏差。分析可得，该软件能有效模拟无风或近似无风条件下烟囱效应室内热压差分布。

（a）外墙两侧压差

（b）楼梯间两侧压差

图2 模拟与测试结果对比图

Fig.2 Contrast figure of simulation and test results

2.2 各措施下的软件模拟

总压差分三个部分考虑，分别为外墙两侧、楼梯间两侧和内部阻隔压差，总压差为这三部分压差之和。楼层平面基准情况为围护结构气密性较差，室内外温差为20度，无前室。

2.2.1 设置前室门

分析住宅式公寓和办公楼在楼梯间处增设前室门，目的在于对两种不同类型建筑进行可行性节能分析。对比发现设置前室门前后总压差明显减小，楼梯间压差降低。无前室门和增设前室门情况下，学生公寓和综合楼热压系数分别约为0.41、0.5和0.33、0.35，反映出热压更多地消耗在了内部阻隔上，有效减小外墙两侧压差以及楼梯间压差，有利于减小由于“烟囱效应”所增加的渗透耗热量。增设前室门可行性高，无需较大的结构改动，如若结构设置合理，可以将电梯间和楼梯间共用一个前室。

2.2.2 设置走廊门

设置走廊门是一种增加内部阻隔的有效措施，将设置走廊门分为两种情况分析：有无前室门，设置走廊门。两者总压差相差不大，但在有前室门增设走廊门的情况，外墙压差降低明显。楼梯竖井压差由于前室门的作用降低明显，电梯间内外两侧压差有所下降，如图3所示。

图3 仅设置走廊门的电梯梯压差对比

是否设置走廊门区别体现在外墙压差和内部阻隔上，从而降低热压系数。对于竖井同样适用，但走廊门相比前室门效果差。适当增设内部阻隔，可以有效降低外墙两侧压差。

2.2.3 改变气密性

各种环境下竖井工况不同，风压会有不同影响[6]。增强外墙气密性后，渗入冷风楼层明显减少。竖井两侧压差绝对值在中和面减小不明显。说明增强外墙气密性后有效减小外墙冷风渗透且可以减小电梯竖井、楼梯间及外墙两侧压差。

2.2.4 降低楼梯间温度

分别取楼梯间温度为5℃、10℃、15℃、20℃的情况进行模拟。热压系数只与建筑内部隔断情况有关。改变温度后热压系数仍稳定在0.50左右，即对外墙上消耗压差占总压差的比值几乎无影响。随着竖井温度降低，消耗在外墙两侧压差的具体值减小明显。降低电梯竖井区域的温度，电梯竖井两侧压差也会有明显的降低。竖井区域与外界的温差越大，烟囱效应越明显。降低楼梯间的温度有利于减弱烟囱效应。

3 节能方案分析

3.1 热负荷计算分析

本文就所分析的高层电梯竖井与室外温差所带来的空气渗透进行分析。计算该建筑由于烟囱效应存在所带来的空气渗透热负荷的基本公式如下：

式中：为空气渗透耗热量，kW；为渗入空气量，m3；为室外空气密度，kg；C为空气比热容，1.01kg；为室外空气温度，℃；为室内空气温度，℃；

由于热压与风压结合起来考虑非常复杂，且结合前人研究及在超高层建筑中热压远比风压大[7]的特点，根据对实测当天风速数据以及北京市冬季室外平均风速的界定，选取=2.8m来计算风压。

此处采用《供热工程》[8]中计算渗入空气量的计算公式如下：

式中：为考虑计算门窗所处的高度、朝向和热压差的存在而引入的风量综合修正系数，按确定；为风压作用下的渗入空气量，m3/s；为风压差，Pa，按确定；为高度修正系数，按确定，其中为门窗中心线标高，由于本建筑为高层建筑，所以此处近似取作楼高；为渗透空气量的朝向修正系数；为作用在门窗上的有效热压差与有效风压差之比，简称压差，其中为压差系数，Pa；为风压差系数，当建筑物内部气流阻力很大时，压差系数约达0.3～0.5，本文中选取0.4，按确定；为窗缝隙的计算长度，m，本文中单扇窗的缝隙计算长度=9m；、为与窗构造有关的特性参数，根据学生公寓和综合楼实际情况，我们选平开型铝合金窗，即取0.26，取0.77[9]。

3.2 结合软件模拟改进后的热负荷

取建筑东南西北四个朝向即=4；=14模拟计算，取当天实测情况，即=1.275kg/m3（=4℃），=20℃情况。此计算热负荷亦为20℃，气密性不好情况下的热负荷。讨论的节能方法有：（1）设置前室门；（2）改变外墙气密性；（3）改变竖井温度。

3.2.1 设前室门前后热负荷对比

在建筑原型（即20℃气密性不好）的基础上，在电梯前室前增设一道前室门，记为情况一；另外，我们又考虑到有些建筑内部阻隔设置较差的情况，即内部既不设置前室门，几乎单独竖井和外墙的情况，记为情况二。

表1 增设前室门热负荷情况表

3.2.2 不同外界温差下及外墙气密性下热负荷对比

表2 不同温差下改变外墙气密性热负荷情况表

3.2.3 降低竖井温度后的热负荷对比

表3 改变竖井温度热负荷情况表

3.3 各改造方案的节能潜力

式中：为设计热负荷，kW；为供暖期天数，d，本文中取北京地区供暖期为11月15日至3月15日计算；为供暖室内计算温度，℃；一般取18℃；为供暖室外平均温度，℃，选取北京采暖期室外平均温度-0.7℃；为供暖室外设计温度，℃，选取北京采暖期室外设计温度-7.6℃；代入后可得本文中耗热量与热负荷之间计算公式：kWh。

3.3.1 增加前室门后节能量分析

按北京供暖期计算，11月取15天，12月与1月均取31天，2月取28天，3月取15天，代入上述公式，计算数据统计如下表。

表4 增设前室门后节能计算表

采用增设前室门方法后，一个供暖期的节能量为87880.3kW，节能率为52.62%。

3.3.2 不同温差下改变外墙气密性节能量分析

随着渗透特性参数逐渐变小（气密性变好），耗热量减小，节能效果确实明显。内外温差越高，采用增强外墙气密性方法的节能量越多，内外温差为20℃、25℃、30℃所对应的节能虑分别为26.11%、29.15%、29.63%。

3.3.3 降低竖井温度节能量分析

当竖井温度由20℃降低到5℃时，耗热量由90792.4kW降低到3054.6kW，节能率为95.75%，节能潜力非常大。当竖井温度降低到与冬季外界温度相差不大的温度时，内外热压差会大幅度下降。

4 结论

（1）在实测过程和软件模拟能耗诊断中的发现：实测中往往存在系统误差和各种情况的干扰，在测试仪器的选用上应使用误差较小，实测范围适中，精度较高的仪器。部分不重要因素在实测中可忽略处理。一些不可抗因素可使用不同情况的多组数据记录，并结合CONTAMW模拟软件进行修正处理。

（2）提出节能改造方案：①在建筑原有基础上增设一道前室门，一个供暖期里减少渗透耗热量约87880.3万kWh，节能比例为52.62%；②增强外墙气密性，如本文中在室内外温差20℃的条件下，一个供暖期减少渗透耗热量约39781.2kWh，节能比例为26.11%；③通过降低竖井温度来实现节能，本文中将竖井温度由20℃降低为5℃时，节约能耗近90792.4万kWh，节能比例95.75%，值得说明的是，5℃与外界环境温度已相当接近，所以渗透耗热量会大大减少。

（3）安全、舒适性分析：①本文所讨论的节能措施实施的同时，也保证了建筑室内空气流通更加贴近人的生活，有效减小了“烟囱效应”所带来的室内冷风流动，提升乘客舒适性；②烟囱效应可能造成建筑内各类门的开闭故障，上述措施减少了电梯井两侧的压差，为减少冬季电梯门难开、噪声大等问题提供了有效解决方法；③冬季“烟囱效应”所导致的电梯无法正常运行造成建筑内水平交通和竖直交通堵塞从而引发安全问题；由于“烟囱效应”对火灾有着难以想象的促进作用，一旦发生火灾，对于超高层建筑的影响难以想象，上述措施同时有效降低了电梯事故发生的几率，也为人们生活安全提供了保障。

[1] 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.

[2] GT Tamura, AG Wilson. Pressure differences caused by wind on two tall buildings[J]. Ashrae Transactions, 1969.

[3] 高甫生.关注超高层建筑烟囱效应可能引发的安全问题[J].暖通空调,2012,42(11):82-90

[4] 丁力行,刘广海.热压系数推荐值的确定[J].暖通空调,2004,34(11):69-71.

[5] 郭清华,夏斐.烟囱效应在生态建筑中的应用[J].华中建筑,2011,(6):80-82.

[6] 邹秋生.住宅通风竖井烟囱效应对排风的影响和利用[J].制冷与空调,2005,20(3):32-34.

[7] 高甫生.风压和热压共同作用下高层建筑空气渗透计算[J].暖通空调,1991,(3):10-14.

[8] 贺平,孙刚,王飞,等.供热工程（第四版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[9] 高甫生.外窗密闭性对寒冷地区建筑能耗的影响[J].暖通空调,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

张健宸（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