高层建筑热负荷计算影响因素的探讨

张 涛 郈爱杰 陈德玉 蔡建军

(1．中国汽车工业工程有限公司，天津 300013；2.天津市建筑设计院，天津 300074； 3.天津市房屋鉴定设计院，天津 300072)

1 概述

在节约型社会的背景下，对住宅建筑热负荷的合理及相对准确计算，不仅可以满足用户的需要，而且可以减少投资，对于建筑节能具有显著意义。

GB 50016—2014建筑设计防火规范(2018年版)的2.1.1条规定：高层建筑指建筑高度大于27 m的住宅建筑和建筑高度大于24 m的非单层厂房、仓库和其他民用建筑，并进一步在5.1.1条中，对民用建筑的分类进行了详细规定。不同于其他建筑形式，高层建筑的热负荷计算更加复杂，影响因素也比一般建筑要多。考虑到高层建筑外部环境参数在垂直方向的差异化分布，在进行热负荷计算时，需要综合考虑朝向、风力、高度、门窗缝隙向室内渗入冷空气等参数变化对建筑热负荷的影响。本文重点分析风力、门窗缝隙渗入室内的冷空气对高层建筑热负荷的影响。

2 风力影响

室外风速对建筑围护结构的表面传热系数有明显影响，进而影响热负荷计算。目前相关规范给出的冬季室外平均风速是以地面以上10 m作为基准高度[1]，10 m以上高度h处的风速计算见式(1)：

(1)

其中，Vh为高度h处的风速，m/s；V0为高度h0处的风速，m/s，建筑所在地区的气象监测值；h为需要计算的实际高度，在取值上大于10 m；h0为基准高度，一般为10 m；α为幂指数，与温度的垂直梯度和地面粗糙度有关的实验值,见表1。

表1 不同地区环境的风速计算幂指数α经验数值[2]

对于高层建筑，室外风速的增加导致围护结构的外表面对流换热系数的增大，从而造成传热系数K的增大。根据GB 50736—2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[3]第5.1.8条围护结构传热系数K的计算式：

(2)

式中：K——围护结构的传热系数，W/(m2·K)；

an——围护结构内表面换热系数，取8.7 W/(m2·K)；

δ——围护结构各层材料厚度，m；

aλ——材料导热系数的修正因数；

λ——围护结构各层材料导热系数，W/(m·K)；

Rk——封闭空气间层的热阻，m2·K/W；

aw——围护结构外表面换热系数，W/(m2·K)。

笔者通过实际计算，分析了风力对外墙传热系数的影响：依据天津地区室外气象条件，分别取10 m和100 m高处的外表面对流换热系数为23 W/(m2·K)和35 W/(m2·K)[4]。室外风速随着建筑高度增加而增大，同时随着建筑高度的升高，建筑周围漩涡气流加大，围护结构外表面换热系统在冬季达到了35 W/(m2·K)，《空气调节设计手册》(第2版)表2-8也印证了围护结构表面换热系数随高度的变化。

根据JGJ 26—2018严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准对寒冷地区最小传热系数的规定，当取外墙热阻为2.22 m2·K/W时，外墙传热系数K在10 m和100 m高处分别为(单位为W/(m2·K))：

(3)

(4)

比较Kw10及Kw100数值可知，100 m处墙体的传热系数仅比10 m处增加1%，二者差别很小。因此，在设计过程中可以不考虑墙体的传热系数随高度的变化。

对于外窗传热系数随高度的变化，《实用供热空调设计手册》表4.1-4[5]中数据显示：在室外风速为3 m/s时，10.5 m高处的传热系数为K=3.3 W/(m2·K)，在58.5 m高处，风速为6 m/s时，传热系数为K=3.5 W/(m2·K)，仅增加了6.1%。因此对于高层建筑中外窗的传热系数随高度的变化亦可以不考虑。

3 冷风渗透影响

风速在不同高度的分布差异通过下式影响高层建筑风压：

(5)

式中：V——风速，m/s；

r——空气容重，kg/m3；

g——重力加速度(不考虑不同高度的重力加速度的差异)，m/s2；

P——风压，Pa。

根据相关资料，由地面起，每升高150 m，温度升高1 ℃，所以在计算时，可以认为r为常数。以冬季工况为例，取采暖室外计算温度t=-7 ℃，r=1.317 kg/m3，冬季室外平均风速：2.5 m/s，得出不同高度下，风速风压的变化值，见表2。

表2 冬季工况下不同高度的风速、风压分布

由表2中数据显示，随着建筑物高度的增加，风压增大明显。

根据我国气象站实测，气温在垂直高度存在分布差异，表现为高层温降，高度每提升100 m，气温存在一定程度的下降，即气温直减率[4]。对冬季负荷而言，气温直减率为不利因素。由于气温差异，加之冬季室内温度高于室外，存在空气容重差，引起建筑物下部渗入冷空气，室内空气由上部排出，如图1所示。图1中的中和面是指建筑内外的压力相等的水平面，为便于计算，中和面取为建筑的中间位置，即50 m处。

热压计算式[1]如下：

ΔP=(hm-h)(r0-ri)

(6)

式中:ΔP——热压值，Pa；

hm——中和面高度，m；

r0——室外空气容重，kg/m3；

ri——室内空气容重，kg/m3；

h——计算建筑层离地面高度，m。

对于室内和室外空气容重，可认为是定值，取采暖室外计算温度t=-7 ℃，r0=1.317 kg/m3，室内温度：20 ℃，ri=1.205 kg/m3，假设建筑高度为100 m，得出不同高度下热压的变化值，如表3所示。

表3 冬季工况不同高度热压分布

表3及上述分析表明，由于空气直减率以及室内外空气容重差的综合作用，导致高层建筑不同高度下的压力分布差异，进而影响负荷计算。

实际的冷风渗透现象，是风压和热压共同作用相互叠加的结果。其中，风压与主导风向有关，即与门窗的朝向有关；而热压仅与高度位置有关。

在中和面以下对于迎风面风压与热压相加，压差增大，冷风渗透量增多，造成中和面上升，渗入空气的楼层数增加。相反，背风侧的房间，室外风压为负值，使中和面下降，渗出空气的楼层数增加。

中和面以上迎风面风压热压相反，要相互抵消其部分作用，而背风面风压热压方向相同，向外渗出空气增加，因此对建筑整体热负荷计算的影响可抵消。

然而，虽然热压作用相对稳定，但由于风向等因气候变化造成的不确定因素，使得在高层建筑实际工程热负荷计算中，对于中和面以上冬季主导风向迎风面房间，应认为风压热压不能完全抵消，应该计算一部分冷风渗透量，根据具体情况考虑修正，而背风侧则不应再考虑渗透风量对热负荷的影响。

此外，高层建筑中非采暖楼梯间及封闭阳台的设置会对建筑负荷计算产生较大影响，因此在实际工程中有必要对其带来的温差变化进行修正，相关文献已有详细论述[6]，笔者不再赘述。

4 结论

本文结合现行规范以及工程实际，对高层建筑热负荷计算的影响因素进行了分析与探讨，重点分析了风力、冷风渗透对高层建筑热负荷的影响，以期对后续高层建筑热负荷计算的准确性提供帮助。具体结论如下：

1)高层建筑中，随高度增加，室外垂直高度气象参数的差异化分布通过影响围护结构传热系数进而改变房间负荷。风压、热压在垂直高度上的差异对热负荷计算产生较大影响。同时作用机制受建筑具体结构影响。在具体分析过程中，需考虑建筑迎、背风面，以及气象条件等多个因素。

2)在对热负荷计算进行修正的过程中，因高度差异造成的围护结构换热系数的差异较小，加之现行规范已做出较具体的规定，因此可不考虑其对高层建筑热负荷计算的影响。