解學(xué)峰，楊 易

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東，廣州 510641)

現(xiàn)代超高層建筑廣泛采用核心筒結(jié)構(gòu)體系，位于建筑中央的核心筒集合了數(shù)量眾多的高大垂直井道，如電梯井、通風(fēng)井、管道井；在建筑室內(nèi)外溫差和高差形成的熱壓以及風(fēng)壓作用下，空氣透過門窗幕墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙，從室外向建筑內(nèi)部滲入或從建筑室內(nèi)向室外滲出，并在電梯井道匯聚，形成一種特殊的空氣滲透運(yùn)動現(xiàn)象——“煙囪效應(yīng)”，它主要和室內(nèi)外溫差、電梯井道高度、建筑構(gòu)件的滲透特性以及風(fēng)壓作用等因素有關(guān)。加拿大Tamura和Wilson[1-3]曾提出，超高層建筑煙囪效應(yīng)壓差與建筑高度和室內(nèi)外溫差有關(guān)，可用下述公式表示：

式中：ΔPS/Pa為煙囪效應(yīng)作用下的壓差；ρo/(kg/m3)為室外空氣密度；Ti/K、To/ K為室內(nèi)外絕對溫度；HNPL/m為中性面高度；H/m為計(jì)算高度；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

近年，隨著國內(nèi)外特別是我國超高層建筑的高度和數(shù)量快速增長，超高層建筑的煙囪效應(yīng)問題日益突出，國內(nèi)外相關(guān)研究也隨之增多。如采用數(shù)值模擬研究高層建筑內(nèi)壓分布，并提出緩解煙囪效應(yīng)問題的技術(shù)措施[4]；通過現(xiàn)場實(shí)測方式驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，并對幾種可行的節(jié)能策略進(jìn)行數(shù)值模擬[5]；通過對多棟高層建筑煙囪效應(yīng)的實(shí)測研究，指出煙囪效應(yīng)除了井道高度和溫差外還需要考慮風(fēng)壓、建筑布局和通風(fēng)系統(tǒng)的影響[6]；利用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)合的方法研究煙囪效應(yīng)與風(fēng)壓聯(lián)合作用[7-9]；研究模擬不同地貌風(fēng)場改進(jìn)的數(shù)值模擬方式[10]；研究通過機(jī)械增壓/井道冷卻的方式定量控制作用在橫向隔斷上壓差的方法[11-13]；通過數(shù)值模擬的方式研究建筑高度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性、旋轉(zhuǎn)門的應(yīng)用位置等因素定量分析旋轉(zhuǎn)門對建筑樓層和建筑整體煙囪效應(yīng)衰減特性的影響[14]等。

根據(jù)作者近年對我國東北、華東以及華南10多棟超高層商業(yè)建筑和住宅建筑的實(shí)地調(diào)研和冬季煙囪效應(yīng)現(xiàn)場實(shí)測，強(qiáng)煙囪效應(yīng)形成的室內(nèi)外滲透氣流將導(dǎo)致電梯故障、氣動噪聲超標(biāo)、能源浪費(fèi)等問題，如長沙國金中心主塔(452 m)、廣州東塔(530 m)等地標(biāo)性建筑。當(dāng)前由于國內(nèi)外建筑規(guī)范中關(guān)于煙囪效應(yīng)的規(guī)定不完善，多數(shù)超高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，并未考慮煙囪效應(yīng)問題，導(dǎo)致建成后不得不改建。

超高層建筑的煙囪效應(yīng)問題，是“超高層建筑(設(shè)計(jì))-電梯產(chǎn)品(設(shè)計(jì))”這一復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)生的問題。作用于建筑內(nèi)部構(gòu)件的煙囪效應(yīng)壓強(qiáng)除受溫差和高差影響外，還與圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性等級、首層門廳設(shè)計(jì)、建筑內(nèi)部空間分割及外部風(fēng)環(huán)境等因素有關(guān)。因此，從建筑設(shè)計(jì)角度，很有必要系統(tǒng)研究室外氣象環(huán)境以及建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)等因素對煙囪效應(yīng)作用強(qiáng)度的影響，從而為降低煙囪效應(yīng)的作用強(qiáng)度提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。與此同時(shí)，量大面廣的建筑設(shè)計(jì)和電梯產(chǎn)品選型中難以針對每棟建筑詳細(xì)建模分析，如何提煉和歸納超高層建筑煙囪效應(yīng)問題的主要影響因素，設(shè)計(jì)一種通用分析模型，進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)分析，得到一般性的規(guī)律，是進(jìn)行這一研究需要思考的重要問題之一。

本文基于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型(用作評估建筑風(fēng)洞模擬技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模型)設(shè)計(jì)了一種分析室內(nèi)外空氣滲透作用的高層建筑煙囪效應(yīng)的通用高層建筑模型，基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型方法建立通用數(shù)值模擬仿真分析模型，分析不同因素如圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性等級、首層門廳設(shè)計(jì)、建筑內(nèi)部空間分割、外部環(huán)境等主要因素影響下建筑室內(nèi)外空氣滲透造成的內(nèi)壓分布規(guī)律，預(yù)測電梯承壓狀況給出緩解煙囪效應(yīng)不利影響的合理措施，為分析導(dǎo)致故障原因、緩解煙囪效應(yīng)以及優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)和改進(jìn)電梯產(chǎn)品等提供參考。

1 通用數(shù)值模型建立及邊界條件設(shè)置

1.1 通用高層建筑模型簡介

煙囪效應(yīng)的通用數(shù)值模型參考CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層建筑模型設(shè)計(jì)，CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層建筑模型廣泛應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究中，被用來檢驗(yàn)不同風(fēng)洞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)外覆面風(fēng)壓試驗(yàn)結(jié)果的合理性。實(shí)尺度CAARC模型尺寸為30.48 m×45.72 m×182.88 m，整體外觀如圖1所示。

圖1 CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型 /mFig.1 CAARC standard high-rise building model

煙囪效應(yīng)模擬通用模型設(shè)計(jì)為45層，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用3級幕墻，內(nèi)部有通高電梯和非通高電梯兩類電梯，其中，通高電梯井道高度最高為182.88 m，非通高電梯井道高度為121.92 m，共計(jì)30層，室內(nèi)溫度設(shè)為20℃，室外溫度設(shè)為?10℃，大廳推拉門閉合。現(xiàn)實(shí)情況中，通高電梯有時(shí)用作直通電梯在中間樓層不做停留，故通高電梯設(shè)計(jì)考慮兩種類型：一種是?？扛鲗拥耐ǜ唠娞?；另一種是不在中間樓層?？康闹蓖娞荨Ｆ渲?，將不在中間樓層?？康闹蓖娞菰O(shè)計(jì)為僅?？坑诮ㄖ撞咳龑雍晚敳績蓪?。

1.2 通用數(shù)值模型建立及構(gòu)件參數(shù)選取

煙囪效應(yīng)的建模和求解可采用在建筑通風(fēng)領(lǐng)域使用較廣的基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型方法的模擬分析軟件CONTAM，它由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)下屬的建筑和火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的開放性模擬分析工具。利用CONTAM模型進(jìn)行煙囪效應(yīng)模擬的可靠性，已經(jīng)通過標(biāo)準(zhǔn)建筑模型進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證，詳見文獻(xiàn)[7]。

通用高層建筑模型首層平面的CONTAM數(shù)值分析模型如圖2所示。通過在數(shù)值模型對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置定義室內(nèi)外環(huán)境信息如溫度、風(fēng)壓，及建筑特征參數(shù)如室內(nèi)面積、建筑滲透構(gòu)件(如門、窗等)的氣密性等，以模擬建筑模型因室內(nèi)外溫差形成的煙囪效應(yīng)。

圖2 基于多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型方法建立的通用煙囪效應(yīng)分析數(shù)值模型(首層)Fig.2 General numerical model for stack effect analysis based on multi-zone network model method (the first floor)

參考ASHRAE(American Society of Heating Refrigerating and Air conditioning Engineers，美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會)手冊[15]和文獻(xiàn)[16?17]，給出了通用建筑模型各構(gòu)件包括幕墻、外門、內(nèi)門和電梯門的氣密性參數(shù)，見表1和表2。

表1 構(gòu)件氣密性參數(shù)Table 1 Airtightness parameters of building components

表2 幕墻氣密性能分級及指標(biāo)Table 2 Classification and index of airtightness performance of curtain wall

1.3 風(fēng)壓邊界條件

參考在華南理工大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的CAARC縮尺剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)(見圖3)結(jié)果，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，給定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)壓邊界條件，以分析風(fēng)壓與熱壓聯(lián)合作用。

圖3 CAARC標(biāo)準(zhǔn)高層建筑模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及風(fēng)向角示意圖Fig.3 Wind tunnel test of CAARC standard high-rise building model and sketch of building wind direction angle

需要說明的是，由于縮尺模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)并非在每層都布置風(fēng)壓測點(diǎn)，因此，可以采取對測點(diǎn)層的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行線性插值或者采取數(shù)值模擬方式得到每層的風(fēng)壓系數(shù)，鑒于本文采用的通用數(shù)值模型層數(shù)較多(45層)，而風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)壓測點(diǎn)層僅布置7層，故考慮采用數(shù)值模擬方式獲得各層的平均風(fēng)壓系數(shù)。

由于本文所介紹的通用數(shù)值模擬外部構(gòu)造是對稱布置，故僅考慮在0°、45°、90°、135°和180°風(fēng)向角下，風(fēng)壓對通用數(shù)值模型煙囪效應(yīng)的影響。本文選用C類地貌的邊界層風(fēng)場特性，建筑表面風(fēng)壓系數(shù)采用CFX模擬結(jié)果。

1.3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對比

在CAARC標(biāo)準(zhǔn)建筑模型的HFPI風(fēng)洞試驗(yàn)中，縮尺比均取為1∶400，在試驗(yàn)中采用適當(dāng)?shù)募馀痛植谠獊砟M所需要的C類地貌的邊界層風(fēng)場特性。實(shí)驗(yàn)中采用離地0.75 m高度處的風(fēng)速為參考風(fēng)速，模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和風(fēng)向角如圖3所示，其中，A面為大廳推拉門所處的建筑一側(cè)，0°風(fēng)向?yàn)榇怪庇贏面的方向，90°風(fēng)向?yàn)榇怪庇贐面的方向。

在通用數(shù)值模型的風(fēng)壓模擬中，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)423萬網(wǎng)格，采用數(shù)值模擬軟件CFX進(jìn)行模擬，數(shù)值模型網(wǎng)格劃分如圖4所示，選用C類地貌的邊界層風(fēng)場，其中參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)[18]；國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)位于2/3H(121.92 m)高度處，本文將CAARC標(biāo)準(zhǔn)建筑模型0°方向角下數(shù)值模擬結(jié)果與華南理工大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)測點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)曲線比較，見圖5所示。

由圖5可得，CAARC標(biāo)準(zhǔn)建筑模型的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在正壓區(qū)貼合較好，在負(fù)壓區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果偏小，但總體存在一致的規(guī)律性，即正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)的覆蓋范圍基本吻合，故可用模擬的風(fēng)壓系數(shù)結(jié)果運(yùn)用于通用數(shù)值模型煙囪效應(yīng)的分析。

圖4 通用建筑模型數(shù)值模擬Fig.4 Numerical simulation of general stack effect of high-rise building model

圖5 數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)壓系數(shù)曲線對比Fig.5 Comparison of wind pressure coefficient between numerical simulation and wind tunnel test

1.3.2 各風(fēng)向角下建筑表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布

本文介紹的通用數(shù)值模型共計(jì)45層，分別將該模型的迎風(fēng)面、背風(fēng)面和側(cè)面45等分，各面的每層通過數(shù)值模擬取平均風(fēng)壓系數(shù)，通用數(shù)值模型各表面每層的平均風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：F為目標(biāo)層建筑表面的風(fēng)壓合力；A為該目標(biāo)層建筑表面的面積；P0為靜壓力；ρ為空氣密度；v為參考高度處的參考風(fēng)速。

這里給出0°和45°方向角下每層的平均風(fēng)壓系數(shù)散點(diǎn)圖如圖6～圖7所示。

圖6 0°方向角風(fēng)壓系數(shù)Fig.6 Building wind pressure coefficient at 0o wind direction angle

圖7 45°方向角風(fēng)壓系數(shù)Fig.7 Building wind pressure coefficient at 45° wind direction angle

2 通用數(shù)值模型煙囪效應(yīng)模擬及分析

數(shù)值模擬依次考慮了如下6種主要影響因素對電梯門壓差分布的影響：1) 室內(nèi)外溫差；2) 電梯豎井高度；3) 幕墻氣密性等級；4) 大廳推拉門狀態(tài)；5) 電梯廳前室門設(shè)置；6) 風(fēng)速和風(fēng)向。首先模擬了一種基本工況，即當(dāng)室外溫度為?10℃、室內(nèi)外溫差為30℃時(shí)，得到?？扛鲗拥耐ǜ唠娞莺头峭ǜ唠娞輭翰罘植既鐖D8～圖9所示。結(jié)果顯示，通高電梯最大壓差絕對值出現(xiàn)頂層，為?49.3 Pa，首層也出現(xiàn)較大的壓差，為46 Pa，通高電梯首層和頂層的壓差絕對值分別高于非通高電梯首層和頂層的壓差絕對值，且通高電梯的空氣滲透量為2837.13 L/s，遠(yuǎn)高于非通高電梯1095.81 L/s的空氣滲透量，故通高電梯受煙囪效應(yīng)影響程度大于非通高電梯受影響程度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)影響分析。

圖8 在?10℃條件下通高電梯壓差分布Fig.8 The pressure distribution of long-distance elevator at ?10℃

2.1 室內(nèi)外溫差

針對煙囪效應(yīng)作用更強(qiáng)烈的通高電梯，通過設(shè)置不同的室外溫度，考慮不同的室內(nèi)外溫差對電梯門壓差的影響，將室外溫度分別設(shè)為?20℃、?15℃、?10℃、?5℃、0℃、5℃、10℃、15℃和20℃，?？扛鲗拥耐ǜ唠娞菔讓雍晚攲与娞蓍T壓差絕對值變化如圖10所示。結(jié)果顯示，其壓差絕對值均隨室內(nèi)外溫差降低而降低，基本處于線性變化，且頂層電梯門壓差絕對值的降低速率略大于首層電梯門壓差絕對值的降低速率。在當(dāng)前設(shè)定的參數(shù)下，當(dāng)室內(nèi)外溫差增加5℃，首層電梯門的壓差絕對值降低約8.08 Pa，頂層電梯門的壓差絕對值降低約8.58 Pa。

圖9 在?10℃條件下非通高電梯壓差分布Fig.9 The pressure distribution of short-distance elevator at ?10℃

圖10 室內(nèi)外溫差對首層和頂層電梯門壓差絕對值的影響Fig.10 Effect of outdoor temperature difference on the absolute value of pressure difference acting on the top and bottom elevator door

2.2 電梯豎井高度

電梯豎井的高度是影響煙囪效應(yīng)作用強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，考慮?？扛鲗拥碾娞莶煌娞葚Q井高度對電梯門壓差的影響，選取不同的電梯豎井高度，分別為5層、10層、15層、……、45層，首層和頂層電梯門壓差結(jié)果如圖11～圖12所示，隨著電梯豎井高度增加，首層電梯門壓差絕對值基本線性增加，當(dāng)電梯豎井增加5層(20.3 m)，首層電梯門壓差上升約4.76 Pa；頂層電梯門壓差絕對值受其他豎直井道影響較大，當(dāng)電梯豎井高度從30層增高至35層時(shí)，頂層電梯門壓差絕對值受非通高電梯井道影響出現(xiàn)激增現(xiàn)象，從15.3 Pa上升至38.3 Pa。將電梯豎井高度提升至45層時(shí)，首層和頂層電梯門壓差最大，分別為46 Pa和?49.3 Pa，故對于該通用高層建筑模型，豎井高度是影響電梯門壓差的重要因素，但在考慮電梯井道高度的同時(shí)也需要考慮井道間的相互影響。

圖11 電梯豎井高度對首層電梯門壓差的影響Fig.11 Effect of elevator shaft height on pressure difference of elevator door on the first floor

圖12 電梯豎井高度對頂層電梯門壓差的影響Fig.12 Effect of elevator shaft height on pressure difference of elevator door on the top floor

2.3 幕墻氣密性等級

考慮不同氣密性等級的幕墻對電梯門壓差的影響，對于?？扛鲗拥耐ǜ唠娞荩?dāng)幕墻的氣密性等級從3級提升至4級時(shí)(取幕墻氣密性等級對應(yīng)范圍中的最大值)，結(jié)果如圖13所示，各層電梯門的壓差絕對值均有降低，壓差絕對值降低的最大量出現(xiàn)在建筑的頂層，為30.5 Pa，相當(dāng)于比原來壓差降低了61.9%，首層電梯門壓差降低了22.8%，通高電梯的空氣滲透量從2165.62 L/s降為1148.7 L/s，降低了46.96%。

圖13 幕墻氣密性等級對電梯豎井壓差分布的影響Fig.13 Effect of curtain wall airtightness level on differential pressure distribution acting on elevator shaft

對于僅在豎井兩端部分層?？康闹蓖娞荩?dāng)幕墻的氣密性等級從3級提升至4級時(shí)，壓差分布結(jié)果如圖14所示，首層電梯門壓差絕對值從40.17 Pa降低至26.31 Pa，降低了34.5%，頂層電梯門壓差絕對值從56.94 Pa降低至23.16 Pa，降低了59.3%，通高電梯的空氣滲透量從510.39 L/s降低至284.74 L/s，降低了44.21%。

故對于上述兩類通高電梯，采用提升幕墻氣密性等級的方法能降低通高電梯的空氣滲透量和各層電梯門兩側(cè)的壓差。

圖14 幕墻氣密性等級對電梯豎井壓差分布的影響Fig.14 Effect of curtain wall airtightness level on differential pressure distribution acting on elevator shaft

2.4 大廳推拉門狀態(tài)

許多建成超高層建筑大廳入口設(shè)置推拉門，但推拉門開閉不同狀態(tài)將對電梯門壓差產(chǎn)生影響。圖15給出了一扇大廳推拉門敞開和閉合時(shí)，?？扛鲗拥耐ǜ唠娞莸碾娞蓍T壓差分布對比，由圖可得，大廳推拉門開敞會使通高電梯的首層電梯門壓差從原來的46 Pa升高至113.7 Pa，升高了67.7 Pa，但對其余各層電梯門壓差影響較小，壓差變化量不超過1.8 Pa，且電梯井道的中性層受大廳推拉門敞開和閉合的因素影響不大，基本處于27層不變，通高電梯的空氣滲透量從2837.13 L/s上升至2933.41 L/s。當(dāng)超過一扇大廳推拉門敞開時(shí)，分別選取1扇、2扇、……、6扇大廳推拉門敞開，考慮直通電梯的電梯門壓差分布，圖16給出大廳推拉門的開敞數(shù)量對首層電梯門壓差的影響，可以看出，若大廳推拉門至少有一扇敞開時(shí)，電梯門的壓差與大廳推拉門敞開的數(shù)目無關(guān)。

圖15 廳門開閉對電梯豎井壓差分布的影響Fig.15 Effect of opening and closing of lobby door on differential pressure distribution acting on elevator shaft

圖16 廳門打開數(shù)量對首層電梯門壓差的影響Fig.16 Effect of the number of opening lobby door on differential pressure distribution acting on elevator shaft

對于僅在豎井兩端部分層停靠的通高電梯，當(dāng)大廳推拉門敞開(僅一扇敞開)時(shí)，壓差分布結(jié)果如圖17所示，首層電梯門壓差從40.2 Pa升高至81.3 Pa，升高了41.1 Pa，底部其余各層電梯門壓差均有減少，頂部各層電梯門壓差絕對值均有增大，建筑整體空氣滲透量從510.39 L/s上升至550.19 L/s，故對于該類通高電梯，大廳推拉門的敞開會使首層和頂部各層壓差絕對值增大，而底部其余各層電梯門壓差可能會出現(xiàn)減小現(xiàn)象。

圖17 廳門開閉對電梯豎井壓差分布的影響Fig.17 Effect of opening and closing of lobby door on differential pressure distribution acting on elevator shaft

2.5 電梯廳前室門設(shè)置

考慮電梯廳前室門對電梯門壓差的影響，對于停靠各層的通高電梯，在首層設(shè)置電梯廳前室門，壓差分布結(jié)果如圖18所示，首層電梯門壓差從46 Pa降低至10.1 Pa，降低了78.04%，空氣滲透量從2837.13 L/s降低至2718.68 L/s，降低了4.17%，其余各層電梯門壓差變化量不大，最大變化量不超過1.4 Pa。在頂層設(shè)置電梯廳前室門，壓差分布結(jié)果如圖19所示，頂層電梯門壓差絕對值從49.3 Pa降低至3.8 Pa，降低了92.29%，通高電梯的空氣滲透量從2837.13 L/s降低至2751.24 L/s，降低了3.03%，其余各層電梯門壓差變化量不大，最大變化量不超過1.5 Pa。故對于在各層?？康耐ǜ唠娞?，在首層或頂層電梯廳設(shè)置前室門能有效的降低所在層電梯門的壓差，但對其余未設(shè)置前室門的電梯門壓差影響不大。

圖18 首層設(shè)置前室門對電梯豎井壓差分布的影響Fig.18 Effect on the distribution of pressure difference acting on the elevator shaft after setting elevator lobby door on the first floor

圖19 頂層設(shè)置前室門對電梯豎井壓差分布的影響Fig.19 Effect on the distribution of pressure difference acting on the elevator shaft after setting elevator lobby door on the top floor

對于僅在豎井兩端部分層?？康闹蓖娞?，在首層設(shè)置電梯前室門，壓差分布結(jié)果如圖20所示，首層電梯門壓差從40.2 Pa降低至17 Pa，降低了57.7%，底部其余各層電梯門壓差增大，頂部各層電梯門壓差絕對值降低，空氣滲透量從510.39 L/s降低至477.25 L/s，降低了6.49%。在頂層設(shè)置電梯前室門，結(jié)果如圖21所示，頂層電梯門壓差絕對值從56.9 Pa降低至5.1 Pa，降低了91.04%，頂部其余層電梯門壓差增大，底部各層電梯門壓差降低，通高電梯的空氣滲透量從510.39 L/s降低至332.63 L/s，降低了34.8%，故對于該類電梯，在首層或頂層電梯廳設(shè)置前室門能有效的降低所在層電梯門的壓差，但部分層未設(shè)置前室門的電梯門壓差會出現(xiàn)增大現(xiàn)象。

圖20 首層設(shè)置前室門對電梯豎井壓差分布的影響Fig.20 Effect on the distribution of pressure difference acting on the elevator shaft after setting elevator lobby door on the first floor

圖21 頂層設(shè)置前室門對電梯豎井壓差分布的影響Fig.21 Effect on the distribution of pressure difference acting on the elevator shaft after setting elevator lobby door on the top floor

2.6 風(fēng)速和風(fēng)向

除溫度外，室外風(fēng)壓也將影響建筑內(nèi)部的煙囪效應(yīng)表現(xiàn)。設(shè)該通用數(shù)值模型室內(nèi)溫度為20℃，室外溫度為?10℃，大廳推拉門全部處于關(guān)閉狀態(tài)，內(nèi)部為停靠各層的通高電梯，考慮不同風(fēng)速和風(fēng)向即風(fēng)壓對煙囪效應(yīng)的影響。

2.6.1 風(fēng)速對電梯井道與室外總壓差的影響

首先分析通用數(shù)值模型在0o風(fēng)向角下，4種不同風(fēng)速(0 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s)作用下，電梯井道內(nèi)部與通用數(shù)值模型的4個(gè)外側(cè)面的壓差(ΔPA、ΔPB、ΔPC和ΔPD)的分布特性，圖22～圖24給出數(shù)值模擬結(jié)果。

圖22 電梯井道與A面間的壓差Fig.22 Pressure difference between elevator shaft and side A

圖23 電梯井道與B(D)面間的壓差Fig.23 Pressure difference between elevator shaft and side B(D)

圖24 電梯井道與C面間的壓差Fig.24 Pressure difference between elevator shaft and side C

由圖22～圖24可以看出當(dāng)風(fēng)速為0 m/s時(shí)即純熱壓作用下，ΔPA、ΔPB、ΔPC和ΔPD基本呈線性分布，符合理論熱壓的分布規(guī)律；當(dāng)風(fēng)速從0 m/s逐漸增大到15 m/s時(shí)，由于A面為迎風(fēng)面承受正壓，B面、C面和D面絕大部分面積承受負(fù)壓作用，壓差ΔP逐漸受風(fēng)壓主導(dǎo)，呈現(xiàn)出風(fēng)壓分布規(guī)律，即由線型轉(zhuǎn)向非線型。整體上，迎風(fēng)面的壓差曲線隨風(fēng)速的增加整體逐漸向x軸正向偏移，A面的中性層位置逐漸提高，而B面、C面和D面的壓差曲線逐漸向x軸負(fù)向偏移，B面、C面和D面的中性層逐漸降低。

2.6.2 風(fēng)速對電梯井道內(nèi)外壓差的影響

對于電梯來說，井道內(nèi)、外壓差分布是更重要的參數(shù)，直接關(guān)系到電梯能否正常工作。圖25給出了通高電梯在0 m/s、5 m/s、10 m/s和15 m/s風(fēng)速下井道內(nèi)外壓差分布。

結(jié)果顯示，在0 m/s風(fēng)速即純熱壓作用下，電梯門的最大壓差絕對值出現(xiàn)在頂層，達(dá)到49.3 Pa，首層電梯門也出現(xiàn)較大的壓差，為46 Pa；風(fēng)速的增加將導(dǎo)致電梯最大壓差增大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15m/s，最大壓差絕對值出現(xiàn)在首層，為70.9 Pa。從圖25中還可以看出：1) 電梯井中性面的位置受風(fēng)速的影響較小，不同的風(fēng)速作用下中性層位置基本維持在28層不變；2) 井道壓差分布特性受風(fēng)速影響明顯，不同風(fēng)速結(jié)果差異顯著且在首層等空氣滲透量大的樓層的電梯井道壓差受風(fēng)速影響更加明顯。

圖25 電梯井道內(nèi)外兩側(cè)壓差Fig.25 Pressure difference between inside and outside of elevator shaft

2.6.3 風(fēng)向?qū)﹄娞菥琅c室外總壓差的影響

由于該通用數(shù)值模型為對稱結(jié)構(gòu)，故分析其在15 m/s的風(fēng)速下，5種不同風(fēng)向角(0o、45o、90o、135o和180o)作用下，電梯井道內(nèi)部與通用數(shù)值模型的4個(gè)建筑外表面的壓差(ΔPA、ΔPB、ΔPC和ΔPD)的分布特性，圖26～圖29給出數(shù)值模擬結(jié)果。

圖26 電梯井道與A面間的壓差Fig.26 Pressure difference between elevator shaft and side A

圖27 電梯井道與B面間的壓差Fig.27 Pressure difference between elevator shaft and side B

圖28 電梯井道與C面間的壓差Fig.28 Pressure difference between elevator shaft and side C

圖29 電梯井道與D面間的壓差Fig.29 Pressure difference between elevator shaft and side D

圖26～圖29可以看出風(fēng)向?qū)κ覂?nèi)外總壓差有較大的影響，且不同風(fēng)向角對不同面與電梯井道間壓差的影響程度是不同的。圖中可以看出，通用數(shù)值模型的A面與電梯井道間的壓差在0o風(fēng)向角下和在135o風(fēng)向角下相比變化最大，B面與電梯井道間的壓差在180o風(fēng)向角下和在90o風(fēng)向角下相比變化最大，C面與電梯井道間的壓差在180o風(fēng)向角下和在45o風(fēng)向角下相比變化最大，D面與電梯井道間的壓差在90o風(fēng)向角下和在135o風(fēng)向角下相比變化最大。

2.6.4 風(fēng)向?qū)﹄娞菥纼?nèi)外壓差的影響

對于電梯來說，井道內(nèi)、外壓差分布是更重要的參數(shù)，直接關(guān)系到電梯能否正常工作。圖30給出了通高電梯在0o、45o、90o、135o和180o風(fēng)向角下井道內(nèi)外壓差分布。

結(jié)果顯示，風(fēng)向的轉(zhuǎn)變對首層和頂層電梯的壓差影響較大，當(dāng)風(fēng)向角為0o時(shí)，首層電梯兩側(cè)出現(xiàn)最大壓差絕對值，為70.9 Pa，當(dāng)風(fēng)向角為45o時(shí)，頂層電梯兩側(cè)出現(xiàn)最大壓差絕對值為92.6 Pa。從圖30還可以看出：1) 電梯井中性面的位置受風(fēng)速的影響較小，不同的風(fēng)向角作用下基本維持在28層～30層不變；2) 首層和頂層電梯井道壓差分布特性受風(fēng)向影響明顯，但其余各層受風(fēng)向影響不大。

圖30 電梯井道內(nèi)外兩側(cè)壓差Fig.30 Pressure difference between inside and outside of elevator shaft

3 煙囪效應(yīng)緩解措施

煙囪效應(yīng)問題的防治，理想情況是從建筑初步設(shè)計(jì)階段開始介入，通過局部優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和室內(nèi)空間布局以避免潛在問題；然而由于設(shè)計(jì)規(guī)范的缺失，往往問題在建筑建成后才暴露，需要通過被動改建方式緩解煙囪效應(yīng)不利影響。可從建筑和電梯兩方面入手緩解煙囪效應(yīng)問題：

1) 電梯豎井分段設(shè)計(jì)。如第2節(jié)所述，超高層建筑煙囪效應(yīng)主要與室內(nèi)外溫差和井道高度有關(guān)，故可將電梯豎井合理地分段，即通過降低電梯井道高度的方式，緩解煙囪效應(yīng)問題。

2) 適當(dāng)增加煙囪效應(yīng)壓差傳導(dǎo)路徑上的室內(nèi)空間隔斷，采用分級承壓的方式分解煙囪效應(yīng)總壓差。如在電梯前室設(shè)置前室門，使前室門承擔(dān)部分壓差，從而降低所在層電梯門壓差。

3) 提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性等級。如提高幕墻氣密性等級，可整體降低作用于各層電梯門上的壓差；將大廳外推拉門更換為旋轉(zhuǎn)門或氣密性更好的“氣閘門”，避免門的開閉狀態(tài)影響建筑內(nèi)壓分布，可更好的降低目標(biāo)層電梯門兩側(cè)壓差。

4) 增加電梯門閉合力矩。這一措施不能從根本上治理煙囪效應(yīng)問題，煙囪效應(yīng)滲風(fēng)依然存在，電梯門壓差不變，但減少了電梯門開閉故障的幾率。

5) 在建筑內(nèi)設(shè)置機(jī)械增壓系統(tǒng)。在建筑上部數(shù)層大廳加壓，抑制氣流從井道的上部滲出，從而緩解煙囪效應(yīng)不利影響，但這一措施由于技術(shù)和成本的原因不常用。

4 結(jié)論

本文基于CAARC高層建筑標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)計(jì)了一種通用高層建筑煙囪效應(yīng)分析模型，采用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型方法，預(yù)測分析室外氣象環(huán)境、建筑內(nèi)部設(shè)計(jì)等不同影響因素對通高電梯門壓差的影響，結(jié)果表明：

(1) 相較于其他類型的電梯，通高電梯更易受煙囪效應(yīng)影響，在井道底部和頂部產(chǎn)生較大壓差，這也是許多建成超高層建筑冬季出現(xiàn)煙囪效應(yīng)導(dǎo)致電梯故障的原因。

(2) 超高層建筑煙囪效應(yīng)的影響因素除室外環(huán)境和電梯井道的高度外，還與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性、建筑內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)；提高幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密封等級能有效的削弱煙囪效應(yīng)的作用強(qiáng)度，降低各層電梯門的壓差。對于本文模型中的兩類通高電梯，將幕墻的氣密性等級從3級提升至4級，通高電梯空氣滲透量的降低率均大于40%，通高電梯頂層電梯門最大壓差降低約60%。

(3) 首層廳門的設(shè)計(jì)和狀態(tài)對煙囪效應(yīng)影響顯著。對本文設(shè)計(jì)的通用建筑模型，首層廳門如處于開敞狀態(tài)使建筑首層電梯門壓差升高達(dá)87.3 Pa～113.7 Pa。因此對實(shí)際建筑，需要做好首層的氣密性設(shè)計(jì)。

(4) 建筑首層或頂層電梯前室設(shè)置前室門后，電梯門壓差明顯降低，降低幅度達(dá)58%～92%。因此在實(shí)際建筑中，受煙囪效應(yīng)影響較大的樓層可采用增設(shè)電梯前室門的方式緩解。

(5) 分析結(jié)果顯示，煙囪效應(yīng)還受室外風(fēng)場作用的影響。相對熱壓作用，風(fēng)壓作用效應(yīng)更復(fù)雜，對于實(shí)際建筑工程，需要結(jié)合實(shí)際工程的風(fēng)氣象條件進(jìn)行具體研究。

以上基于通用高層建筑模型煙囪效應(yīng)的詳細(xì)參數(shù)分析得出的一般規(guī)律，對實(shí)際超高層建筑的煙囪效應(yīng)特性分析，以及強(qiáng)煙囪效應(yīng)的緩解措施，具有一定的價(jià)值參考。