超高层建筑的烟囱效应原理和实例

超高层建筑的烟囱效应原理和实例烟囱效应简介烟囱效应的产生。在有共享中庭、竖向通风（排烟）风道、楼梯间等具有类似烟囱特征——即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物（如水塔）中，空气（包括烟气）靠密度差的作用，沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象，即为烟囱效应。是指户内空气沿著有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。最常见的烟囱效应是火炉、锅炉运作时，产生的热空气随著烟囱向上升，在烟囱的顶部离开。因为烟囱中的热空气散溢而造成的气流，将户外的空气抽入填补，令火炉的火更猛烈。烟囱效应亦可以是逆向的。当户内的温度较户外为低(例如夏天使用空调时)，气流可以在烟囱内向下流动，将户外空气从烟囱抽入室内。烟囱效应的强度与烟囱的高度，户内及户外温度差距，和户内外空气流通的程度有关。在高楼大厦的环境内，烟囱效应可以是令火灾猛烈加剧的原因。在低层发生的火灾造成的热空气，因为密度较低，经电梯槽或走火通道内得以往上流动，使高热气体不断在通道的顶部积聚，结果是使火势透过这种空气的对流在大厦的顶层制造另一个火场。不单使扑救变得更困难，更会危及前往天台逃生的人员的生命安全。高层建筑烟囱效应分析烟囱的主要作用是拔火拔烟，排走烟气，改善燃烧条件。高层建筑内部一般设置数量不等的楼梯间、排风道、送风道、排烟道、电梯井及管道井等竖向井道，当室内温度高于室外温度时，室内热空气因密度小，便沿着这些垂直通道自然上升，透过门窗缝隙及各种孔洞从高层部分渗出，室外冷空气因密度大，由低层渗入补充，这就形成烟囱效应。烟囱效应是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果，通常以前者为主，而热压值与室内外温差产生的空气密度差及进排风口的高度差成正比。这说明，室内温度越是高于室外温度，建筑物越高，烟囱效应也越明显，同时也说明，民用建筑的烟囱效应一般只是发生在冬季。就一栋建筑物而言，理论上视建筑物的一半高度位置为中和面，认为中和面以下房问从室外渗入空气，中和面以上房间从室内渗出空气。在烟囱效应的作用下，室内有组织的自然通风、排烟排气得以实现，但其负面影响也是多方面的：首先，风沙通过低层部分各种孔洞、缝隙吹入室内，消耗热量并污染室内；其次，风通过电梯井由底层厅门人口被抽到顶层的过程中，导致梯门不能正常关闭；第三，当发生火灾时，随着室内空气温度的急剧升高，体积迅速增大，烟囱效应更加明显，此时，各种竖井成为拔火拔烟的垂直通道，是火灾垂直蔓延的主要途径，从而助长火势扩大灾情。有资料显示，烟气在竖向管井内的垂直扩散速度为3-4m／s，意味着高度为100m的高层建筑，烟火由底层直接窜至顶层只需30s左右。如果燃烧条件具备，整个大楼顷刻问便可能形成一片火海。为有效减弱烟囱效应产生的负面影响，可采取以下一些措施∶1.在冬季，空气主要是通过各种外门从底层流入室内，最直接的方法是将建筑通向外界的所有门，尽可能地设置成两道门、旋转门、加装门斗或在外门内侧设置空气幕等，这对于大厅门尤为必要，对于那些次要通道连同地下停车场的外门口等，在冬季也要装门，至少应增挂厚门帘。在冬季，电梯井顶部的通风孔应适当向小调整或关闭。2.对于已采暖的建筑物，尽量不使低层部分的室内温度高于高层部分。3.当火灾发生时，不仅在任何季节通过各类竖井产生烟囱效应，而且还可能在小范围内通过穿越楼板的空调管道，甚至是一些不引人注意的孔隙产生烟囱效应。对此，《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-1995）有以下明确规定∶（1）当围护结构采用幕墙形式时，“与每层楼板、隔墙处的缝隙，应采用不燃烧材料严密填实”。（2）“建筑高度不超过100m的高层建筑，其电缆井、管道井应每隔2~3层在楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔；建筑高度超过100m的高层建筑，应在每层楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔”。因施工缺陷、桥架和管道根部形成的各种孔隙，必须用不燃烧材料填塞密实。（3）“楼梯间和前室的门均为乙级防火门”，并“应具有自行关闭的功能”；各种竖向管井“井壁上的检查门应采用丙级防火门”：“电缆井、管道井与房间、走道等相连通的孔洞，其空隙应采用不燃烧材料填塞密实”：“垂直风管与每层水平风管交接处的水平管段上应设防火阀”：“厨房、浴室、厕所等的垂直排风管道，应采取防止回流的措施或在支管上设置防火阀”，以确保火灾时与走道及房间的分隔，防止各楼层之间通过竖井交叉蔓延。实际案例一台湾汐止东方科学园区的大火，这场火在凌晨4:00由三楼开始起火，火势一度获得控制，但接着火势跳跃中间的楼层，直接从十六楼又开始起火，据推测很可能就是所谓的烟囱效应造成此种延烧方式，接下来，就让我们来了解一下，何谓烟囱效应。当火势在建筑物内部形成时，内部空气因受热而密度变低，烟流因浮力效应向上流动，而在高层建筑中，有楼梯间、电梯竖井及管路间等垂直通路，正好提供烟流垂直流动的管道，烟层于是向上蓄积，理想上烟层会到达楼顶后再以水平的方向漫延到楼层内部，而夹在起火层及烟层蓄积层间的楼层是不会有烟流漫延到楼层内部，一直要到烟层下降到该面的楼层，才会有烟流漫延。实际情形下，烟层是否会在楼顶蓄积要视楼层高度、外界温度、火场温度等决定，譬如说，大楼为30层的建筑，由于上述条件的交互影响，烟层有可能到达不了楼顶，可能在楼层第20层开始蓄积，并向水平漫延，此时，20层已上的楼层不会感受到有烟流的存在。要防止烟囱效应对生命财产的危害，最重要的就是要做好各垂直通道、管道间的防火阻绝，不要有空隙让烟流可往水平方向流窜，就能将危害减到最小。另外也建议于垂直通道、管道间设置专用的侦测器，用以掌控藉烟囱效应流窜的烟流。实际案例二阿联酋迪拜市的纳赫勒港湾大楼(nakheeltower)是一座高度1000米以上的摩天大楼。由于它实在太高了，因此需要平面尺寸非常大（直径100米）。才能限制其高宽比不超过10，同时为了保证使用房间的采光要求，为止设计师采用的巨大的中庭直通上下，将有效房间布置在建筑物的四周，并将建筑体分割留出间隙，以利于减小横向效应和风荷载，这样还可以减小烟囱效应。一般的超高层设计中，比如500米左右的楼可能产生超过15摄氏度的温度差，而纳赫勒港湾大楼(nakheeltower)的温度差异达到了25摄氏度以上，相当在大楼的顶底之间产生了接近800Pa的压力，即底部或顶部具有400Pa左右的压力，这就大大超过了一般通用防火规范的要求，纳赫勒港湾大楼(nakheeltower)在实际设计中对于楼梯电梯井等空间采用了温度控制措施，以确保烟囱效应控制在合理的范围内。实用案例澳大利亚EnviroMission公司正在准备建造一个规模庞大的太阳能风力发电站，即“太阳塔”工程。该发电装置位于澳大利亚新南威尔士州（NewSouthWales）温特乌斯郡（Wentworth）的波朗格（Buronga）。这座高达1000米的“太阳塔”发电容量达到200MW，足够20万户家庭使用，相当于澳大利亚Tasmania州首府Hobart全市或者墨尔本主要郊区Geelong全市的用电量。“太阳塔”投入运行之后，每年可以减少至少90万吨温室气体CO2的产生，生命周期分析为2.5年（名词解释：生命周期分析主要是针对产品进行的，是对某种产品从原料采掘到生产、到产品直至其最终处置的过程，考察其对环境的影响）。澳大利亚“太阳塔”工程共分为六个阶段进行：设计优化（已完成）、商业可行性预测和探讨（已完成）、可行性最终讨论（正在进行）、设计和施工方案的最终审定、施工和调试、投入商业运作。EnviroMission目前还处于第三阶段运作，主要包括项目协作和筹集资金。技术原理“太阳塔”技术原理如下：太阳对“太阳塔”底部圆盘状集热器中的空气加热，由于“烟囱效应”，集热区域的空气被太阳辐射加热后便向塔底部流去，在塔内集中并形成一股向上流动的强大空气流，热气流沿着“太阳塔”这根“烟囱”继续向上升，推动塔内特别设计的一组32台每台发电容量为6.25MW的涡轮，产生电力。塔底入口处空气温度为70℃，空气流速为15m/s，塔顶空气出口温度为20℃。到了晚上，白天积聚在热能存储单元中的热能，此时开始释放出来，继续推动涡轮旋转，因而“太阳塔”可以一年365天、一天24小时不间断地工作。中试样机为了确保澳大利亚“太阳塔”发电的成功，德国的设计者和建造工程公司SchlaichBergermannandPartner联同西班牙政府，在西班牙的Manzanares建造了一个小型的样板装置进行中试。中试样机在1982至1989间的7年运行中产生了50KW的电能。中试的研究结果验证了这种风道式太阳能发电的构想是可行的，过程中取得的数据为下一步扩大规模的设计提供了依据。设计者“太阳塔”之设计出自于德国著名建筑工程师J?rgSchlaich教授的手笔。J、rgSchlaich教授是建造慕尼黑奥运场的德国公司SchlaichBergermannandPartner的始创合伙人之一，这德国公司曾建造香港的汀九桥（TingKauBridge）及加拿大蒙特利尔奥运场。烟囱效应在暖通工程中的应用1、概述(1)烟囱效应的产生。在有共享中庭、竖向通风(排烟)风道、楼梯间等具有类似烟囱特征———即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物(如水塔)中,空气(包括烟气)靠密度差的作用,沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象,即为烟囱效应。空气(烟气)从低处压入,穿过建筑物向上流动,这种现象被称为正热压作用。在中间某一高度,内外压力相同,即存在一个中性压力面,由烟囱效应造成的压力差和气流分布,以及中性压力面的位置,取决于建筑物内分隔物的开口对气体流动的限制程度。(2)烟囱效应的危害。烟囱效应随建筑物的内外温度差以及建筑物高度的增加而增加,在火灾发生于较低层时,烟囱效应对竖井和较高层的影响尤为显著,此时烟从低层上升至高层内的力更大。大楼里纵横交错的各种管道、高层建筑中垂直的楼梯间、电梯井、衣物滑槽以及封堵不严的管道井,火灾时由于燃烧放出大量热量,室内温度快速升高,使火灾的蔓延加快。烟气沿竖向井道上升的速度有时甚至可达8m/s,火势沿外墙向上扩大,玻璃幕墙建筑遭受危险更大。2、烟囱效应的防治烟囱效应的防治主要是侧重于火灾中火焰与烟气沿“烟囱”通道的传递与蔓延。对于普通的住宅与公共建筑,烟囱效应主要产生于楼梯间、共享大厅;对于高档写字楼和宾馆等建筑,空调、通风系统的风道也是烟囱效应的构成因素,这类通道较长、阻力大,相对于前者烟囱效应不是很明显。烟囱效应的另一个防治目标就是有毒气体的扩散。烟囱效应的防治办法有:(1)通道与楼梯间之间要设置防火门,保证闭门器的完好。(2)楼梯间和共享大厅内不能堆放易燃、易挥发的有毒气体、易产生烟气的材料与物体,保证一定人员通行。(3)通风道设置防火阀,不利于人工操作的调节阀等应采取电动装置。(4)充分利用建筑物的构造进行自然排烟。在自然作用力下,室内外空气对流进行排烟,一般采用可开启的外窗、窗外阳台或凹廊进行自然排烟。3、烟囱效应的利用烟囱效应的利用主要是达到夏季室内温度比较舒适、不消耗或尽量少消耗动力及电能进行通风换气的功效。(1)充分利用共享中庭,以“堵”、“疏”方式合理组织通风。内中庭,从底层一直通向屋顶,一年当中,中庭会形成各种环境效应,是一个可调节的开启空间,能促使建筑形成良好的自然通风。中庭顶部有电动天窗,两侧各有一排排烟和通风两用的排烟窗,在空气热动力作用下,新鲜空气从下向上自然运动,形成“烟囱效应”,使污浊空气和热气排出大楼。(2)住宅建筑推广字母式风道,扩大母风道截面积,增大通风效果。旧式的子母风道的母风道截面积小,内部粗糙度过大,导致自然通风的阻力加大。母风道截面加大后,自然通风能保持在层流状态,在温差的影响下,获得较大的流速,形成负压,室内空气顺利通过子风道进入母风道排出。(3)有些建筑采用了呼吸式双层玻璃幕墙系统,在设计上打破了传统玻璃幕墙系统的结构形式。内外层窗中间增加了60厘米的通道,内置电动遮阳百叶,外层底部设置可调节开启的通风口,上部间隔设有电动平行外推窗。根据室内外不同气候状况进行调节,在空