1、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。因为烟囱屮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2、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，结來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3、沿着这些垂肓通道自然上升，透过门窗缝隙及各种孔洞从 高层部分渗出，室外冷空气因密度人，由低层渗入补充，这就形成朋囱效应。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，民川建筑的烟囱效应一般只是发牛在冬季。就一 栋建筑物而言，理论上视建筑物的一半高度位置为屮和面，认为屮和面以下房问从室外渗入 空气，屮和而以上房间从室内渗出空气。在烟囱效应的作用下，室内有组织的口然通风、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4、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屮，导致梯门不能正常关闭；第三，当发主 火灾时，随着室内空气温度的急剧升高，体积迅速增大，朋囱效应更加明显，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，从而助氏火势扩大灾情。冇资料 显示，烟气在竖向管井内的垂肓扩散速度为3-4m / s,意味着高度为100m的高层建筑，烟 火山底层直接窜至顶层只需30s左右。如果燃烧条件貝备，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而影响，可采取以下一些措就：1. 在冬季，空气主要是通过各种外门从底层流入室内，最肓接5、的方法是将建筑通向外界 的所冇门，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 人厅门尤为必要，对于那些次要通道连同地下停车场的外门I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，其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6、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23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 处用和当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔二因施工缺陷、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“井壁上的检查门应釆用丙级防火门S “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S “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S “厨房、浴室、丿则所等的垂直排7、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义蔓延。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 适成此种延烧方式，接下來，就让我们來了解一下，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，正好捉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8、烟层蓄积层间的楼层是不会有烟流漫延到楼层内部，一肓要到烟层下降到该面的楼层, 才会有烟流漫延。实际情形下，烟层是否会在楼顶蒂积要视楼层高度、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2()层开始蓄积，并向水平漫延，此时，2()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，最重婆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、 管道间设迸专用的侦测器，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(nak9、heel tower)是座高度1000 X以上的摩天人楼。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，将冇效房间布 登在建筑物的四周，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。一般的超髙层设计中，比如500米左右的楼可能产牛:超过15摄氏度的温度 差，而纳赫勒港湾大楼(nakhccl tower)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，即底部或顶部貝有400Pa左右的压力，这就大大超过了一般 通用防火规10、范的要求，纳赫勒港湾大楼(nakheel tower)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。该发电装置位于澳人利亚新南威尔士州(New South Wales)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 人利亚Tasmania州首府Hobart全市或者墨尔木上要郊区Geelong全市的用电量。“太阳塔投入运行之后，每年可以减少至少9011、万吨温室气体CO2的产住，生命周期分 析为2.5年(名词解释：生命周期分析主耍是针对产品进行的，是対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 R前还处于第三阶段运作，主要包括项冃协作和筹集资金。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 效丿0,集热区域的空气被太阳辐射加热示便向塔底部流去，在塔内集屮并形成一12、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 台毎台发电容量为6.25MW的涡轮，产生电力。塔底入口处空气温度为70C,空气流速为 15m/s,塔顶空气出口温度为20C。到了晚上，白天积聚在热能存储单元中的热能，此时开 始释放出來，继续推动涡轮旋转，因而“太阳塔”可以一年365大、一犬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，徳国的设计者和建造工程公司Schlaich Bergermann and Partner联同西班芳政府，在四班牙的Manzanares建造了一个小型的样板装 置进行中试。中试样机在1982至1913、89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，过程中収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徳国著名建筑工程师J?g Schlaich教授的手笔。J rg Schlaich教 授是建造慕尼黑奥运场的德国公司Schlaich Bergemiann and Partner的始创合伙人Z，这德 国公司曾建造香港的汀九桥(Ting Kau Bridge)及加拿人蒙特利尔奥运场。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一 即从底部到顶部具有通畅14、的流通空间的建筑物、构筑物(如水塔)屮，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,这种现彖被称为正热压作用。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休流动的限制程度。(2) 烟囱效应的危害。烟囱效应随建筑物的内外温度并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15、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。焰 气沿竖向井道上升的速度有时其至可达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屮火焰与烟气沿“烟囱”通道的传递与蔓延。对于普 通的住宅与公共建筑，烟囱效应主要产牛于楼梯间、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16、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) 通风道设宜防火阀，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。在口然作用力下，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李索内温度比较舒适、不消耗或尽量少消耗动力及电能进 行通风换气的功效。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，两17、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人楼。(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。14式的了母风道的母风道 截血积小，内部粗糙度过大,导致自然通风的阻力加大。母风道截血加大后，自然通风能保持在 层流状态,在温差的影响卜；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。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，上部间隔设冇电动平行外推窗。根据室内外不同气候状况进行调节,在空气动力作用下, 达到冬暖夏凉的最佳效果。整个幕墙系统实现自动调节，最人程度满足人体的健康和舒适， 节约了暖通和照明设施的能耗。通过电动执行机构的组合控制,有效利用自然气流、风力、 风量、照度及室内温差等自然条件，达到节能效果。4、结语烟囱效应是因为有高、大的空间存在，在热压的作用下,产生了空气较强烈的流动。如何 防止与消减烟囱效应，以最大限度地减小对火灾的增强作用；如何利用与制造烟囱效应，以改 善建筑物内的环境，最大限度地增加通风换气，应是建筑设计与施工中注意的问题