超高層建筑及煙囪效應(yīng)原理和實例(Stackeffectdesign).doc

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超高層建筑的煙囪效應(yīng)原理和實例(Stack effect design)煙囪效應(yīng)簡介煙囪效應(yīng)的產(chǎn)生。在有共享中庭、豎向通風(fēng)（排煙）風(fēng)道、樓梯間等具有類似煙囪特征即從底部到頂部具有通暢的流通空間的建筑物、構(gòu)筑物（如水塔）中，空氣（包括煙氣）靠密度差的作用，沿著通道很快進行擴散或排出建筑物的現(xiàn)象，即為煙囪效應(yīng)。是指戶內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強對流的現(xiàn)象。最常見的煙囪效應(yīng)是火爐、鍋爐運作時，產(chǎn)生的熱空氣隨著煙囪向上升，在煙囪的頂部離開。因為煙囪中的熱空氣散溢而造成的氣流(Draft)，將戶外的空氣抽入填補，令火爐的火更猛烈。煙囪效應(yīng)亦可以是逆向的。當(dāng)戶內(nèi)的溫度較戶外為低(例如夏天使用空調(diào)時)，氣流可以在煙囪內(nèi)向下流動，將戶外空氣從煙囪抽入室內(nèi)。煙囪效應(yīng)的強度與煙囪的高度，戶內(nèi)及戶外溫度差距，和戶內(nèi)外空氣流通的程度有關(guān)。在高樓大廈的環(huán)境內(nèi)，煙囪效應(yīng)可以是令火災(zāi)猛烈加劇的原因。在低層發(fā)生的火災(zāi)造成的熱空氣，因為密度較低，經(jīng)電梯槽或走火通道內(nèi)得以往上流動，使高熱氣體不斷在通道的頂部積聚，結(jié)果是使火勢透過這種空氣的對流在大廈的頂層制造另一個火場。不單使撲救變得更困難，更會危及前往天臺逃生的人員的生命安全。高層建筑煙囪效應(yīng)分析煙囪的主要作用是拔火拔煙，排走煙氣，改善燃燒條件。高層建筑內(nèi)部一般設(shè)置數(shù)量不等的樓梯間、排風(fēng)道、送風(fēng)道、排煙道、電梯井及管道井等豎向井道，當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外溫度時，室內(nèi)熱空氣因密度小，便沿著這些垂直通道自然上升，透過門窗縫隙及各種孔洞從高層部分滲出，室外冷空氣因密度大，由低層滲入補充，這就形成煙囪效應(yīng)。煙囪效應(yīng)是室內(nèi)外溫差形成的熱壓及室外風(fēng)壓共同作用的結(jié)果，通常以前者為主，而熱壓值與室內(nèi)外溫差產(chǎn)生的空氣密度差及進排風(fēng)口的高度差成正比。這說明，室內(nèi)溫度越是高于室外溫度，建筑物越高，煙囪效應(yīng)也越明顯，同時也說明，民用建筑的煙囪效應(yīng)一般只是發(fā)生在冬季。就一棟建筑物而言，理論上視建筑物的一半高度位置為中和面，認(rèn)為中和面以下房問從室外滲入空氣，中和面以上房間從室內(nèi)滲出空氣。在煙囪效應(yīng)的作用下，室內(nèi)有組織的自然通風(fēng)、排煙排氣得以實現(xiàn)，但其負(fù)面影響也是多方面的：首先，風(fēng)沙通過低層部分各種孔洞、縫隙吹入室內(nèi)，消耗熱量并污染室內(nèi)；其次，風(fēng)通過電梯井由底層廳門人口被抽到頂層的過程中，導(dǎo)致梯門不能正常關(guān)閉；第三，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，隨著室內(nèi)空氣溫度的急劇升高，體積迅速增大，煙囪效應(yīng)更加明顯，此時，各種豎井成為拔火拔煙的垂直通道，是火災(zāi)垂直蔓延的主要途徑，從而助長火勢擴大災(zāi)情。有資料顯示，煙氣在豎向管井內(nèi)的垂直擴散速度為3-4ms，意味著高度為100m的高層建筑，煙火由底層直接竄至頂層只需30s左右。如果燃燒條件具備，整個大樓頃刻問便可能形成一片火海。為有效減弱煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)面影響，可采取以下一些措施1.在冬季，空氣主要是通過各種外門從底層流入室內(nèi)，最直接的方法是將建筑通向外界的所有門，盡可能地設(shè)置成兩道門、旋轉(zhuǎn)門、加裝門斗或在外門內(nèi)側(cè)設(shè)置空氣幕等，這對于大廳門尤為必要，對于那些次要通道連同地下停車場的外門口等，在冬季也要裝門，至少應(yīng)增掛厚門簾。在冬季，電梯井頂部的通風(fēng)孔應(yīng)適當(dāng)向小調(diào)整或關(guān)閉。2.對于已采暖的建筑物，盡量不使低層部分的室內(nèi)溫度高于高層部分。3.當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，不僅在任何季節(jié)通過各類豎井產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，而且還可能在小范圍內(nèi)通過穿越樓板的空調(diào)管道，甚至是一些不引人注意的孔隙產(chǎn)生煙囪效應(yīng)。對此，高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范（GB50045-1995）有以下明確規(guī)定（1）當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)采用幕墻形式時，“與每層樓板、隔墻處的縫隙，應(yīng)采用不燃燒材料嚴(yán)密填實”。（2）“建筑高度不超過100m的高層建筑，其電纜井、管道井應(yīng)每隔23層在樓板處用相當(dāng)于樓板耐火極限的不燃燒體作防火分隔；建筑高度超過100m的高層建筑，應(yīng)在每層樓板處用相當(dāng)于樓板耐火極限的不燃燒體作防火分隔”。因施工缺陷、橋架和管道根部形成的各種孔隙，必須用不燃燒材料填塞密實。 （3）“樓梯間和前室的門均為乙級防火門”，并“應(yīng)具有自行關(guān)閉的功能”；各種豎向管井“井壁上的檢查門應(yīng)采用丙級防火門”：“電纜井、管道井與房間、走道等相連通的孔洞，其空隙應(yīng)采用不燃燒材料填塞密實”：“垂直風(fēng)管與每層水平風(fēng)管交接處的水平管段上應(yīng)設(shè)防火閥”：“廚房、浴室、廁所等的垂直排風(fēng)管道，應(yīng)采取防止回流的措施或在支管上設(shè)置防火閥”，以確?；馂?zāi)時與走道及房間的分隔，防止各樓層之間通過豎井交叉蔓延。實際案例一臺灣汐止東方科學(xué)園區(qū)的大火，這場火在凌晨4:00由三樓開始起火，火勢一度獲得控制，但接著火勢跳躍中間的樓層，直接從十六樓又開始起火，據(jù)推測很可能就是所謂的煙囪效應(yīng)造成此種延燒方式，接下來，就讓我們來了解一下，何謂煙囪效應(yīng)。當(dāng)火勢在建筑物內(nèi)部形成時，內(nèi)部空氣因受熱而密度變低，煙流因浮力效應(yīng)向上流動，而在高層建筑中，有樓梯間、電梯豎井及管路間等垂直通路，正好提供煙流垂直流動的管道，煙層于是向上蓄積，理想上煙層會到達樓頂后再以水平的方向漫延到樓層內(nèi)部，而夾在起火層及煙層蓄積層間的樓層是不會有煙流漫延到樓層內(nèi)部，一直要到煙層下降到該面的樓層，才會有煙流漫延。實際情形下，煙層是否會在樓頂蓄積要視樓層高度、外界溫度、火場溫度等決定，譬如說，大樓為30層的建筑，由于上述條件的交互影響，煙層有可能到達不了樓頂，可能在樓層第20層開始蓄積，并向水平漫延，此時，20層已上的樓層不會感受到有煙流的存在。要防止煙囪效應(yīng)對生命財產(chǎn)的危害，最重要的就是要做好各垂直通道、管道間的防火阻絕，不要有空隙讓煙流可往水平方向流竄，就能將危害減到最小。另外也建議于垂直通道、管道間設(shè)置專用的偵測器，用以掌控藉煙囪效應(yīng)流竄的煙流。實際案例二阿聯(lián)酋迪拜市的納赫勒港灣大樓(nakheel tower)是一座高度1000米以上的摩天大樓，如圖所示。由于它實在太高了，因此需要平面尺寸非常大（直徑100米），如圖所示。才能限制其高寬比不超過10，同時為了保證使用房間的采光要求，為止設(shè)計師采用的巨大的中庭直通上下，將有效房間布置在建筑物的四周，并將建筑體分割留出間隙，以利于減小橫向效應(yīng)和風(fēng)荷載，這樣還可以減小煙囪效應(yīng)，如圖所示。一般的超高層設(shè)計中，比如500米左右的樓可能產(chǎn)生超過15攝氏度的溫度差，而納赫勒港灣大樓(nakheel tower)的溫度差異達到了25攝氏度以上，相當(dāng)在大樓的頂?shù)字g產(chǎn)生了接近800Pa的壓力，即底部或頂部具有400Pa左右的壓力，這就大大超過了一般通用防火規(guī)范的要求，納赫勒港灣大樓(nakheel tower)在實際設(shè)計中對于樓梯電梯井等空間采用了溫度控制措施，以確保煙囪效應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。澳大利亞EnviroMission公司正在準(zhǔn)備建造一個規(guī)模龐大的太陽能風(fēng)力發(fā)電站，即“太陽塔”工程。該發(fā)電裝置位于澳大利亞新南威爾士州（New South Wales）溫特烏斯郡（Wentworth）的波朗格（Buronga）。這座高達1000米的“太陽塔”發(fā)電容量達到200MW，足夠20萬戶家庭使用，相當(dāng)于澳大利亞Tasmania州首府Hobart全市或者墨爾本主要郊區(qū)Geelong全市的用電量?！疤査蓖度脒\行之后，每年可以減少至少90萬噸溫室氣體CO2的產(chǎn)生，生命周期分析為2.5年（名詞解釋：生命周期分析主要是針對產(chǎn)品進行的，是對某種產(chǎn)品從原料采掘到生產(chǎn)、到產(chǎn)品直至其最終處置的過程，考察其對環(huán)境的影響）。澳大利亞“太陽塔”工程共分為六個階段進行：設(shè)計優(yōu)化（已完成）、商業(yè)可行性預(yù)測和探討（已完成）、可行性最終討論（正在進行）、設(shè)計和施工方案的最終審定、施工和調(diào)試、投入商業(yè)運作。EnviroMission目前還處于第三階段運作，主要包括項目協(xié)作和籌集資金。 技術(shù)原理“太陽塔”技術(shù)原理如下：太陽對“太陽塔”底部圓盤狀集熱器中的空氣加熱，由于“煙囪效應(yīng)”，集熱區(qū)域的空氣被太陽輻射加熱后便向塔底部流去，在塔內(nèi)集中并形成一股向上流動的強大空氣流，熱氣流沿著“太陽塔”這根“煙囪”繼續(xù)向上升，推動塔內(nèi)特別設(shè)計的一組32臺每臺發(fā)電容量為6.25MW的渦輪，產(chǎn)生電力。塔底入口處空氣溫度為70，空氣流速為15m/s，塔頂空氣出口溫度為20。到了晚上，白天積聚在熱能存儲單元中的熱能，此時開始釋放出來，繼續(xù)推動渦輪旋轉(zhuǎn)，因而“太陽塔”可以一年365天、一天24小時不間斷地工作。 中試樣機為了確保澳大利亞“太陽塔”發(fā)電的成功，德國的設(shè)計者和建造工程公司Schlaich Bergermann and Partner聯(lián)同西班牙政府，在西班牙的Manzanares建造了一個小型的樣板裝置進行中試。中試樣機在1982至1989間的7年運行中產(chǎn)生了50KW的電能。中試的研究結(jié)果驗證了這種風(fēng)道式太陽能發(fā)電的構(gòu)想是可行的，過程中取得的數(shù)據(jù)為下一步擴大規(guī)模的設(shè)計提供了依據(jù)。設(shè)計者“太陽塔”之設(shè)計出自于德國著名建筑工程師J?rg Schlaich教授的手筆。J?rg Schlaich教授是建造慕尼黑奧運場的德國公司Schlaich Bergermann and Partner的始創(chuàng)合伙人之一，這德國公司曾建造香港的汀九橋（Ting Kau Bridge）及加拿大蒙特利爾奧運場。