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1、超高層建筑的煙囪效應原理和實例煙囪效應簡介煙囪效應的產生。在有共享中庭、豎向通風（排煙）風道、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象，即為煙囪效應。是指戶內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象。最常見的煙囪效應是火爐、鍋爐運作時，產生的熱空氣隨著煙囪向上升，在煙囪的頂部 離開。因為煙囪屮的熱空氣散溢而造成的氣流，將戶外的空氣抽入填補，令火爐的火更猛烈。煙囪效應亦可以是逆向的。當戶內的溫度較戶外為低（例如夏天使用空調時），氣流可以 在煙囪內向下流動，將2、戶外空氣從煙囪抽入室內。煙囪效應的強度與煙囪的高度，戶內及戶外溫度差距，和戶內外空氣流通的程度有關。在高樓大廈的環境內，煙囪效應可以是令火災猛烈加劇的原因。在低層發生的火災造成 的熱空氣，因為密度較低，經電梯槽或走火通道內得以往上流動，使高熱氣體不斷在通道的 頂部積聚，結來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。高層建筑內部一般設置數量不 等的樓梯間、排風道、送風道、排煙道、電梯井及管道井等豎向井道，當室內溫度高于室外 溫度時，室內熱空氣因密度小，便3、沿著這些垂肓通道自然上升，透過門窗縫隙及各種孔洞從 高層部分滲出，室外冷空氣因密度人，由低層滲入補充，這就形成朋囪效應。煙囪效應是室 內外溫差形成的熱壓及室外風壓共同作用的結果，通常以前者為主，而熱壓值與室內外溫差 產生的空氣密度差及進排風口的高度差成正比。這說明，室內溫度越是高于室外溫度，建筑 物越高，煙囪效應也越明顯，同時也說明，民川建筑的煙囪效應一般只是發牛在冬季。就一 棟建筑物而言，理論上視建筑物的一半高度位置為屮和面，認為屮和面以下房問從室外滲入 空氣，屮和而以上房間從室內滲出空氣。在煙囪效應的作用下，室內有組織的口然通風、排煙排氣得以實現，但其負面影響也是 多方面的：首先，風沙通過4、低層部分各種孔洞、縫隙吹入室內，消耗熱量并污染室內；其次, 風通過電梯井由底層廳門人口被抽到頂層的過程屮，導致梯門不能正常關閉；第三，當發主 火災時，隨著室內空氣溫度的急劇升高，體積迅速增大，朋囪效應更加明顯，此時，各種豎 井成為拔火拔煙的垂直通道，是火災垂直蔓延的主要途徑，從而助氏火勢擴大災情。冇資料 顯示，煙氣在豎向管井內的垂肓擴散速度為3-4m / s,意味著高度為100m的高層建筑，煙 火山底層直接竄至頂層只需30s左右。如果燃燒條件貝備，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產生的負而影響，可采取以下一些措就：1. 在冬季，空氣主要是通過各種外門從底層流入室內，最肓接5、的方法是將建筑通向外界 的所冇門，盡可能地設置成兩道門、旋轉門、加裝門斗或在外門內側設置空氣幕等，這對于 人廳門尤為必要，對于那些次要通道連同地下停車場的外門I等，在冬季也要裝門，至少應 增掛厚門簾。在冬季，電梯井頂部的通風孔應適當向小調整或關閉。2. 對于已采暖的建筑物，盡量不使低層部分的室內溫度高于高層部分。3. 當火災發生時，不僅在任何季節通過各類豎井產生煙囪效應，而且還可能在小范圍內 通過穿越樓板的空調管道，其至是一些不引人注意的孔隙產生煙囪效應。對此，高層民用 建筑設計防火規范（GB50045-1995）有以下明確規定：（1）當圍護結構采用幕墻形式時，“與每層樓板、隔墻處的縫隙，應采6、用不燃燒材料嚴密 填實”。(2) “建筑高度不超過100m的高層建筑，其電纜井、管道井應每隔23層在樓板處用相 當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，應在每層樓板 處用和當于樓板耐火極限的不燃燒體作防火分隔二因施工缺陷、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“應具有自行關閉的功能”；各種豎向管 井“井壁上的檢查門應釆用丙級防火門S “電纜井、管道井與房間、走道等相連通的孔洞， 其空隙應采用不燃燒材料填塞密實S “垂直風管與每層水平風管交接處的水平管段上應設防 火閥S “廚房、浴室、丿則所等的垂直排7、風管道，應采取防止回流的措施或在支管上設置防火 閥，以確保火災時與走道及房間的分隔，防止各樓層之間通過豎井交義蔓延。實際案例一臺灣汐止東方科學園區的大火，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，據推測很可能就是所謂的煙囪效應 適成此種延燒方式，接下來，就讓我們來了解一下，何謂煙囪效應。當火勢在建筑物內部形成時，內部空氣因受熱而密度變低，煙流因浮力效應向上流動, 而在高層建筑中，有樓梯間、電梯豎井及管路間等垂直通路，正好捉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部，而夾在起火 層及8、煙層蓄積層間的樓層是不會有煙流漫延到樓層內部，一肓要到煙層下降到該面的樓層, 才會有煙流漫延。實際情形下，煙層是否會在樓頂蒂積要視樓層高度、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2()層開始蓄積，并向水平漫延，此時，2()層已上的樓層不會感受到有煙 流的存在。要防止煙囪效應對生命財產的危害，最重婆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、 管道間設迸專用的偵測器，用以掌控藉煙囪效應流竄的煙流。實際案例二阿聯酋迪拜市的納赫勒港灣大樓(nak9、heel tower)是座高度1000 X以上的摩天人樓。由 于它實在太高了，因此需要平面尺寸非常大(直徑100米)。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，為止設計師采用的巨大的中庭直通上下，將冇效房間布 登在建筑物的四周，并將建筑體分割留出間隙，以利于減小橫向效應和風荷載，這樣還可以 減小煙囪效應。一般的超髙層設計中，比如500米左右的樓可能產牛:超過15攝氏度的溫度 差，而納赫勒港灣大樓(nakhccl tower)的溫度差異達到了 25攝氏度以上，相當在大樓的頂底 之間產生了接近800Pa的壓力，即底部或頂部貝有400Pa左右的壓力，這就大大超過了一般 通用防火規10、范的要求，納赫勒港灣大樓(nakheel tower)在實際設計中對于樓梯電梯井等空間 采用了溫度控制措施，以確保煙囪效應控制在合理的范圍內。實用案例澳大利亞EnviroMission公司正在準備建造一個規模龐大的太陽能風力發電站，即“太陽 塔”工程。該發電裝置位于澳人利亞新南威爾士州(New South Wales)溫特烏斯郡(Wentworth) 的波朗格(Buronga)。這座高達1000米的“太陽塔”發電容量達到200MW,足夠20萬戶家庭使用，相當于澳 人利亞Tasmania州首府Hobart全市或者墨爾木上要郊區Geelong全市的用電量。“太陽塔投入運行之后，每年可以減少至少9011、萬噸溫室氣體CO2的產住，生命周期分 析為2.5年(名詞解釋：生命周期分析主耍是針對產品進行的，是対某種產品從原料采掘到 生產、到產品直至其最終處置的過程，考察-其對環境的影響)。澳大利亞“太陽塔”工程共分為六個階段進行：設計優化(已完成)、商業可行性預測和 探討(已完成)、可行性最終討論(正在進行)、設計和施工方案的最終審定、施工和調試、 投入商業運作。EnviroMission R前還處于第三階段運作，主要包括項冃協作和籌集資金。技術原理“太陽塔”技術原理如下：太陽對“太陽塔”底部圓盤狀集熱器中的空氣加熱，由于“煙囪 效丿0,集熱區域的空氣被太陽輻射加熱示便向塔底部流去，在塔內集屮并形成一12、股向上流 動的強大空氣流，熱氣流沿著“太陽塔這根“煙囪”繼續向上升，推動塔內特別設計的一組32 臺毎臺發電容量為6.25MW的渦輪，產生電力。塔底入口處空氣溫度為70C,空氣流速為 15m/s,塔頂空氣出口溫度為20C。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，繼續推動渦輪旋轉，因而“太陽塔”可以一年365大、一犬24小時不間斷地工 作。中試樣機為了確保澳大利亞“太陽塔”發電的成功，徳國的設計者和建造工程公司Schlaich Bergermann and Partner聯同西班芳政府，在四班牙的Manzanares建造了一個小型的樣板裝 置進行中試。中試樣機在1982至1913、89間的7年運行中產生了 50KW的電能。中試的研究 結果驗證了這種風道式太陽能發電的構想是可行的，過程中収得的數據為下一步擴大規模的 設計提供了依據。設計者太陽塔之設計出自于徳國著名建筑工程師J?g 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 Bergemiann and Partner的始創合伙人Z，這德 國公司曾建造香港的汀九橋(Ting Kau Bridge)及加拿人蒙特利爾奧運場。煙囪效應在暖通工程中的應用1、概述(1) 煙囪效應的產生。在有共享中庭、豎向通風(排煙)風道、樓梯間等具有類似煙囪特征一 即從底部到頂部具有通暢14、的流通空間的建筑物、構筑物(如水塔)屮，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象，即為煙囪效應。空氣(煙氣)從低 處壓入，穿過建筑物向上流動,這種現彖被稱為正熱壓作用。在中間某一高度，內外壓力相同， 即存在一個中性壓力面，由煙囪效應造成的壓力差和氣流分布，以及中性壓力面的位置，取決 于建筑物內分隔物的開口對氣休流動的限制程度。(2) 煙囪效應的危害。煙囪效應隨建筑物的內外溫度并以及建筑物高度的增加而增加,在火災 發生于較低層時，煙囪效應對豎井和較高層的影響尤為顯著，此時煙從低層上升至高層內的 力更大。大樓里縱橫交錯的各種管道、高層建筑中垂直的樓梯間、電梯井、衣物15、滑槽以及封 堵不嚴的管道井，火災時由于燃燒放出大量熱量，室內溫度快速升高，使火災的蔓延加快。焰 氣沿豎向井道上升的速度有時其至可達8m/s,火勢沿外墻向上擴大，玻璃幕墻建筑遭受危險 更大。2、煙囪效應的防治煙囪效應的防治主要是側重于火災屮火焰與煙氣沿“煙囪”通道的傳遞與蔓延。對于普 通的住宅與公共建筑，煙囪效應主要產牛于樓梯間、共享大廳;對于高檔寫字樓和賓館等建筑, 空調、通風系統的風道也是煙囪效應的構成因素，這類通道較長、阻力大，相對于前者煙囪效 應不是很明顯。煙囪效應的另一個防治目標就是有毒氣體的擴散。煙囪效應的防治辦法有：(1) 通道與樓梯間之間要設置防火門,保證閉門器的完好。(2) 樓16、梯間和共享大廳內不能堆放易燃、易揮發的有毒氣體、易產生煙氣的材料與物體，保證 一定人員通行。(3) 通風道設宜防火閥，不利于人工操作的調節閥等應采取電動裝置。(4) 充分利用建筑物的構造進行自然排煙。在口然作用力下，室內外空氣對流進行排煙，一般 采用可開啟的外窗、窗外陽臺或凹廊進行自然排煙。3、煙囪效應的利用煙囪效應的利用主要是達到夏李索內溫度比較舒適、不消耗或盡量少消耗動力及電能進 行通風換氣的功效。充分利用共享中庭，以“堵”、“疏”方式合理組織通風。內中庭，從底層一直通向屋頂， 一年當中，中庭會形成各種環境效應，是一個可調節的開啟空間，能促使建筑形成良好的自然 通風。中庭頂部有電動天窗，兩17、側各有一排排煙和通風兩用的排煙窗，在空氣熱動力作用下, 新鮮空氣從下向上自然運動，形成“煙囪效應”，使污濁空氣和熱氣排出人樓。(2)住宅建筑推廣字母式風道,擴大母風道截面積，增大通風效果。14式的了母風道的母風道 截血積小，內部粗糙度過大,導致自然通風的阻力加大。母風道截血加大后，自然通風能保持在 層流狀態,在溫差的影響卜；獲得較大的流速，形成負壓,室內空氣順利通過子風道進入母風 道排出。有些建筑采用了呼吸式雙層玻璃幕墻系統，在設計上打破了傳統玻璃幕墻系統的結構形 式。內外層窗中間增加了 60厘米的通道，內置電動遮陽百葉，外層底部設置可調節開啟的通 風口，上部間隔設冇電動平行外推窗。根據室內外不同氣候狀況進行調節,在空氣動力作用下, 達到冬暖夏涼的最佳效果。整個幕墻系統實現自動調節，最人程度滿足人體的健康和舒適， 節約了暖通和照明設施的能耗。通過電動執行機構的組合控制,有效利用自然氣流、風力、 風量、照度及室內溫差等自然條件，達到節能效果。4、結語煙囪效應是因為有高、大的空間存在，在熱壓的作用下,產生了空氣較強烈的流動。如何 防止與消減煙囪效應，以最大限度地減小對火災的增強作用；如何利用與制造煙囪效應，以改 善建筑物內的環境，最大限度地增加通風換氣，應是建筑設計與施工中注意的問題