引言超高层建筑带来的烟囱效应问题不可忽视。室内外温差和建筑高度与烟囱效应紧密相关，室内外温差越大，建筑高度越高，烟囱效应更加明显，尤其在我国严寒地区，烟囱效应必须引起重视。许多学者对冬季烟囱效应进行深入研究。李国志[1]利用CFD方法研究西安某商业建筑的内部构建，通过改变模拟参数模拟热压的作用，证明建筑内部构建设置竖向隔断和横向隔断能够有效降低热压。张鹏等[2]通过可控力门机系统增加电梯门力矩，并在电梯门前设置棉布帘，发现该措施可以有效减小烟囱效应带来的电梯门关闭问题。产生超高层建筑烟囱效应的主要原因是热压作用，减小冬季建筑的热压成为降低烟囱效应的主要目标，对超高层建筑电梯井道送入冷气可以有效降低热压。国内外缓解超高层建筑电梯井烟囱效应的措施主要包括增强建筑围护结构的气密性和减小超高层建筑室内外温差。以沈阳某超高层住宅为研究对象，在自然通风和机械通风两种方式下给电梯井送入冷气，分析冷却前后电梯井的冷却效果，并通过计算热压与电梯门两侧压差的映射关系，降低电梯门两侧的压差，缓解冬季超高层住宅的烟囱效应。1建筑实测调研1.1研究对象基于CFD模拟方法对沈阳某超高层住宅进行研究。住宅建筑总面积为1.29万m2，建筑高度124 m。住宅楼电梯井位于建筑中部，电梯井道有两个垂直区域。住宅建筑冬季运行的室外温差较大，极易出现烟囱效应，进而引起电梯门开启与关闭困难，严重影响人们的正常生活。以住宅建筑电梯井为例，研究调控电梯热压的具体方案，电梯井高度为120 m。电梯井平面结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F001图1电梯井平面结构（单位：mm）1.2现场实测为了减少人员对测量的干扰，在冬季清晨(6：00~7：00)测量电梯门两侧压力。测量5种不同室外温度下电梯门两侧的压差，得到室外温度与电梯门两侧压差的关系，从而更好地分析烟囱效应带来的影响。不同室外温度下电梯门两侧的压差如表1所示。不同室外温度下热压与电梯井两侧压差的关系如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.T001表1不同室外温度下电梯门两侧的压差楼层室外温度/℃5-5-10-12.3-16.9118.523.127.230.034.2517.421.424.527.030.21011.415.418.621.324.3155.08.111.213.416.4200.21.42.74.15.725-4.0-6.2-8.9-11.5-14.130-9.9-13.2-15.5-17.7-21.635-13.0-16.8-19.3-21.9-27.340-21.4-25.9-29.7-33.0-37.3Pa10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F002图2不同室外温度下热压与电梯井两侧压差的关系2研究方法2.1超高层住宅电梯井道冷却系统在冬季，温度为Tex的冷空气通过底层建筑外墙和大门进入楼梯间和电梯间前室，与冬季供暖系统提供的温度为The的室内热空气混合。电梯井道冷却时，底部送入温度为Tsu的冷风与Thy混合，沿着电梯井竖向移动，一部分从顶层电梯门流出，另一部分从冷却系统的出口流出[3]。自然通风通过开孔两侧的空气密度差将室外冷空气送入电梯井道，机械通风利用风机将室外冷空气送入电梯井内。冬季烟囱效应如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F003图3冬季烟囱效应2.2热压与电梯门两侧压差的映射关系对于某个给定时刻的超高层竖井，其绝对压力变化小于原压力的20%，总压差Δptotal近似使用伯努利方程计算。Δptotal=Δp1+Δp2+Δp3+Δp4+Δp5 (1)式中：Δp1——门厅围护结构压差；Δp2——底层最不利楼层电梯门压差；Δp3——顶部最不利楼层电梯门压差；Δp4——剩余通路上空气流动阻力损失；Δp5——风压作用[4]。通常情况下风压对烟囱效应的影响较小，可不考虑。建筑的电梯井通常被内部建筑构件包围，不直接与外界环境接触，电梯井两侧的压差不是电梯井相对于外界环境的压差。分析电梯井相对于电梯前室的压差沿着电梯高程的分布，得到一个相对中和面。随着密度变化，中和面不一定出现在建筑中部。Δp1~Δp4随着温度、密度的改变而发生变化，Δp5受到外界的影响相对较小。在实际测量中，Δp2≈Δp3时，分析得以被简化，随着电梯井温度的降低，空气密度增加，有效降低了Δp2和Δp3。实际上，理论热压与电梯门两侧的压差存在一定的映射关系，通过计算理论热压，可以实现对电梯门两侧压差的调控[5]。现场实测电梯门两侧压差数据，理论热压利用公式计算。Δp=(ρ1-ρ2)gh (2)式中：Δp——热压，Pa；ρ1——室外空气的密度，kg/m3；ρ2——室内空气的密度，kg/m3；h——热压通风口之间的距离，m。电梯门两侧压差与热压的关系如图4所示。理论热压与电梯门两侧压差呈线性关系。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F004图4电梯门两侧压差与热压的关系3结果与讨论通过自然通入冷风和机械通入冷风两种方式对电梯井道进行降温，以探讨不同方案的实际降温效果。模拟室外温度为-16.9 ℃，电梯井温度为22 ℃，分析不同开孔距离对电梯井压差的影响。未采取措施前，电梯井两侧压差为35.2 Pa，理论热压为215 Pa。3.1以自然通风方式送入室外冷空气由于建筑物窗孔两侧存在压力差，空气流过窗孔形成自然通风，空气流过窗孔时受到阻力影响。Δpc=ζv22ρ (3)式中：Δpc——窗孔两侧的压差，Pa；ζ——窗孔的阻力系数；v——空气流速，m/s；ρ——室外空气密度，kg/m3[6]。v=2Δpcζρ=μ2Δpcρ (4)式中：μ——窗孔流量系数，与窗孔构造有关，一般取0.65[6]。窗孔大小已知的情况下，通过窗孔的自然通风量G为：G=vF=μF2Δpcρ (5)式中：F——窗孔面积，m2[6]。风量为1.81 m3/s。在电梯井上下位置开孔，形成自然通风环路，利用室外冷空气对电梯井进行降温。计算得到的空气流速用作CFD模拟的边界条件，设定开孔大小为1 m2，记录开孔距离分别为9 m、30 m时电梯井道热压变化，探究不同开孔位置对电梯井道压力的影响。开孔距离为9 m时电梯井温度分布如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F005图5开孔距离为9 m时电梯井温度分布此时的热压为198 Pa，电梯井两侧的压差为28.7 Pa。电梯井开孔附近的空气温度有一定程度降低，但是其余区域温度基本变化不大，仍然维持22 ℃。这种开孔方式不足以冷却电梯井内的空气，理论上不具备降低热压的能力。开孔距离为30 m时电梯井温度分布如图6所示。此时的热压为182 Pa，电梯井两侧压差为22.31 Pa。电梯井开孔区域附近的温度均有所降低。这种开孔方式能够冷却电梯井内开孔区域的空气，理论上具备降低热压的能力，从而降低电梯门两侧压差。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F006图6开孔距离为30 m时电梯井温度分布3.2以机械通风方式送入室外冷空气通过风机将室外空气送入电梯井，在电梯井上下位置均匀开孔，保证电梯井内风量平衡。通常情况下，电梯门缝隙会渗入室内供暖设备加热的空气，风量过大会造成供暖系统负荷加大，一部分热空气与被送进来的冷空气混合，不利于建筑节能。风速过大会导致噪声问题，进而影响人们正常生活。从电梯井中部机械送入冷风，通入风量分别为3 600 m3/h、7 800 m3/h和10 800 m3/h，测试电梯井所需的风量。机械风量为3 600 m3/h时电梯井温度分布如图7所示。此时的热压为206 Pa，电梯井两侧压差为30.81 Pa。在通入冷空气的区域，温度下降不明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F007图7机械风量为3 600 m3/h时电梯井温度分布机械风量为7 800 m3/h时电梯井温度分布如图8所示。此时的热压为194 Pa，电梯井两侧压差为26.42 Pa。在通入冷空气的区域，温度有一定程度降低。机械风量为10 800 m3/h时电梯井温度分布如图9所示。此时的热压为189 Pa，电梯井两侧压差为25.62 Pa。在通入冷空气的区域，温度有一定程度降低，但并不能有效降低热压。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F008图8机械风量为7 800 m3/h时电梯井温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F009图9机械风量为10 800 m3/h时电梯井温度分布利用机械通风冷却电梯井时，电梯井温度下降不明显，主要受到机械风量和机械风速控的影响制。随着风量的增加，降低压差的效果减慢，电梯竖井总风量的上升幅度增大。竖井通入过多冷空气会使空气温度低于露点温度，空气中的部分水蒸气会凝结成水，吸附在电梯井壁表面[7]。3.3自然通风与机械通风协同送入室外冷空气机械通风的风量不宜过大，联合自然通风和机械通风以降低电梯井的压力。在电梯井中部机械送入风量为7 800 m3/h的室外冷空气，结合开孔面积为1 m2、开孔距离为30 m的自然通风方式。自然通风与机械风量协同运行时电梯井温度分布如图10所示。电梯井温度降低幅度较大，有效降低了电梯井的热压。此时的热压为174 Pa，电梯井两侧压差为19.62 Pa。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F010图10自然通风与机械风量协同运行时电梯井温度分布自然通风与机械通风协同运行方案优于其他方案，与只有1个开孔的方案相比，两个开孔的方案更有利于控制电梯井上下温度平衡，显著提高电梯井道竖向分区的冷却效率。两种不同的通风方式各自弥补对方的不足，以提高电梯井的冷却效果，降低电梯井热压。在建筑节能方面，可以考虑提高电梯井墙壁的气密性等级以及在电梯门前设置棉布帘，以此防止过多的冷风渗透至室内，造成冬季供暖热负荷的增大。不同冷却方案下电梯门两侧压差如图11所示。P1未采取措施；P2自然通风开孔距离为9 m，开孔面积为1 m2；P3自然通风开孔距离为30 m，开孔面积为1 m2；P4机械通风量3 600 m3/h；P5机械通风量7 800 m3/h；P6机械通风量10 800 m3/h；P7自然通风开孔距离为30 m，开孔面积为1 m2，机械通风量7 800 m3/h。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.003.F011图11不同冷却方案下电梯门两侧压差4结语运用CFD方法模拟不同方式通入室外冷空气对电梯井的影响。其中，自然通风开孔面积为1 m2，开孔距离分别为9 m、30 m，机械通风的风量为3 600~10 800 m3/h。自然通风与机械通风协同送入室外冷风对电梯井的降温效果最显著。通过建立理论热压与电梯门两侧压差的关系，分析不同措施对电梯门两侧压差的影响。对电梯井道进行冷却的同时，应避免送入的冷气渗入室内，造成冬季供暖负荷的增加。决定机械通风量最重要的因素是送出最小风量，确保电梯井道两侧压差低于电梯门的额定压差。