關(guān)于寒區(qū)超高層建筑熱壓作用的研究進(jìn)展

薛俊偉 （東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 概述

當(dāng)建筑內(nèi)外存在溫差，則會(huì)引起密度差，空氣就會(huì)進(jìn)行流動(dòng)。因此，空氣從一側(cè)流向另一測(cè)產(chǎn)生的壓力差值，習(xí)慣性把它叫做熱壓。與風(fēng)壓作用相同，熱壓也為自然通風(fēng)的動(dòng)力之一[1,2]。除了溫度是影響熱壓作用的因素外，高度對(duì)熱壓作用的影響也不容小覷。對(duì)于超高層建筑而言，建筑高度越高，熱壓作用越明顯。現(xiàn)如今，城市化的進(jìn)程加快，人們對(duì)城市住房需求的加大和城市用地的緊張，超高層建筑是目前唯一解決此問(wèn)題的方式。由于超高層建筑的發(fā)展速度迅速，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于超高層內(nèi)的熱壓?jiǎn)栴}以及如何防控?zé)釅旱奈：ψ鞒隽松钊氲难芯俊?/p>

2 國(guó)外在該方向的研究現(xiàn)狀

國(guó)外學(xué)者最初對(duì)超高層熱壓的研究是出于環(huán)保和節(jié)能的目的。

Jo等人[3]對(duì)韓國(guó)2棟超高層建筑的電梯間門、樓梯間門、首層單元大門以及建筑外墻兩側(cè)的壓差進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，這兩棟建筑的高度為146m和263m。將實(shí)測(cè)值與用CONTAM軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化建模所得到的模擬值進(jìn)行對(duì)比，并得到熱壓系數(shù)在0.20～0.49之間內(nèi)變化。此外，通過(guò)模擬與實(shí)測(cè)得知，熱壓的作用主要在內(nèi)部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。最后提出，在超高層建筑內(nèi)部的核心筒區(qū)域內(nèi)安裝“氣閘門”來(lái)降低熱壓效果。

熱壓作用也會(huì)使得污染物在室內(nèi)傳播和流動(dòng)。Lim等人[4]在污染物的傳播問(wèn)題作出了研究。對(duì)一座韓國(guó)高達(dá)103.6m的醫(yī)院進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試的對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)層電梯門兩側(cè)的壓差、標(biāo)準(zhǔn)層合用前室門兩側(cè)的壓差、病房門兩側(cè)的壓差、病房外窗兩側(cè)的壓差還有室外風(fēng)速。此外，利用CONTAM軟件對(duì)上述圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，模擬建筑內(nèi)部的空氣流動(dòng)和病毒濃度的大小。最后將模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)比較分析，認(rèn)為有必要在醫(yī)院的底層入口處采取措施控制病毒等污染物進(jìn)入病房。

Song等人[5]對(duì)韓國(guó)某地一超高層建筑內(nèi)的電梯豎井進(jìn)行了機(jī)械加壓送風(fēng)的研究，初步假想此方法可以用來(lái)減小內(nèi)部的熱壓作用。之后，用機(jī)械加壓這一系統(tǒng)來(lái)評(píng)估熱壓的大小，發(fā)現(xiàn)加壓方法的確使得熱壓作用降低，但由于冷卻對(duì)乘坐電梯的人來(lái)說(shuō)，熱舒適度也降低。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性同樣是影響熱壓作用的因素之一，進(jìn)而也會(huì)影響建筑能耗。就圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的門而言，不同材料或不同用途的門的滲風(fēng)系數(shù)、滲風(fēng)指數(shù)、間隙面積和開孔尺寸都大不相同。這可能導(dǎo)致不同的空氣滲透率，進(jìn)而產(chǎn)生空氣滲透的能耗。

Khoukhi和 Al-Maqbali[6]為了研究氣密性對(duì)空氣滲透量的影響，分別把建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙面積設(shè)定為大、中、小3種情況，再利用COMIS軟件進(jìn)行模擬。最后分析得到，當(dāng)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙面積越大，熱壓作用越強(qiáng)，空氣流動(dòng)量越大，引起的能源損失越大。

Lee等人[7]利用CONTAM軟件來(lái)模擬建筑在使用電梯豎井冷卻的方法下熱壓的分布情況，與加強(qiáng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性這一傳統(tǒng)方法相比，電梯豎井冷卻來(lái)削弱熱壓作用更經(jīng)濟(jì)、更合理。

3 國(guó)內(nèi)在該方向的研究現(xiàn)狀

熱壓作用帶來(lái)的影響可以從以下幾點(diǎn)來(lái)討論。

3.1 引起安全性問(wèn)題

由于熱壓作用在門兩側(cè)上，使得位于中和面以下的樓層難以將門推開。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候，一方面煙氣由豎井迅速向建筑頂部擴(kuò)散，可提供給人員呼吸的氧氣量減少，另一方面熱壓作用在門上的力較大，人員開啟時(shí)較為困難，威脅到人員的生命安全。因此，熱壓會(huì)引發(fā)安全性的問(wèn)題。

3.2 熱舒適度降低

在冬季，室外冷空氣通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的縫隙進(jìn)入室內(nèi)，使得室內(nèi)溫度降低，人體的熱舒適度降低。并且熱壓作用愈明顯，人體的冷感越強(qiáng)烈。所以，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性采取一定的措施來(lái)減小熱壓作用，進(jìn)而使得人們?cè)谑覂?nèi)得以舒適。

3.3 建筑能耗增加

當(dāng)室內(nèi)溫度降低，勢(shì)必會(huì)采取措施來(lái)維持室內(nèi)溫度，這樣會(huì)進(jìn)行二次供暖。二次供暖促使建筑能耗的增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境帶了危害。

近年來(lái)，許多研究者在建筑熱壓領(lǐng)域以及如何有效控制熱壓造成的影響進(jìn)行了大量研究。盧彥羽[8]以嚴(yán)寒地區(qū)某城市的超高層建筑為研究對(duì)象，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱壓垂直分布進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并提出1種壓差和流量的無(wú)量綱化處理方法以進(jìn)行分析。

李思成等[9]利用CONTAM3.0軟件對(duì)2棟不同高度的建筑進(jìn)行簡(jiǎn)化建模處理，并模擬熱壓、風(fēng)壓以及在兩者共同作用下對(duì)樓梯間加壓送風(fēng)效果的影響。通過(guò)模擬結(jié)果可知，樓梯間加壓送風(fēng)效果的影響因素有建筑高度、室內(nèi)外溫差、風(fēng)速和風(fēng)向。在冬季，室外內(nèi)溫差過(guò)大，熱壓作用使得樓梯間的壓力小于安全值，使得樓梯間加壓送風(fēng)系統(tǒng)失效。另外，在熱壓和風(fēng)壓共同的作用下，在冬季，位于中和面下層的迎風(fēng)面房間著火時(shí)，同樣系統(tǒng)作用會(huì)失效。

張本初等人[10]運(yùn)用CONTAM軟件對(duì)某地超高層建筑進(jìn)行簡(jiǎn)化得建模并改變溫度這一參數(shù)對(duì)室內(nèi)熱壓進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)模擬得出，當(dāng)室外溫度越低，室內(nèi)的壓差值越大，并說(shuō)明較大的熱壓作用會(huì)帶來(lái)的危害。之后，在建模時(shí)加了隔斷再次進(jìn)行模擬，相比之前的熱壓值較小。加入垂直隔斷好比把建筑高度降低，由此一來(lái)可以降低熱壓作用影響，為后續(xù)研究提供參考意義。

馮慧和李安桂[11]對(duì)西安某大學(xué)內(nèi)高度為60m的居住樓在不同氣候條件下的樓梯間門洞風(fēng)速和溫度做出實(shí)測(cè)，測(cè)出了熱壓作用現(xiàn)象。對(duì)樓梯間門洞的風(fēng)速實(shí)測(cè)結(jié)果分析和評(píng)價(jià)了空氣流動(dòng)現(xiàn)象。最后得出氣候條件對(duì)樓梯間中和面的位置和樓梯間內(nèi)空氣流動(dòng)方向的影響比較大。

4 結(jié)論與展望

綜合分析國(guó)內(nèi)外對(duì)熱壓作用的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)學(xué)者對(duì)建筑熱壓大多進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與軟件進(jìn)行模擬的方式來(lái)解決具體問(wèn)題。在建筑高度方面，學(xué)者們對(duì)熱壓作用研究較多，在機(jī)械加壓送風(fēng)方面研究也較為成熟。但是對(duì)于建筑內(nèi)高度的分區(qū)，設(shè)置水平或者垂直隔斷等更有效的措施研究不夠滲入。所以，在此方向上有很大的研究前景。

此外，由熱壓作用使得空氣流動(dòng)，空氣流動(dòng)產(chǎn)生的通風(fēng)量也可以作為另一研究領(lǐng)域。為了減少空氣的流動(dòng)，減少建筑內(nèi)的能耗損失，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。這為今后建筑業(yè)的發(fā)展方向提供了參考建議。