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摘要：通过合理使用自然通风技术，可以在不同季节室外气候条件下利用自然通风减少建筑的空调能耗同时满足人员舒适度或设备运行温湿度要求。目前，由于高层建筑内、外部气流组织特性缺乏基础性研究数据，相关自然通风设计很少被运用在高层或超高层办公建筑中。此外，由于在建筑中运用自然通风的过渡季，高层、超高层建筑易受到“烟囱效应”的影响，引发电梯运行出现啸音、电梯门开闭不畅、楼道防火门“打不开”或“关不上”等问题，极大地影响到了建筑的正常使用安全。
关键词：高层建筑；烟囱效应；自然通风；
研究应用窗式通风器进行高层建筑自然通风时建筑内部的竖向压差分布，对一栋高层办公建筑窗式通风器开启和关闭的工况进行了垂直热压分布实地测量。研究发现：大楼开启窗式通风器进行自然通风后，在“烟囱效应”影响最大的首层位置，开启自然通风后，热压绝对值增大，对电梯门开启影响加大；而在“烟囱效应”影响仅次于首层的地下车库位置，热压值减小，“烟囱效应”得到缓解，开启自然通风未对高层部分的压差分布起到较大影响。
一、高层建筑自然通风系统和测试平台
1.测试建筑自然通风系统。实测选取某大楼为例，建筑高79．98 m，地下5层，地上20层。该楼为双体结构，两栋主楼间过渡采用每两层为一个单元的中庭连廊连接，连廊下部和中部设有窗式通风器，可供自然通风使用。连廊两侧与8部通高电梯连通，组成了本次测试的实验区域。连廊中庭侧面装有窗式通风器，可以通过手动或者控制单元开关，实测区域与主楼办公区之间有连廊门相隔，实测过程中尽量关闭以减少其他区域对实验区域产生的影响。
2.测试方法。测量电梯井(核心井)内外压差时将微压差计正极相连接测压软管插入避难层电梯门上方预留的测压孔，电梯井内气压高于前室压力时记录测量值为正，数据取测试时5 s内的稳定值。测量开启的窗式通风器室内侧风速时，将探头置于距离通风器室内立面中心5～10 cm处，调整探头角度使气流流向平行于转轮轴(垂直于热敏探头区域)，沿轴向缓慢转动探头，取读数最大值；室外风速测量时将探头垂直于建筑外立面，由接近所测试中庭的开窗处伸出，沿轴向缓慢转动探头，取读数最大值。
二、实验内容与数据处理
1.实验内容。测量期间，建筑室外温度20℃，室内温度25℃左右。测试分为3个工况进行。工况1：关闭所有窗式通风器，在电梯不运行的情况下测量各层核心井电梯门内外压差。工况2：开启全部窗式通风器，考虑到首层的建筑空间结构与其它层相差较大，人员进出大楼较为频繁，为了避免空间差异带来的不确定性以及人员进出引起的扰动，实验选择2～3层空间作为底层的测量楼层。此外，首层未安装窗式通风器，无法测量窗式通风器的进口风速等参数，故选择2—3层作为底层的测量楼层。依次测量2～3层、8—9层、14—15层中庭连廊窗式通风器室内侧风速，同步测量每次测试地下室B5、2—3层、8～9层、14—15层连廊的电梯门的内外压差。工况3：关闭8层以下中庭的窗式通风器，测量14～15层中庭窗式通风器室内侧风速，同步测量地下室B5、2～3层、8～9层、14～15层电梯门内外压差。工况l从地下室B5层到19层每层核心井电梯门处各布置一个测点测量压差，共23个测点。工况2的风速测点主要布置在3组典型楼层连廊的A、B、C、D及室外，每组各布置6个，同时根据实验需求在相应楼层电梯门布置压力测点4个，该工况共22个测点。工况3的测点布置与工况2类似，但由于仅打开了8层以上中庭的窗式通风器，因此测点数量相应减少，共10个测点。与工况3相比，工况1及工况2测点数量相对较多，但工况2测点布置较为集中，仅为4组楼层连廊，而工况1受到仪器数量和人员测量的影响，相应增加了实际测量的难度。为解决该问题同时保证实验的准确性，研究考虑通过对讲机联系的方式使各组测量工作尽量满足同时展开，在同一时间段内读取数据，保证实验测试结果的准确性和可靠性。
2.误差分析。1)仪器误差：由于条件限制，所用设备未做到型号统一、灵敏度一致，故数据处理时风速精度取值到0．01 m／s、微压计精度取到0．1 Pa。2)环境误差：①实验过程中该楼内仍有部分楼层存在加班的工作人员，导致空调系统未完全关闭，一定程度上影响室内空气流动；②测量压差分布的过程中因要避开电梯的运行，故所测压差数据并未做到取自同一电梯井；③部分楼层窗式通风器控制系统失灵，所以在工况2选取测量对象的时候避开了某些楼层，同时也无法做到在测试时完全关闭或打开所有楼层的所有窗式通风器。3)测量误差：由于测量值存在波动，实验人员将测量时间内的瞬时值转换为平均值。此外由于条件限制，电梯门两侧压差的测量结果会受到门缝密封情况影响，实验中要求门缝开启尽可能小。
三、测试结果与分析
1.关闭窗式通风器时大楼垂直压差分布。在工况1所测各层压差中，地下室数据在B1、B2层的连续性被中断，其原因可归结为建筑结构变化：B3、B4、B5均为地下停车场，与外部环境直接联通；B1、B2为食堂，仅靠电梯与常闭安全门的楼梯间与外界联通。大厦2层连廊北侧与大厅连接，其空间与首层延伸的中庭连接，仅在连廊南侧与3层形成一个中庭通道，故3层受首层室外开口的影响较大。将测得数据取平均值绘制垂直压差分布趋势图如图1所示。
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图1 工况l大楼电梯竖井垂直压差分布趋势图
由图1可以看出，中庭结构所连接两层的电梯门处的内外压差相近，趋势图中压差分布呈现阶梯状分布。建筑中性面在大楼8、9层附近。总体核心井压差维持在一10 Pa与5 Pa之间，最大值出现在1层，其值为一11 Pa，即大楼“烟囱效应”危害最大的楼层是首层与地下停车场。
2.开启窗式通风器时垂直压差分布情况。在开启窗式通风器后，测得的几组数据中室外风速在1．0 m／s到3．0 m／s之间，窗式通风器进口风速平均在0．5 m／s左右，最大值0．9 m／s。根据测试结果绘制引入自然通风时压差分布趋势图如图2所示，并与工况1的结果进行对比。
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图2 多次测量自然通风对大厦垂直压差分布的影响
由图2可见，引入自然通风对2层大厅的压差变化影响较大，其原因可归结为首层空气通道(建筑开口)分布较多，大厅与核心井之间压差易受室外风速风向影响，进而导致2层大厅的压差绝对值增大。同理，可解释地下车库层(B5)也受到室外风环境变化的明显影响，但与2层大厅不同的是，其压差绝对值变化的趋势减小。另一方面，引入自然通风并未对高层部分的压差分布起到较大影响，即中性面以上楼层的“烟囱效应”情况受自然通风影响较小。同时从9层的压差数据中可观察到中性面在引入自然通风后有些许减弱。将关闭8层以下窗式通风器时所得实测数据绘制成趋势图(见图3)并与工况1比较。
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图3 仅高层运用自然通风对大厦垂直压差分布的影响
从图3可以看出，相对工况1而言，工况3中性面明显下降，整体压差绝对值减小。其原因可推论为由于实验关闭了2到8层的窗式通风器，导致建筑中下部密封性增强，上部与外界联通的空气通道比例上升，建筑“烟囱效应”得以缓解，此时核心井压差最大绝对值出现在高层开窗楼层及地下车库，实验相应地观察到14、15层中庭连廊通风方向变为向外排风。以上实验证明，大楼引入自然通风后地下车库“烟囱效应”问题将得到缓解，热压峰值集中在首层，仅需通过增加前室处压力等手段做好首层保护即可。
总之，高层建筑的自然通风，对于首层等与外界空气通道较多的楼层压差影响较大，实质上整体建筑的气密性降低，加剧了首层的“烟囱效应”影响，需要加强首层电梯前室设计，隔离电梯门与外部大气连通。
参考文献
[1]陈敏.高层住宅建筑体型系数对其中庭通风的影响．2017.
[2]代夏冬，浅谈高层建筑自然通风对内部竖向压差分布的影响2018.