超高层建筑的烟囱效应原理和实例

超高层建筑的烟囱效应原理和实例

烟囱效应简介

烟囱效应的产生。在有共享中庭、竖向通风（排烟）风道、楼梯间等具有类似烟囱特征——即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物（如水塔）中，空气（包括烟气）靠密度差的作用，沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象，即为烟囱效应。

是指户内空气沿著有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。

最常见的烟囱效应是火炉、锅炉运作时，产生的热空气随著烟囱向上升，在烟囱的顶部离开。因为烟囱中的热空气散溢而造成的气流，将户外的空气抽入填补，令火炉的火更猛烈。

烟囱效应亦可以是逆向的。当户内的温度较户外为低(例如夏天使用空调时)，气流可

以在烟囱内向下流动，将户外空气从烟囱抽入室内。

烟囱效应的强度与烟囱的高度，户内及户外温度差距，和户内外空气流通的程度有关。

在高楼大厦的环境内，烟囱效应可以是令火灾猛烈加剧的原因。在低层发生的火灾造成的热空气，因为密度较低，经电梯槽或走火通道内得以往上流动，使高热气体不断在通道的顶部积聚，结果是使火势透过这种空气的对流在大厦的顶层制造另一个火场。不单使扑救变得更困难，更会危及前往天台逃生的人员的生命安全。

高层建筑烟囱效应分析

烟囱的主要作用是拔火拔烟，排走烟气，改善燃烧条件。高层建筑内部一般设置数量不等的楼梯间、排风道、送风道、排烟道、电梯井及管道井等竖向井道，当室内温度高于室外温度时，室内热空气因密度小，便沿着这些垂直通道自然上升，透过门窗缝隙及各种孔洞从高层部分渗出，室外冷空气因密度大，由低层渗入补充，这就形成烟囱效应。烟囱效应是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果，通常以前者为主，而热压值与室内外温差产生的空气密度差及进排风口的高度差成正比。这说明，室内温度越是高于室外温度，建筑物越高，烟囱效应也越明显，同时也说明，民用建筑的烟囱效应一般只是发生在冬季。就一栋建筑物而言，理论上视建筑物的一半高度位置为中和面，认为中和面以下房问从室外渗入空气，中和面以上房间从室内渗出空气。

在烟囱效应的作用下，室内有组织的自然通风、排烟排气得以实现，但其负面影响也是多方面的：首先，风沙通过低层部分各种孔洞、缝隙吹入室内，消耗热量并污染室内；其次，风通过电梯井由底层厅门人口被抽到顶层的过程中，导致梯门不能正常关闭；第三，当发生火灾时，随着室内空气温度的急剧升高，体积迅速增大，烟囱效应更加明显，此时，各种竖井成为拔火拔烟的垂直通道，是火灾垂直蔓延的主要途径，从而助长火势扩大灾情。有资料显示，烟气在竖向管井内的垂直扩散速度为3-4m／s，意味着高度为100m的高层建筑，烟火由底层直接窜至顶层只需30s左右。如果燃烧条件具备，整个大楼顷刻问便可能形成一片火海。为有效减弱烟囱效应产生的负面影响，可采取以下一些措施∶

1.在冬季，空气主要是通过各种外门从底层流入室内，最直接的方法是将建筑通向外

界的所有门，尽可能地设置成两道门、旋转门、加装门斗或在外门内侧设置空气幕等，这对于大厅门尤为必要，对于那些次要通道连同地下停车场的外门口等，在冬季也要装门，至少应增挂厚门帘。在冬季，电梯井顶部的通风孔应适当向小调整或关闭。

2.对于已采暖的建筑物，尽量不使低层部分的室内温度高于高层部分。

3.当火灾发生时，不仅在任何季节通过各类竖井产生烟囱效应，而且还可能在小范围

内通过穿越楼板的空调管道，甚至是一些不引人注意的孔隙产生烟囱效应。对此，《高层民

用建筑设计防火规范》（GB50045-1995）有以下明确规定∶

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（1）当围护结构采用幕墙形式时，与每层楼板、隔墙处的缝隙，应采用不燃烧材料严密 填实”。

（2）建筑高度不超过 100m 的高层建筑，其电缆井、管道井应每隔 2~3 层在楼板处用相 当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔；建筑高度超过 100m 的高层建筑，应在每层楼 板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔”。因施工缺陷、桥架和管道根部形成的 各种孔隙，必须用不燃烧材料填塞密实。

（3）楼梯间和前室的门均为乙级防火门”，并“应具有自行关闭的功能”；各种竖向管 井“井壁上的检查门应采用丙级防火门”：“电缆井、管道井与房间、走道等相连通的孔洞， 其空隙应采用不燃烧材料填塞密实”：“垂直风管与每层水平风管交接处的水平管段上应设 防火阀”：“厨房、浴室、厕所等的垂直排风管道，应采取防止回流的措施或在支管上设置 防火阀”，以确保火灾时与走道及房间的分隔，防止各楼层之间通过竖井交叉蔓延。 实际案例一

台湾汐止东方科学园区的大火，这场火在凌晨 4:00 由三楼开始起火，火势一度获得控制， 但接着火势跳跃中间的楼层，直接从十六楼又开始起火，据推测很可能就是所谓的烟囱效 应造成此种延烧方式，接下来，就让我们来了解一下，何谓烟囱效应。

当火势在建筑物内部形成时，内部空气因受热而密度变低，烟流因浮力效应向上流动， 而在高层建筑中，有楼梯间、电梯竖井及管路间等垂直通路，正好提供烟流垂直流动的管 道，烟层于是向上蓄积，理想上烟层会到达楼顶后再以水平的方向漫延到楼层内部，而夹 在起火层及烟层蓄积层间的楼层是不会有烟流漫延到楼层内部，一直要到烟层下降到该面 的楼层，才会有烟流漫延。实际情形下，烟层是否会在楼顶蓄积要视楼层高度、外界温度、 火场温度等决定，譬如说，大楼为 30 层的建筑，由于上述条件的交互影响，烟层有可能到 达不了楼顶，可能在楼层第 20 层开始蓄积，并向水平漫延，此时，20 层已上的楼层不会 感受到有烟流的存在。

要防止烟囱效应对生命财产的危害，最重要的就是要做好各垂直通道、管道间的防火 阻绝，不要有空隙让烟流可往水平方向流窜，就能将危害减到最小。另外也建议于垂直通 道、管道间设置专用的侦测器，用以掌控藉烟囱效应流窜的烟流。

实际案例二

阿联酋迪拜市的纳赫勒港湾大楼(nakheel tower)是一座高度 1000 米以上的摩天大楼。 由于它实在太高了，因此需要平面尺寸非常大（直径 100 米）。才能限制其高宽比不超过 10，同时为了保证使用房间的采光要求，为止设计师采用的巨大的中庭直通上下，将有效 房间布置在建筑物的四周，并将建筑体分割留出间隙，以利于减小横向效应和风荷载，这 样还可以减小烟囱效应。一般的超高层设计中，比如 500 米左右的楼可能产生超过 15 摄氏 度的温度差，而纳赫勒港湾大楼(nakheel tower)的温度差异达到了 25 摄氏度以上，相当在 大楼的顶底之间产生了接近 800Pa 的压力，即底部或顶部具有 400Pa 左右的压力，这就大 大超过了一般通用防火规范的要求，纳赫勒港湾大楼(nakheel tower)在实际设计中对于楼梯 电梯井等空间采用了温度控制措施，以确保烟囱效应控制在合理的范围内。

实用案例

澳大利亚 EnviroMission 公司正在准备建造一个规模庞大的太阳能风力发电站，即“太 阳塔”工程。该发电装置位于澳大利亚新南威尔士州（New South Wales ）温特乌斯郡 （Wentworth ）的波朗格（Buronga ）。

这座高达 1000 米的“太阳塔”发电容量达到 200MW ，足够 20 万户家庭使用，相当于澳 大利亚 Tasmania 州首府 Hobart 全市或者墨尔本主要郊区 Geelong 全市的用电量。

“太阳塔”投入运行之后，每年可以减少至少 90 万吨温室气体 CO2 的产生，生命周期 分析为 2.5 年（名词解释：生命周期分析主要是针对产品进行的，是对某种产品从原料采