第一章 绪论
1.1 课题背景
能源是社会发展的重要基础资源，全球对能源需求的迅速增长,使世界能源生产和环境的承载能力愈发不堪重压。环境污染和气候变化的问题变得日益严峻,能源价格居高不下，这不仅使世界经济发展的负荷加重,也给普通群体的生活带来了越来越多的困扰。国际能源总署发布警告称,各国若不改变现有的能源政策,2015 年之前可能会发生“供应危机”,到了 2030 年在“温室效应”的作用下，全球的平均气温也会上升6 摄氏度。在第二十届能源大会上,欧盟委员会主席巴罗佐在做主题发言时表示,消费能源加剧带来的气候变化和环境问题,已经变成了人类将要面临的最大挑战。中国的能源资源品种丰富，但是人口众多，所以人均能源资源相对匾乏。人均耕地面积只有世界人均耕地的 1/3，人均水资源只有世界人均占有量的 1/4，已探明的煤炭储蓄量只占世界储量的 11%，原油占了 2.4%。虽然我国的能源建设在不断加强，能源的生产速率增长迅速，但是能源效率却较低，生态环境的压力仍然较明显。随着我国能源需求的不断增加，可持续发展的目标面临着挑战。建筑业、工业和交通运输业是我国能源消耗的三大主要领域。建筑能耗是指建筑中消耗的空调、电气、照明、炊事、热水供应等能源。据统计，目前建筑能耗在总量中占的比例从 1978 年的 10%，上升到 25%左右，其中采暖、空调能耗约占到了60%~70%[1]。我国每年新建的房屋面积约为 20 亿平方米，超过了所有发达国家每年新建面积的总和，而每年新建的建筑中真正能被称为“节能建筑”的还不到 1 亿平方米。从建筑存量来说，我国现存的建筑超过 400 亿平方米，却只有 1%采取了提高能源效率的措施，建筑单位面积所消耗的采暖能耗相当于相近纬度发达国家的 2~3 倍[2]。
由于我国城市化水平的不断提高，第三产业占 GDP 的比例将逐渐加大、制造业结构进行了调整，建筑能耗的比例将会继续提高。经过 30 年来能源界的实践和研究，目前社会各界普遍认为建筑节能在各种节能途径中是潜力最大、最为有效的方式，可以缓解能源矛盾，是解决能源供应不足与社会经济发展这个矛盾的最有效措施。国民经济要实现可持续发展，推行建筑节能势在必行、迫在眉睫。建筑节能对于世界性的环境保护问题和能源问题都具有非常重要的意义。
1.1.2 超高层建筑的发展与节能
1972 年 8 月，美国宾夕法尼亚洲伯利恒市召开了国际高层建筑会议，专门讨论并提出了高层建筑的分类和定义，指出 40 层以上（高度 100 米以上）的建筑为超高层建筑。20 世纪初,纽约“大都会人寿保险公司大楼”（METROPOLITAN LIFETOWER,50 层,206m，1909 年建成）是世界上第一幢高度超过 200 米的摩天大楼。建造超高层建筑物之风始于美国，衰于欧洲，盛行亚洲。目前，世界排名前十大超高层建筑有 8 座在亚洲，7 座在中国大陆及港台[3]。我国超高层建筑的建设开始于 20 世纪 70 年代，当时突出的例子是建成于 1976年 115m 高的广州白云宾馆。80 年代，我国迎来改革开放的局面，沿海发达地区建设了一批百米以上的高楼。1992 年后，100 米以上的超高层建筑从 90 年代中期的不足200 栋发展到目前的近 900 栋。根据中国建筑科学研究院所做的统计，全国范围内超高层建筑高度在 200 米以上的在 1996 年底只有 8 栋，而到了 1998 年底，全国各地200 米以上的建筑增加到了 20 栋，最高的达到 420 米，而到了 2009 年底建成的 200米以上超高层建筑达 53 栋之多[4]。比起普通建筑，超高层建筑在许多方面有独特的作用。而随着超高层建筑的快速发展，其所伴随的问题引起了社会各行业人士的反对与担忧。主要包括超高层建筑的高能耗，存在的安全隐患及周边环境的不利影响等。超高层建筑的运行耗能巨大，比起相同面积的多层建筑要消耗更多的资源。以金茂大厦为例，2002 年到 2007 年间，单位面积年耗电量水平在 200 kWh/m2 左右[5]，相当于高档办公楼的能耗水平，为宾馆类建筑平均水平的 1～2 倍，一般公共建筑的 3～10 倍。因此，为了实现建筑节能这一基本国策，必须抓好超高层建筑的节能设计，降低超高层建筑的高能耗，从而带动国家的建筑节能事业，促进全社会建筑节能的技术进步和全面实施。
第二章 超高层建筑“烟囱效应”作用下的空气流动
2.1“烟囱效应”的基本原理
“烟囱效应”即热压，是指由于建筑室内外空气密度差所产生的空气浮升作用。超高层建筑内部构造通常包括电梯、楼梯及管道井等垂直竖井，地下停车场，建筑底部大厅及机械室与避难层。冬季，室外环境温度较低，室内空气密度低于室外空气密度，室外寒冷空气将通过超高层建筑下部的入口、孔洞、缝隙渗入室内，通过电梯、楼梯等垂直井道向上浮动，从建筑上部的孔洞、缝隙渗出（如图 1 所示）。在夏季情况下则相反，称之为“逆烟囱效应”，室内空气密度高于室外，建筑内部空气下沉，从建筑底部渗出，但由于夏季气候条件下室内外温差不大，“逆烟囱效应”现象并不明显。因此，本文主要研究在冬季气候条件下“烟囱效应”对超高层建筑的影响。室内外温度差越大，建筑高度差越大，“烟囱效应”现象越剧烈。我国北方地区冬季气候寒冷，室内外温差可达 20、30 摄氏度，今年在东北地区甚至出现了零下 50度的极低温，因此以往的研究多是针对寒冷的北方地区的高层建筑。而我国的华东地区，如上海、南京等城市，是超高层建筑的集中分布地区，气候属于夏热冬冷型，冬季室外温度虽然在零摄氏度左右，但是仍然需要对“烟囱效应”的发生状况进行研究。
图 2-3、2-4、2-5 定性的表示出在热压作用、风压作用及两者共同作用下建筑的空气流动状况，其中均假设建筑上下部开口面积相同并且无明显的空气流动阻力。如图 2-3 所示，当室内温度高于室外并且只有热压作用时，中和面位置位于建筑高度一半处，室外空气从建筑下半部流入，从建筑上半部流出，流动方向为高压指向低压方向。图 2-4 表示了在风压单独作用下的空气流动状况，室外空气从迎风面流入，从背风面流出，图中没有出现中和面是因为建筑外围护结构上没有室内外压力相等的位置。图 2-5 为热压与风压共同作用的空气流动情况，风压与热压相平衡，因而建筑迎风面顶部与背风面底部均无压差。风压和热压对建筑的作用情况由很多因素决定，包括建筑高度、地形及遮挡情况、建筑内部阻隔情况、建筑外围护结构的渗透特性等。对于高度较高的建筑，内部空气流动阻力越小，热压作用越强烈；建筑周围遮挡物越少、越暴露，则越易受风压作用影响。根据风速及室内外温差的变化范围不同，任何建筑都会受到热压作用、风压作用或者两者共同作用影响。机械通风系统对外墙压差分布的影响因素更加复杂，由通风系统类型（排风或送风系统）和建筑各区域间空气流通情况共同决定。若每层的送风量相同，那么外墙压差的变化模式也是一致的，各层的增压对作用于楼板及井道壁的压差没有影响；若送风量不一致（例如只对一层送风），则各楼层增压的范围均不同并且由建筑内部流动阻力来决定[53]。
第三章 多区域网络模型的理论基础........... 34-40
3.1 多区域网络模型 CONTAMW 的概述.......... 34-36
3.2 CONTAMW 用于“烟囱效应”模拟..........36-37
3.3 空气流动的理论基础 ..........37-38
3.4 空气流通路径的模型 ..........38-39
3.5 本章小结.......... 39-40
第四章 超高层建筑“烟囱效应”.......... 40-48
4.1 测试概况..........40-42
4.2 测试结果分析 ..........42-45
4.3 超高层建筑内“烟囱效应”的模拟..........45-46
4.3.1 模型概况 ..........45-46
4.3.2 模拟结果对比分析.......... 46
4.4 本章小结 ..........46-48
第五章 超高层建筑“烟囱效应”的防治措施..........48-61
5.1 外墙气密性变化对“烟囱效应”的影响.......... 48-52
5.2 不同的内部阻隔对“烟囱效应”的影响.......... 52-57
5.2.1 设置前室门..........52-54
5.2.2 设置前室门及走廊门.......... 54-56
5.2.3 电梯竖井分区.......... 56-57
5.3 竖井冷却.......... 57-58
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