来源：CABR建筑抗风研究所。

寒冬来临，冷风来袭，北京开启“速冻模式”。在等电梯时你有没有听到啸叫噪音？有没有遇到电梯门关不上？今天我带大家认识一下在寒冷冬季导致这些问题的罪魁祸首——高层建筑“烟囱效应”。

什么是高层建筑的“烟囱效应”？

冬季，当建筑室内温度高于室外温度时，由于室内外温差引起空气密度差，导致建筑内部热空气浮升的现象：室外寒冷空气将通过超高层建筑下部的入口、孔洞、幕墙缝隙渗入室内，冷空气在室内被加热后，温度升高、密度减小、向上流动，经由建筑的楼梯井、电梯井、管道井等垂直井道，到达建筑上部的楼层，然后由上部楼层的幕墙缝隙、孔口排出，这样的过程称之为高层建筑的“烟囱效应”。

【图片来源：BMT Fluid Mechanis, Stack Effect】

作用机理

由于室内外空气存在温差，导致密度差，使得与建筑高度相同的室外空气柱质量大于室内空气柱质量，形成重力差。这种由空气密度差形成的重力压差称为热压。在热压的作用下，室外空气从建筑下部流入室内，再由建筑上部的排出，在中部存在一个既没有空气流入也没有空气流出的中性位置，称之为中和面。忽略垂直的密度梯度，建筑某一高度处位置的热压差可由下式计算：

下图为冬季烟囱效应作用下建筑室内外压力的分布图，从图中可以看出室外压力线与室内压力线的交点为中和面位置，在中和面以下，室外压力大于室内压力，为正压；中和面以上，室外压力小于室内压力，为负压。距离中和面越远的位置，烟囱效应作用压差越大，即建筑底部和顶部产生的压力差最大。

所以，热压作用是形成高层建筑烟囱效应的原因，室内外温差越大，建筑高度越大，烟囱效应越强烈。在我国北方寒冷地区的冬季，高层及超高层建筑的烟囱效应作用较为明显。

烟囱效应的影响

某些时候烟囱效应是有利的，它可以作为自然通风的手段之一。然而，在超高层建筑中它通常会造成负面影响，降低了建筑内住户的舒适度体验。

首先我们先来认识一下高层建筑烟囱效应的热压有多大。下表给出了在建筑内部完全通透的理想状态下的最大热压计算值，其中在室外温度达到-10度时，300米的建筑可产生187.9Pa的压强，可见寒冷地区超高层建筑的热压对建筑底层会产生非常大的压力。

【图片来源：高甫生《关注超高层建筑烟囱效应可能引发的安全问题》】

高层建筑烟囱效应带来的压差，会作用在流通路径上的建筑构件（例如空气流通路径上的门、窗、幕墙、电梯门、楼梯门等）。即在实际工程中受建筑内部隔断的影响，压力会被层层分割，由幕墙、内门、电梯门等不同的位置共同承担。下图是我们计算的一个80层简化建筑模型中烟囱效应产生的压力在不同位置的作用情况。

这些压力进而可能会造成建筑内部的一系列问题，其中作用在电梯门上的压差过大就可能会引起啸叫、电梯门开闭故障的问题，导致电梯无法正常运行，并造成竖直交通堵塞及人员被困电梯内的安全事故。（ASHRAE标准将电梯门的压差规定为25Pa，认为作用在电梯门上的压差超过这个值可能会引起电梯开闭故障）

电梯门的故障只是烟囱效应的影响之一，它还会带来很多的其他问题，如：门窗的开闭困难；刺耳的风啸、噪音；室温的过冷过热；中庭顶部水汽冷凝；增加建筑能耗；火灾时加速火势蔓延；异味、病菌的传播等等。

风压的联合作用

实际情况中，高层建筑烟囱效应是受风压和热压联合作用的。风压的叠加作用，有些情况下会加剧超高层建筑的烟囱效应。比如在大风天，当建筑的主要入口迎风且由于人流因素处于长时间开敞的情况下，风的作用会明显的提高建筑首层大堂内的静压力，再叠加热压的作用，那么作用在首层大堂电梯门上的压力就会明显提高。

【图片来源：Taesub Lim等《Predictions and measurements of the stack effect onindoor air borne virus transmission in a high-rise hospital building》】

那如何减小烟囱效应的影响呢？

通常首层外门采用密闭性更好的旋转门，加强围护结构的密封性，或者在电梯侯梯厅设置前室或隔断，调小或关闭电梯井顶部通风口等，都是非常有效的方式。当然，这只是根据高层建筑烟囱效应的作用机理，提出来的一般性的解决办法。具体到实际项目，最好是在设计阶段就进行专门的烟囱效应模拟分析，根据分析结果有针对性的采取改善措施。

以下是我们分析某高层的一个案例。通过对该项目烟囱效应作用模拟分析，我们发现作用在该项目地下二层货运电梯上的压差超过250Pa，再根据设计的具体情况采取有针对性的改善措施后，压差降到50Pa以内。

采取改善措施前的计算结果

采取改善措施后的计算结果

可见，进行高层建筑烟囱效应的模拟分析，可以在设计阶段有效的预测烟囱效应产生的压差，预判带来的影响，并且根据计算结果综合采取有针对性的改善措施，可以达到有效的减小烟囱效应作用的目的。

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