煙囪效應

煙囪效應，是指戶內空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強對流的現象。煙囪效應的產生。在有共享中庭、豎向通風（排煙）風道、樓梯間等具有類似煙囪特徵——即從底部到頂部具有通暢的流通空間的建築物、構築物（如水塔）中，空氣（包括煙氣）靠密度差的作用，沿著通道很快進行擴散或排出建築物的現象，即為煙囪效應。屬於熱交換形式的一種表現。

基本介紹

• 中文名：煙囪效應
• 外文名：Stack effect

概念

所謂煙囪效應就是利用建築內部空氣的熱壓差來實現建築的自然通風。利用熱空氣上升的 原理，在建築上部設排風口可將污濁的熱空氣從室內派出所而室外新鮮的冷空氣則從建築底部被吸入。

煙囪效應

最常見的煙囪效應是火爐、鍋爐運作時，產生的熱空氣隨著煙囪向上升，在煙囪的頂部離開。因為煙囪中的熱空氣散溢而造成的氣流，將戶外的空氣抽入填補，令火爐的火更猛烈。煙囪效應亦可以是逆向的。當戶內的溫度較戶外為低(例如夏天使用空調時)，氣流可以在煙囪內向下流動，將戶外空氣從煙囪抽入室內。

原理

熱壓作用下的自然通風，由於建築物內外空氣的溫度差產生了空氣密度的差別，於是形成壓力差，趨使室內外空氣的流動。室內溫度高的空氣，因比重小而上升，並從建築物上部風口排除，這時會在低密度空氣原來的地方形成負壓區，於是室外溫度比較低而比重大的新鮮空氣從建築物的底部被吸入，室內外的空氣源源不斷的進行流動。這種由熱壓而引起的自然通風被稱為煙囪效應。

影響因素

煙囪效應的強度與進出風口的高差和室內外的溫差以及戶內外空氣流通的程度有關。室內外溫差和進出風口的高差越大，則熱壓作用越明顯。對於室外環境風速不大的地區，煙囪效應所產生的通風效果是改善熱舒適度的良好手段。

套用

在高樓大廈的環境內，煙囪效應可以是令火災猛烈加劇的原因。在低層發生的火災造成的熱空氣，因為密度較低，經電梯槽或走火通道內得以往上流動，使高熱氣體不斷在通道的頂部積聚，結果是使火勢透過這種空氣的對流在大廈的頂層製造另一個火場。不單使撲救變得更困難，更會危及前往天台逃生的人員的生命安全。

煙囪最初的套用形式就是筒狀的物體，安裝在廚房或鍋爐房等進行燃料燃燒的地方，利用熱空氣上升的原理，從上部出風口排出熱煙氣，外面的新鮮冷空氣從入口被捲入，增加了燃料燃燒所需要的氧氣，使燃料更加充分的燃燒，增強了火勢。在鍋爐房等這些地方，煙囪起到了拔火拔煙，排走煙氣，改善燃燒條件的作用。

這種利用熱空氣上升，有拔風作用的煙囪效應，在建築結構和建築設備領域裡被廣泛的套用。

在建築設計中，利用熱壓差實現自然通風就是利用的“煙囪效應”原理它是利用熱空氣上升的原理，在建築上部設排風口可將污濁的熱空氣從室內排出，而室外新鮮的冷空氣則從建築底部被吸入。熱壓作用與進、出風口的高差和室內外的溫差有關，室內外溫差和進、出風口的高差越大，則熱壓作用越明顯。在建築設計中，可利用建築物內部貫穿多層的豎向空腔———如樓梯間、中庭、拔風井等滿足進排風口的高差要求，並在頂部設定可以控制的開口，將建築各層的熱空氣排出，達到自然通風的目的。與風壓式自然通風不同，熱壓式自然通風更能適應常變的外部風環境和不良的外部風環境。

煙囪效應不僅實現了自然通風，它在雙層玻璃幕牆中的使用，還有效的阻擋了熱量的傳遞，降低建築牆體的傳熱係數，達到了節約建築能耗的作用。

效應分析

煙囪的主要作用是拔火拔煙，排走煙氣，改善燃燒條件。高層建築內部一般設定數量不等的樓梯間、排風道、送風道、排煙道、電梯井及管道井等豎向井道，當室內溫度高於室外溫度時，室內熱空氣因密度小，便沿著這些垂直通道自然上升，透過門窗縫隙及各種孔洞從高層部分滲出，室外冷空氣因密度大，由低層滲入補充，這就形成煙囪效應。煙囪效應是室內外溫差形成的熱壓及室外風壓共同作用的結果，通常以前者為主，而熱壓值與室內外溫差產生的空氣密度差及進排風口的高度差成正比。這說明，室內溫度越是高於室外溫度，建築物越高，煙囪效應也越明顯，同時也說明，民用建築的煙囪效應一般只是發生在冬季。就一棟建築物而言，理論上視建築物的一半高度位置為中和面，認為中和面以下房間從室外滲入空氣，中和面以上房間從室內滲出空氣。

煙囪效應

在煙囪效應的作用下，室內有組織的自然通風、排煙排氣得以實現，但其負面影響也是多方面的：首先，風沙通過低層部分各種孔洞、縫隙吹入室內，消耗熱量並污染室內；其次，風通過電梯井由底層廳門入口被抽到頂層的過程中，導致梯門不能正常關閉；第三，當發生火災時，隨著室內空氣溫度的急劇升高，體積迅速增大，煙囪效應更加明顯，此時，各種豎井成為拔火拔煙的垂直通道，是火災垂直蔓延的主要途徑，從而助長火勢擴大災情。有資料顯示，煙氣在豎向管井內的垂直擴散速度為3-4m/s，意味著高度為100m的高層建築，煙火由底層直接竄至頂層只需30s左右。如果燃燒條件具備，整個大樓頃刻間便可能形成一片火海。

減弱影響措施

1.在冬季，空氣主要是通過各種外門從底層流入室內，最直接的方法是將建築通向外界的所有門，儘可能地設定成兩道門、旋轉門、加裝門斗或在外門內側設定空氣幕等，這對於大廳門尤為必要，對於那些次要通道連同地下停車場的外門口等，在冬季也要裝門，至少應增掛厚門帘。在冬季，電梯井頂部的通風孔應適當向小調整或關閉。

2.對於已採暖的建築物，儘量不使低層部分的室內溫度高於高層部分。

3.當火災發生時，不僅在任何季節通過各類豎井產生煙囪效應，而且還可能在小範圍內通過穿越樓板的空調管道，甚至是一些不引人注意的孔隙產生煙囪效應。對此，《高層民用建築設計防火規範》（GB50045-1995）有以下明確規定∶

煙囪效應

（1）當圍護結構採用幕牆形式時，“與每層樓板、隔牆處的縫隙，應採用不燃燒材料嚴密填實”。

（2）“建築高度不超過100m的高層建築，其電纜井、管道井應每隔2~3層在樓板處用相當於樓板耐火極限的不燃燒體作防火分隔；建築高度超過100m的高層建築，應在每層樓板處用相當於樓板耐火極限的不燃燒體作防火分隔”。因施工缺陷、橋架和管道根部形成的各種孔隙，必須用不燃燒材料填塞密實。

（3）“樓梯間和前室的門均為乙級防火門”，並“應具有自行關閉的功能”；各種豎向管井“井壁上的檢查門應採用丙級防火門”：“電纜井、管道井與房間、走道等相連通的孔洞，其空隙應採用不燃燒材料填塞密實”：“垂直風管與每層水平風管交接處的水平管段上應設防火閥”：“廚房、浴室、廁所等的垂直排風管道，應採取防止回流的措施或在支管上設定防火閥”，以確保火災時與走道及房間的分隔，防止各樓層之間通過豎井交叉蔓延。

實例分析

台灣汐止東方科學園區的大火，這場火在凌晨4:00由三樓開始起火，火勢一度獲得控制，但接著火勢跳躍中間的樓層，直接從十六樓又開始起火，據推測很可能就是所謂的煙囪效應造成此種延燒方式，接下來，就讓我們來了解一下，何謂煙囪效應。

當火勢在建築物內部形成時，內部空氣因受熱而密度變低，煙流因浮力效應向上流動，而在高層建築中，有樓梯間、電梯豎井及管路間等垂直通路，正好提供煙流垂直流動的管道，煙層於是向上蓄積，理想上煙層會到達樓頂後再以水平的方向漫延到樓層內部，而夾在起火層及煙層蓄積層間的樓層是不會有煙流漫延到樓層內部，一直要到煙層下降到該面的樓層，才會有煙流漫延。實際情形下，煙層是否會在樓頂蓄積要視樓層高度、外界溫度、火場溫度等決定，譬如說，大樓為30層的建築，由於上述條件的互動影響，煙層有可能到達不了樓頂，可能在樓層第20層開始蓄積，並向水平漫延，此時，20層以上的樓層不會感受到有煙流的存在。

要防止煙囪效應對生命財產的危害，最重要的就是要做好各垂直通道、管道間的防火阻絕，不要有空隙讓煙流可往水平方向流竄，就能將危害減到最小。另外也建議於垂直通道、管道間設定專用的偵測器，用以掌控藉煙囪效應流竄的煙流。

太陽塔工程

簡介

煙囪效應造電:澳大利亞千米“太陽塔”工程。

煙囪效應

澳大利亞EnviroMission公司正在準備建造一個規模龐大的太陽能風力發電站，即“太陽塔”工程。該發電裝置位於澳大利亞新南威爾斯州（New South Wales）溫特烏斯郡（Wentworth）的波朗格（Buronga）。

這座高達1000米的“太陽塔”發電容量達到200MW，足夠20萬戶家庭使用，相當於澳大利亞Tasmania州首府Hobart全市或者墨爾本主要郊區Geelong全市的用電量。

“太陽塔”投入運行之後，每年可以減少至少90萬噸溫室氣體CO2的產生，生命周期分析為2.5年（名詞解釋：生命周期分析主要是針對產品進行的，是對某種產品從原料採掘到生產、到產品直至其最終處置的過程，考察其對環境的影響）。

澳大利亞“太陽塔”工程共分為六個階段進行：設計最佳化（已完成）、商業可行性預測和探討（已完成）、可行性最終討論（正在進行）、設計和施工方案的最終審定、施工和調試、投入商業運作。EnviroMission還處於第三階段運作，主要包括項目協作和籌集資金。

太陽塔技術原理

“太陽塔”技術原理如下：太陽對“太陽塔”底部圓盤狀集熱器中的空氣加熱，由於“煙囪效應”，集熱區域的空氣被太陽輻射加熱後便向塔底部流去，在塔內集中並形成一股向上流動的強大空氣流，熱氣流沿著“太陽塔”這根“煙囪”繼續向上升，推動塔內特別設計的一組32台每台發電容量為6.25MW的渦輪，產生電力。塔底入口處空氣溫度為70℃，空氣流速為15m/s，塔頂空氣出口溫度為20℃。到了晚上，白天積聚在熱能存儲單元中的熱能，此時開始釋放出來，繼續推動渦輪旋轉，因而“太陽塔”可以一年365天、一天24小時不間斷地工作。

中試樣機

為了確保澳大利亞“太陽塔”發電的成功，德國的設計者和建造工程公司Schlaich Bergermann and Partner聯同西班牙政府，在西班牙的Manzanares建造了一個小型的樣板裝置進行中試。中試樣機在1982至1989間的7年運行中產生了50KW的電能。中試的研究結果驗證了這種風道式太陽能發電的構想是可行的，過程中取得的數據為下一步擴大規模的設計提供了依據。

設計者

“太陽塔”之設計出自於德國著名建築工程師J?rg Schlaich教授的手筆。J?rg Schlaich教授是建造慕尼黑奧運場的德國公司Schlaich Bergermann and Partner的始創合伙人之一，這德國公司曾建造香港的汀九橋（Ting Kau Bridge）及加拿大蒙特婁奧運場。

套用實驗

簡介

解決高大平房倉死角問題試驗

隨著國家三批1000億斤新型糧庫建成和投產使用,高大平房倉在我國現役糧庫中已經占有很大比重,逐步提高倉儲科學保糧水平,是我們保糧人員面臨的一項重要任務.通過廣泛套用四項儲糧新技術,有力地促進了倉儲技術的進步,規範化,精細化的管理,標誌著我國倉儲工作邁上了一個新台階.但是,科學無止境,倉儲工作及科學保糧同樣面臨新問題,高大平房倉在機械通風和環流熏蒸中死角就是我們遇到新課題.

甘肅蘭州小西坪國家糧食儲備庫是2001年國家第三批投資擴建高大平房倉,2002年6月建成,新增倉容27500T,受西北乾燥氣候環境充分乾燥半年後投入使用.於12月至2003年5月先是在17號倉房分兩批入國產混合小麥5500T.2004年10月我們發現倉房四角糧情均有返潮現象,西南角猶為嚴重.經抽樣化驗,倉房四角小麥水份由入庫時13.2%-14%,增至14%-14.5%.糧溫達18℃,較之其它部位高5℃.隨即採用離心風機地上籠壓入式通風72小時,其它部位糧溫明顯降低,但四角部位降溫不明顯.於是,我們在通風效果上作文章.

分析原因,一是四角糧層阻力大;二是經測定糧面風速,四角明顯較小;三是氣流在糧堆中非線性運動,四角比其它部位有較長通風路徑,因此,形成了糧堆通風死角.

如何解決高大平房倉通風死角問題,我們在摸索中尋求答案.由於本試驗小組二十多年來一直從事糧油儲藏工作,對遇到的新問題,邊學習,邊試驗,邊總結.曾記得十多年前蘭州甘草糧庫3個2500T半地下倉,先後幾次裝糧,糧堆發熱問題非常棘手,最後採取了打開半地下倉底門和倉頂側門,氣流受"煙囪效應"起到了作用,同時在半地下倉內增設了3個直徑為1m的鋼筋支架裹沙網圓柱形檢查井一直插到糧堆底層,二者相互作用,其結果倉溫比地上平房倉溫有明顯差異,長年處於準低溫倉,改善了儲糧環境.受甘草糧庫啟迪,我庫在解決高大平房倉通風死角問題上,變檢查井為導風管,安裝在倉房四角,(靠牆一側中間可增設一個),在地上籠機械通風中導風管同樣發揮著"煙囪效應".

通過在17號倉房試驗,在消除高大平房倉通風死角問題上收到了較好成效.在此基礎上,我們對現有8個高大平房倉全部配製了導風管.2005年2月,13號,14號,15號倉房在接收2萬T進口加麥時,四角全面安裝導風管,一年多來,無論在地上籠通風和環流熏蒸中,沒有形成死角,減輕了保管難度,使儲糧環境得到了改善,儲糧一直處於安全狀態.

材料與方法

1.1材料:

1.1.1供試倉房:供試倉房17號和13號,14號,15號倉均為2001年新建的倉房,倉型為高大平房倉,設計倉容5500T,倉長54m,跨度24m,檐高9m,糧堆高度6m,頂內高11m,倉牆厚度37cm.

1.1.2儲糧基本情況:17號倉儲存2002年12月至2003年5月入庫的國產二等混合小麥5500T,容重775g/l,水分13.2%-14%,雜質0.8%,不完善粒4.8%;13號,14號,15號倉分別儲存2005年2月至4月調入進口加西紅春小麥6000T,容重808g/l,水分13.6%,雜質0.8%,不完善粒4.2%.

1.1.3設備:

1.1.3.1通風機:離心式通風機,陝西華翼產,型號4-72,風量13008m3/n,風壓1542pa,主軸轉速為1800r/min功率7.5kw.軸流風機,河北衡水產,型號Y80m2-4,轉速1390r/min功率0.75kw.

1.1.3.2地上籠通風道 1機3道,每個倉房共3機9道地上籠風道.

1.1.3.3糧食多功能深層扦樣器:成都糧科所產;

1.1.3.4糧情測控:糧情測控採用河南產TS-1糧情測控系統,每倉房設12組分線器,每組分線器設6個測溫點,每測溫點設垂直感測器4個,全倉共288個糧情檢測點.

1.1.3.5導風管:採用地上籠材料,度鋅薄鋼板沖孔,捲曲成φ33cm長1.2m柱體,兩頭5cm處起棱製作成大小頭,便於相互聯結.每節體積為0.1m3.(1.2m×0.1652×3.14=0.10258m3),風道及導風管布置見圖1.

1.2方法:

1.2.1確定降溫,降水通風方式:按照《機械通風儲糧技術規程》規定中允許通風的溫度條件:ps11.2.2具體做法:在17號倉房試驗時,這個倉房東西朝向,堆高6米,我們在倉房南部,東南角安裝了3m深導風管,在倉房西南角安裝6m深導風管,直插倉底,不能同地上籠連結,二者相距2m,倉房北部西北角,東北角未安裝.然後開展機械通風南,北部對比試驗,採用北京市檢測儀器廠生產的ZRQF系列智慧型熱球式風速計檢測,經檢測風速。

結果與分析

2.1引流死角效果:

2.1.1安裝了導風管倉房的牆角,由於導風管"煙囪效應"產生負壓作用,機械通風時,達到了引導氣流向死角部位運動的目的.

2.1.2在環流熏蒸中同樣發揮引流作用,通過對13號,14號,15號,17號倉房環流熏蒸後效果檢查,沒有產生死角,殺蟲效果明顯.

2.1.3地上籠機械通風配合軸流風機通風,正負壓同時存在,通風效果更佳.

2.2四角導風管及糧面各點風速檢測分析:

2.2.1風速檢測數據表明,西南角安裝了6m深導風管直插倉底,風速明顯大於沒有安裝導風管的西北角,東北角;東南角安裝了3m深導風管,風速小於西南角,但比東北角,西北角要大.

2.2.2新入庫糧風速檢測數據相對大一些,而隨著保管時間延長,糧堆重力作用,糧堆進一步沉落,風速比新入庫糧堆要小.

2.2.3導風管引導氣流在死角部位運動,不會對其它部位造成風力截流.

效能作用

通過試驗,導風管通風引流死角作用有三:一是在倉房四角增加了氣流出口,產生了負壓,減小了糧層阻力;二是導風管"煙囪效應"引導氣流向四角線性運動,增加了風量;三是縮短了通風路徑.

結論

4.1利用導風管"煙囪效應"解決高大平房倉通風死角試驗是成功的,能夠達到引導氣流向線性運動，解決死角問題,降溫,降水,環流熏蒸效果比較顯著。

4.2導風管體積小，一個牆角需5節，每節1.2m，共6m，體積只有0.6m3，全倉四角2.45m3，不會影響倉容量。

4.3製作簡易，成本低，1.2m導風管130多元,全倉四角安裝只需2800元左右。一次投資，長期使用。

4.4安裝容易,可移位.入倉時一次性在四角安裝,即使裝滿糧倉房,也可在發生部位臨時採用多功能扦樣器安裝,可靈活使用。