Эффект дымовой трубы или эффект дымохода — это движение воздуха в здания и из них через незапечатанные отверстия, дымоходы , дымовые трубы или другие контейнеры, возникающие в результате плавучести воздуха . Плавучесть возникает из-за разницы в плотности воздуха внутри и снаружи , возникающей из-за разницы температур и влажности. Результатом является либо положительная, либо отрицательная сила плавучести. Чем больше разница температур и высота конструкции, тем больше сила плавучести и, следовательно, эффект штабеля. Эффект стека помогает обеспечить естественную вентиляцию , проникновение воздуха и пожары (например, пожар в туннеле Капрун , пожар на станции метро Кингс-Кросс и пожар в башне Гренфелл ).
Поскольку здания не полностью изолированы (как минимум, всегда есть вход на уровне земли), эффект дымохода приведет к проникновению воздуха. Во время отопительного сезона более теплый воздух в помещении поднимается вверх по зданию и выходит наверх либо через открытые окна, вентиляционные отверстия, либо через непреднамеренные отверстия в потолках, такие как потолочные вентиляторы и встроенные светильники. Поднимающийся теплый воздух снижает давление в основании здания, втягивая холодный воздух через открытые двери, окна или другие отверстия и утечки. В сезон похолоданий эффект суммирования меняется на противоположный, но обычно он слабее из-за меньшей разницы температур. [1]
В современном высотном здании с хорошо герметичной оболочкой эффект дымовой трубы может создавать значительные перепады давления, которые необходимо учитывать при проектировании и, возможно, устранить с помощью механической вентиляции . Лестничные клетки, шахты, лифты и т.п. обычно способствуют эффекту дымохода, тогда как внутренние перегородки, полы и противопожарные перегородки могут его смягчить. Особенно в случае пожара необходимо контролировать эффект дымовой трубы, чтобы предотвратить распространение дыма и огня, а также поддерживать приемлемые условия для жильцов и пожарных. [2] Хотя методы естественной вентиляции могут быть эффективными, например, установка воздухозаборников ближе к земле, механическая вентиляция часто предпочтительна для более высоких конструкций или в зданиях с ограниченным пространством. Дымоудаление является ключевым фактором в новом строительстве и должно оцениваться на стадии проектирования. [3]
Пожар в Гренфелл-Тауэр , в результате которого погибло 72 человека, [4] был частично усугублен эффектом стека. Полость между внешней алюминиевой облицовкой и внутренней изоляцией образовывала дымоход и тянула огонь вверх. [5] [6]
В зданиях могут существовать два режима стакового эффекта: нормальный и обратный. Обычный эффект дымовой трубы возникает в зданиях, в которых поддерживается более высокая температура, чем температура окружающей среды. Теплый воздух внутри здания имеет низкую плотность (или большой удельный объем) и обладает большей выталкивающей силой. Следовательно, он поднимается с нижних уровней на верхние через проходы между этажами. Это представляет собой ситуацию, когда этажи под нейтральной осью здания имеют чистое отрицательное давление, тогда как этажи над нейтральной осью имеют чистое положительное давление. Чистое отрицательное давление на нижних этажах может привести к проникновению наружного воздуха в здание через двери, окна или воздуховоды без заслонок обратной тяги. Теплый воздух будет пытаться проникнуть за пределы здания через этажи выше нейтральной оси.
Механическое холодильное оборудование обеспечивает явное и скрытое охлаждение в летние месяцы. Это снижает температуру воздуха внутри здания по сухому термометру по сравнению с наружным воздухом. Это также уменьшает удельный объем воздуха, содержащегося внутри здания, тем самым уменьшая выталкивающую силу. Следовательно, холодный воздух будет перемещаться вертикально вниз по зданию через шахты лифтов, лестничные клетки и незагерметизированные инженерные коммуникации (например, гидросистемы , электрические и водопроводные стояки). Как только кондиционированный воздух достигает нижних этажей под нейтральной осью, он проникает в ограждающие конструкции здания через незагерметизированные отверстия, например, через заслонки, навесные стены и т. д. Выходящий воздух на этажах под нейтральной осью заставляет наружный воздух проникать в ограждающие конструкции здания через негерметизированные отверстия.
Эффект дымовой трубы в промышленных дымовых трубах аналогичен эффекту дымовых газов в зданиях, за исключением того, что он включает в себя горячие дымовые газы, имеющие большую разницу температур с окружающим наружным воздухом. Кроме того, промышленная дымовая труба обычно практически не препятствует прохождению дымовых газов по всей своей длине и, по сути, обычно оптимизирована для усиления эффекта дымовой трубы и снижения энергопотребления вентилятора.
Большая разница температур между наружным воздухом и дымовыми газами может создать сильный эффект дымовой трубы в дымоходах зданий, в которых для отопления используется камин .
До разработки вентиляторов большого объема шахты вентилировались с использованием эффекта дымовой трубы. Опущенная шахта пропускала воздух в шахту. У подножия отлитой шахты постоянно горела печь. Шахта (обычно глубиной несколько сотен ярдов) вела себя как дымоход, и воздух поднимался через нее, вытягивая свежий воздух вниз по опущенной трубе и вокруг шахты.
Существует разница давлений между наружным воздухом и воздухом внутри здания, вызванная разницей температур наружного и внутреннего воздуха. Эта разница давлений ( ΔP ) является движущей силой эффекта стека, и ее можно рассчитать с помощью уравнений, представленных ниже. [7] [8] Уравнения применимы только к зданиям, в которых воздух находится как внутри, так и снаружи зданий. Для зданий с одним или двумя этажами h – высота здания. Для многоэтажных высотных зданий h — это расстояние от проемов на уровне нейтрального давления (NPL) здания до самых верхних или самых нижних проемов. В [7] объясняется, как NPL влияет на эффект стека в высотных зданиях.
Для дымовых труб и дымоходов, где воздух находится снаружи, а дымовые газы внутри, уравнения дают лишь приблизительные значения, а h — высота дымовой трубы или дымохода.
Осадка (осадка на британском английском языке ), вызванная эффектом дымовой трубы, может быть рассчитана с помощью уравнения, представленного ниже. [9] [10] Уравнение применимо только к зданиям, в которых воздух находится как внутри, так и снаружи зданий. Для одно- или двухэтажных зданий h – высота здания, А – проходная площадь проемов. Для многоэтажных высотных зданий A — проходная площадь проемов, а h — расстояние от проемов при нейтральном уровне давления (NPL) здания до самых верхних или самых нижних проемов. В [7] объясняется, как NPL влияет на эффект стека в высотных зданиях.
Для дымовых труб или дымоходов, где воздух находится снаружи, а дымовые газы внутри, уравнение дает лишь приблизительное представление. Кроме того, A — площадь поперечного сечения потока, а h — высота дымовой трубы или дымохода.
В этом уравнении предполагается, что сопротивление тяговому потоку аналогично сопротивлению потоку через отверстие, характеризуемому коэффициентом расхода C.
