Эффект дымохода или эффект дымохода - это движение воздуха в здания и из них через негерметичные отверстия, дымоходы , дымовые трубы или другие специально спроектированные отверстия или контейнеры, возникающее в результате плавучести воздуха . Плавучесть возникает из-за разницы в плотности воздуха внутри и снаружи помещения , 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 дымохода. Эффект дымохода может быть полезен для управления естественной вентиляцией в определенных климатических условиях, но в других обстоятельствах может быть причиной нежелательной инфильтрации воздуха или опасности пожара.
Поскольку здания не полностью герметичны (как минимум, всегда есть вход на уровне земли), эффект дымовой трубы приведет к инфильтрации воздуха. Во время отопительного сезона более теплый воздух в помещении поднимается вверх через здание и выходит наверху 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 либо через открытые двери, окна или другие отверстия и утечки. Во время сезона охлаждения эффект дымовой трубы обратный, но обычно слабее из-за меньшей разницы температур. [1]
В современном высотном здании с хорошо герметичной оболочкой эффект тяги может создавать значительные перепады давления, которые необходимо учитывать при проектировании и, возможно, необходимо устранять с помощью механической вентиляции . Лестничные клетки, шахты, лифты и тому подобное, как правило, способствуют эффекту тяги, в то время как внутренние перегородки, полы и противопожарные преграды могут смягчить его. Особенно в случае пожара эффект тяги необходимо контролировать, 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 предпочтительнее для более высоких сооружений или в зданиях с ограниченным пространством. Удаление дыма является ключевым фактором в новых конструкциях и должно оцениваться на этапах проектирования. [3]
Эффект дымовой трубы также может усугубить распространение огня, особенно в высотных зданиях, где недостатки конструкции допускают образование нежелательных сквозняков. Примерами служат пожар в туннеле Капрун , пожар на станции метро King's Cross и пожар на башне Гренфелл , в результате которого погибло 72 человека. [4] Последний из них был частично усугублен эффектом дымовой трубы, когда полость между внешней алюминиевой облицовкой и внутренней изоляцией непреднамеренно образовала дымоход и вытащила огонь вверх. [5] [6]
Некоторые здания спроектированы со стратегически расположенными отверстиями на разной высоте, чтобы вызвать эффект тяги, когда холодный воздух поступает через окна или вентиляционные отверстия низкого уровня, а теплый воздух выходит через отверстия более высокого уровня, такие как световые люки, вентиляционные отверстия на крыше или окна верхнего этажа. Это вертикальное движение воздуха создает естественную систему вентиляции, которая может значительно снизить температуру в помещении. Сочетание эффекта тяги с перекрестной вентиляцией , когда поток воздуха движется по зданию с одной стороны на другую, может усилить общий эффект охлаждения. [7] [8]
Эффект тяги используется как в традиционных зданиях, так и в современной зеленой архитектуре. Примерами традиционного использования являются ветряные башни, распространенные в архитектуре Ближнего Востока, которые улавливают и направляют прохладные бризы в здание, одновременно вытесняя горячий воздух для поддержания комфортной температуры в помещении. [9] Современные устойчивые здания часто используют эффект тяги вместе с соответствующими неэлектрическими методами, такими как заземление , укрытие землей и испарительное охлаждение , чтобы улучшить пассивный профиль охлаждения здания. Тщательно проектируя структуру здания, ориентацию и пути вентиляции, архитекторы могут использовать эффект тяги, чтобы уменьшить зависимость от механических систем охлаждения и повысить общую энергоэффективность. [8]
В зданиях могут существовать два режима эффекта тяги: нормальный и обратный. Нормальный эффект тяги возникает в зданиях, в которых поддерживается более высокая температура, чем внешняя среда. Теплый воздух внутри здания имеет низкую плотность (или высокий удельный объем) и проявляет большую выталкивающую силу. 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 заставить наружный воздух проникать в здание через двери, окна или воздуховоды без обратных клапанов. Теплый воздух будет пытаться выйти из оболочки здания через этажи над нейтральной осью.
Механическое холодильное оборудование обеспечивает явное и скрытое охлаждение в летние месяцы. Это снижает температуру воздуха по сухому термометру внутри здания относительно наружного окружающего воздуха. Это также уменьшает удельный объем воздуха, содержащегося в здании, тем самым уменьшая выталкивающую силу. Следовательно, холодный воздух будет перемещаться вертикально вниз по зданию через шахты лифтов, лестничные клетки и негерметичные проходки для коммуникаций (например, гидравлические , электрические и водопроводные стояки). Как только кондиционированный воздух достигает нижних этажей под нейтральной осью, он вытесняет ограждающие конструкции здания через негерметичные отверстия, такие как через заслонки, навесные стены и т. д. Вытесняющий воздух на этажах под нейтральной осью будет заставлять наружный воздух просачиваться в ограждающие конструкции здания через негерметичные отверстия.
Эффект дымохода в промышленных дымовых трубах аналогичен эффекту 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 обеспечивает небольшое препятствие для дымового газа по всей своей длине и, по сути, обычно оптимизирована для усиления эффекта дымохода, чтобы снизить потребность в энергии вентилятора.
Большая разница температур наружного воздуха и дымовых газов может привести к возникновению сильного эффекта тяги в дымоходах зданий, в которых для отопления используется камин .
До разработки вентиляторов большого объема шахты проветривались с помощью эффекта дымовой трубы. Воздух поступал в шахту через нисходящую шахту. У подножия восходящей шахты постоянно горела печь. Шахта (обычно глубиной в несколько сотен ярдов) вела себя как дымоход, и воздух поднимался по ней, затягивая свежий воздух вниз по нисходящей шахте и вокруг шахты.
Существует разница давлений между наружным воздухом и воздухом внутри здания, вызванная разницей температур между наружным воздухом и внутренним воздухом. Эта разница давлений ( ΔP ) является движущей силой эффекта тяги, и ее можно рассчитать с помощью уравнений, представленных ниже. [10] [11] Уравнения применимы только к зданиям, где воздух находится как внутри, так и снаружи зданий. Для зданий с одним или двумя этажами h — это высота здания. Для многоэтажных высотных зданий h — это расстояние от отверстий на уровне нейтрального давления (NPL) здания до самых верхних отверстий или самых нижних отверстий. В ссылке [10] объясняется, как NPL влияет на эффект тяги в высотных зданиях.
Для дымовых труб и дымоходов, где воздух находится снаружи, а дымовые газы — внутри, уравнения дадут лишь приблизительное значение, а h — это высота дымовой трубы или дымохода.
Расход воздуха, вызванный эффектом тяги, можно рассчитать с помощью уравнения, представленного ниже. [ 12] [13] Уравнение применимо только к зданиям, где воздух находится как внутри, так и снаружи зданий. Для зданий с одним или двумя этажами h — высота здания, а A — площадь сечения проемов. Для многоэтажных высотных зданий A — площадь сечения проемов, а h — расстояние от проемов на уровне нейтрального давления (NPL) здания до самых верхних или самых нижних проемов. В ссылке [10] объясняется, как NPL влияет на эффект тяги в высотных зданиях.
Для дымовых труб или дымоходов, где воздух находится снаружи, а дымовые газы — внутри, уравнение даст только приближение. Кроме того, A — это площадь поперечного сечения потока, а h — высота дымовой трубы или дымохода.
Это уравнение предполагает , что сопротивление потоку тяги аналогично сопротивлению потока через отверстие, характеризуемому коэффициентом расхода C.
