[科普中国]-烟囱效应

简介

所谓烟囱效应就是利用建筑内部空气的热压差来实现建筑的自然通风。利用热空气上升的 原理，在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内派出所而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。1

最常见的烟囱效应是火炉、锅炉运作时，产生的热空气随著烟囱向上升，在烟囱的顶部离开。因为烟囱中的热空气散溢而造成的气流，将户外的空气抽入填补，令火炉的火更猛烈。烟囱效应亦可以是逆向的。当户内的温度较户外为低(例如夏天使用空调时)，气流可以在烟囱内向下流动，将户外空气从烟囱抽入室内。

原理热压作用下的自然通风，由于建筑物内外空气的温度差产生了空气密度的差别，于是形成压力差，趋使室内外空气的流动。室内温度高的空气，因此重小而上升，并从建筑物上部风口排除，这时会在低密度空气原来的地方形成负压区，于是室外温度比较低而比重大的新鲜空气从建筑物的底部被吸入，室内外的空气源源不断的进行流动。这种由热压而引起的自然通风被称为烟囱效应。1

影响因素烟囱效应的强度与进出风口的高差和室内外的温差以及户内外空气流通的程度有关。室内外温差和进出风口的高差越大，则热压作用越明显。对于室外环境风速不大的地区，烟囱效应所产生的通风效果是改善热舒适度的良好手段。1

应用在高楼大厦的环境内，烟囱效应可以是令火灾猛烈加剧的原因。在低层发生的火灾造成的热空气，因为密度较低，经电梯槽或走火通道内得以往上流动，使高热气体不断在通道的顶部积聚，结果是使火势透过这种空气的对流在大厦的顶层制造另一个火场。不单使扑救变得更困难，更会危及前往天台逃生的人员的生命安全。

烟囱最初的应用形式就是筒状的物体，安装在厨房或锅炉房等进行燃料燃烧的地方，利用热空气上升的原理，从上部出风口排出热烟气，外面的新鲜冷空气从入口被卷入，增加了燃料燃烧所需要的氧气，使燃料更加充分的燃烧，增强了火势。在锅炉房等这些地方，烟囱起到了拔火拔烟，排走烟气，改善燃烧条件的作用。

这种利用热空气上升，有拔风作用的烟囱效应，在建筑结构和建筑设备领域里被广泛的应用。

在建筑设计中，利用热压差实现自然通风就是利用的“烟囱效应”原理它是利用热空气上升的原理，在建筑上部设排风口可将污浊的热空气从室内排出，而室外新鲜的冷空气则从建筑底部被吸入。热压作用与进、出风口的高差和室内外的温差有关，室内外温差和进、出风口的高差越大，则热压作用越明显。在建筑设计中，可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔———如楼梯间、中庭、拔风井等满足进排风口的高差要求，并在顶部设置可以控制的开口，将建筑各层的热空气排出，达到自然通风的目的。与风压式自然通风不同，热压式自然通风更能适应常变的外部风环境和不良的外部风环境。

烟囱效应不仅实现了自然通风，它在双层玻璃幕墙中的使用，还有效的阻挡了热量的传递，降低建筑墙体的传热系数，达到了节约建筑能耗的作用。

效应分析烟囱的主要作用是拔火拔烟，排走烟气，改善燃烧条件。高层建筑内部一般设置数量不等的楼梯间、排风道、送风道、排烟道、电梯井及管道井等竖向井道，当室内温度高于室外温度时，室内热空气因密度小，便沿着这些垂直通道自然上升，透过门窗缝隙及各种孔洞从高层部分渗出，室外冷空气因密度大，由低层渗入补充，这就形成烟囱效应。烟囱效应是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果，通常以前者为主，而热压值与室内外温差产生的空气密度差及进排风口的高度差成正比。这说明，室内温度越是高于室外温度，建筑物越高，烟囱效应也越明显，同时也说明，民用建筑的烟囱效应一般只是发生在冬季。就一栋建筑物而言，理论上视建筑物的一半高度位置为中和面，认为中和面以下房间从室外渗入空气，中和面以上房间从室内渗出空气。

在烟囱效应的作用下，室内有组织的自然通风、排烟排气得以实现，但其负面影响也是多方面的：首先，风沙通过低层部分各种孔洞、缝隙吹入室内，消耗热量并污染室内；其次，风通过电梯井由底层厅门入口被抽到顶层的过程中，导致梯门不能正常关闭；第三，当发生火灾时，随着室内空气温度的急剧升高，体积迅速增大，烟囱效应更加明显，此时，各种竖井成为拔火拔烟的垂直通道，是火灾垂直蔓延的主要途径，从而助长火势扩大灾情。有资料显示，烟气在竖向管井内的垂直扩散速度为3-4m/s，意味着高度为100m的高层建筑，烟火由底层直接窜至顶层只需30s左右。如果燃烧条件具备，整个大楼顷刻间便可能形成一片火海。2

减弱烟囱效应负面影响措施1.在冬季，空气主要是通过各种外门从底层流入室内，最直接的方法是将建筑通向外界的所有门，尽可能地设置成两道门、旋转门、加装门斗或在外门内侧设置空气幕等，这对于大厅门尤为必要，对于那些次要通道连同地下停车场的外门口等，在冬季也要装门，至少应增挂厚门帘。在冬季，电梯井顶部的通风孔应适当向小调整或关闭。

2.对于已采暖的建筑物，尽量不使低层部分的室内温度高于高层部分。

3.当火灾发生时，不仅在任何季节通过各类竖井产生烟囱效应，而且还可能在小范围内通过穿越楼板的空调管道，甚至是一些不引人注意的孔隙产生烟囱效应。对此，《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-1995）有以下明确规定∶

（1）当围护结构采用幕墙形式时，“与每层楼板、隔墙处的缝隙，应采用不燃烧材料严密填实”。

（2）“建筑高度不超过100m的高层建筑，其电缆井、管道井应每隔2~3层在楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔；建筑高度超过100m的高层建筑，应在每层楼板处用相当于楼板耐火极限的不燃烧体作防火分隔”。因施工缺陷、桥架和管道根部形成的各种孔隙，必须用不燃烧材料填塞密实。

（3）“楼梯间和前室的门均为乙级防火门”，并“应具有自行关闭的功能”；各种竖向管井“井壁上的检查门应采用丙级防火门”：“电缆井、管道井与房间、走道等相连通的孔洞，其空隙应采用不燃烧材料填塞密实”：“垂直风管与每层水平风管交接处的水平管段上应设防火阀”：“厨房、浴室、厕所等的垂直排风管道，应采取防止回流的措施或在支管上设置防火阀”，以确保火灾时与走道及房间的分隔，防止各楼层之间通过竖井交叉蔓延。2

实例分析台湾汐止东方科学园区的大火，这场火在凌晨4:00由三楼开始起火，火势一度获得控制，但接着火势跳跃中间的楼层，直接从十六楼又开始起火，据推测很可能就是所谓的烟囱效应造成此种延烧方式，接下来，就让我们来了解一下，何谓烟囱效应。3

当火势在建筑物内部形成时，内部空气因受热而密度变低，烟流因浮力效应向上流动，而在高层建筑中，有楼梯间、电梯竖井及管路间等垂直通路，正好提供烟流垂直流动的管道，烟层于是向上蓄积，理想上烟层会到达楼顶后再以水平的方向漫延到楼层内部，而夹在起火层及烟层蓄积层间的楼层是不会有烟流漫延到楼层内部，一直要到烟层下降到该面的楼层，才会有烟流漫延。实际情形下，烟层是否会在楼顶蓄积要视楼层高度、外界温度、火场温度等决定，譬如说，大楼为30层的建筑，由于上述条件的交互影响，烟层有可能到达不了楼顶，可能在楼层第20层开始蓄积，并向水平漫延，此时，20层以上的楼层不会感受到有烟流的存在。

要防止烟囱效应对生命财产的危害，最重要的就是要做好各垂直通道、管道间的防火阻绝，不要有空隙让烟流可往水平方向流窜，就能将危害减到最小。另外也建议于垂直通道、管道间设置专用的侦测器，用以掌控藉烟囱效应流窜的烟流。

澳大利亚千米“太阳塔”工程简介烟囱效应造电:澳大利亚千米“太阳塔”工程。

澳大利亚EnviroMission公司正在准备建造一个规模庞大的太阳能风力发电站，即“太阳塔”工程。该发电装置位于澳大利亚新南威尔士州（New South Wales）温特乌斯郡（Wentworth）的波朗格（Buronga）。

这座高达1000米的“太阳塔”发电容量达到200MW，足够20万户家庭使用，相当于澳大利亚Tasmania州首府Hobart全市或者墨尔本主要郊区Geelong全市的用电量。

“太阳塔”投入运行之后，每年可以减少至少90万吨温室气体CO2的产生，生命周期分析为2.5年（名词解释：生命周期分析主要是针对产品进行的，是对某种产品从原料采掘到生产、到产品直至其最终处置的过程，考察其对环境的影响）。

澳大利亚“太阳塔”工程共分为六个阶段进行：设计优化（已完成）、商业可行性预测和探讨（已完成）、可行性最终讨论（正在进行）、设计和施工方案的最终审定、施工和调试、投入商业运作。EnviroMission还处于第三阶段运作，主要包括项目协作和筹集资金。

太阳塔技术原理“太阳塔”技术原理如下：太阳对“太阳塔”底部圆盘状集热器中的空气加热，由于“烟囱效应”，集热区域的空气被太阳辐射加热后便向塔底部流去，在塔内集中并形成一股向上流动的强大空气流，热气流沿着“太阳塔”这根“烟囱”继续向上升，推动塔内特别设计的一组32台每台发电容量为6.25MW的涡轮，产生电力。塔底入口处空气温度为70℃，空气流速为15m/s，塔顶空气出口温度为20℃。到了晚上，白天积聚在热能存储单元中的热能，此时开始释放出来，继续推动涡轮旋转，因而“太阳塔”可以一年365天、一天24小时不间断地工作。

中试样机为了确保澳大利亚“太阳塔”发电的成功，德国的设计者和建造工程公司Schlaich Bergermann and Partner联同西班牙政府，在西班牙的Manzanares建造了一个小型的样板装置进行中试。中试样机在1982至1989间的7年运行中产生了50KW的电能。中试的研究结果验证了这种风道式太阳能发电的构想是可行的，过程中取得的数据为下一步扩大规模的设计提供了依据。

设计者“太阳塔”之设计出自于德国著名建筑工程师J?rg Schlaich教授的手笔。J?rg Schlaich教授是建造慕尼黑奥运场的德国公司Schlaich Bergermann and Partner的始创合伙人之一，这德国公司曾建造香港的汀九桥（Ting Kau Bridge）及加拿大蒙特利尔奥运场。

应用实验简介解决高大平房仓死角问题试验

随着国家三批1000亿斤新型粮库建成和投产使用,高大平房仓在我国现役粮库中已经占有很大比重,逐步提高仓储科学保粮水平,是我们保粮人员面临的一项重要任务.通过广泛应用四项储粮新技术,有力地促进了仓储技术的进步,规范化,精细化的管理,标志着我国仓储工作迈上了一个新台阶.但是,科学无止境,仓储工作及科学保粮同样面临新问题,高大平房仓在机械通风和环流熏蒸中死角就是我们遇到新课题.

甘肃兰州小西坪国家粮食储备库是2001年国家第三批投资扩建高大平房仓,2002年6月建成,新增仓容27500T,受西北干燥气候环境充分干燥半年后投入使用.于12月至2003年5月先是在17号仓房分两批入国产混合小麦5500T.2004年10月我们发现仓房四角粮情均有返潮现象,西南角犹为严重.经抽样化验,仓房四角小麦水份由入库时13.2%-14%,增至14%-14.5%.粮温达18℃,较之其它部位高5℃.随即采用离心风机地上笼压入式通风72小时,其它部位粮温明显降低,但四角部位降温不明显.于是,我们在通风效果上作文章.4

分析原因,一是四角粮层阻力大;二是经测定粮面风速,四角明显较小;三是气流在粮堆中非线性运动,四角比其它部位有较长通风路径,因此,形成了粮堆通风死角.

如何解决高大平房仓通风死角问题,我们在摸索中寻求答案.由于本试验小组二十多年来一直从事粮油储藏工作,对遇到的新问题,边学习,边试验,边总结.曾记得十多年前兰州甘草粮库3个2500T半地下仓,先后几次装粮,粮堆发热问题非常棘手,最后采取了打开半地下仓底门和仓顶侧门,气流受"烟囱效应"起到了作用,同时在半地下仓内增设了3个直径为1m的钢筋支架裹沙网圆柱形检查井一直插到粮堆底层,二者相互作用,其结果仓温比地上平房仓温有明显差异,长年处于准低温仓,改善了储粮环境.受甘草粮库启迪,我库在解决高大平房仓通风死角问题上,变检查井为导风管,安装在仓房四角,(靠墙一侧中间可增设一个),在地上笼机械通风中导风管同样发挥着"烟囱效应".

通过在17号仓房试验,在消除高大平房仓通风死角问题上收到了较好成效.在此基础上,我们对现有8个高大平房仓全部配制了导风管.2005年2月,13号,14号,15号仓房在接收2万T进口加麦时,四角全面安装导风管,一年多来,无论在地上笼通风和环流熏蒸中,没有形成死角,减轻了保管难度,使储粮环境得到了改善,储粮一直处于安全状态.

材料与方法1.1材料:

1.1.1供试仓房:供试仓房17号和13号,14号,15号仓均为2001年新建的仓房,仓型为高大平房仓,设计仓容5500T,仓长54m,跨度24m,檐高9m,粮堆高度6m,顶内高11m,仓墙厚度37cm.

1.1.2储粮基本情况:17号仓储存2002年12月至2003年5月入库的国产二等混合小麦5500T,容重775g/l,水分13.2%-14%,杂质0.8%,不完善粒4.8%;13号,14号,15号仓分别储存2005年2月至4月调入进口加西红春小麦6000T,容重808g/l,水分13.6%,杂质0.8%,不完善粒4.2%.

1.1.3设备:

1.1.3.1通风机:离心式通风机,陕西华翼产,型号4-72,风量13008m3/n,风压1542pa,主轴转速为1800r/min功率7.5kw.轴流风机,河北衡水产,型号Y80m2-4,转速1390r/min功率0.75kw.

1.1.3.2地上笼通风道 1机3道,每个仓房共3机9道地上笼风道.

1.1.3.3粮食多功能深层扦样器:成都粮科所产;

1.1.3.4粮情测控:粮情测控采用河南产TS-1粮情测控系统,每仓房设12组分线器,每组分线器设6个测温点,每测温点设垂直传感器4个,全仓共288个粮情检测点.

1.1.3.5导风管:采用地上笼材料,度锌薄钢板冲孔,卷曲成φ33cm长1.2m柱体,两头5cm处起棱制作成大小头,便于相互联结.每节体积为0.1m3.(1.2m×0.1652×3.14=0.10258m3),风道及导风管布置见图1.

1.2方法:

1.2.1确定降温,降水通风方式:按照《机械通风储粮技术规程》规定中允许通风的温度条件:ps11.2.2具体做法:在17号仓房试验时,这个仓房东西朝向,堆高6米,我们在仓房南部,东南角安装了3m深导风管,在仓房西南角安装6m深导风管,直插仓底,不能同地上笼连结,二者相距2m,仓房北部西北角,东北角未安装.然后开展机械通风南,北部对比试验,采用北京市检测仪器厂生产的ZRQF系列智能热球式风速计检测,经检测风速。

结果与分析2.1引流死角效果:

2.1.1安装了导风管仓房的墙角,由于导风管"烟囱效应"产生负压作用,机械通风时,达到了引导气流向死角部位运动的目的.

2.1.2在环流熏蒸中同样发挥引流作用,通过对13号,14号,15号,17号仓房环流熏蒸后效果检查,没有产生死角,杀虫效果明显.

2.1.3地上笼机械通风配合轴流风机通风,正负压同时存在,通风效果更佳.

2.2四角导风管及粮面各点风速检测分析:

2.2.1风速检测数据表明,西南角安装了6m深导风管直插仓底,风速明显大于没有安装导风管的西北角,东北角;东南角安装了3m深导风管,风速小于西南角,但比东北角,西北角要大.

2.2.2新入库粮风速检测数据相对大一些,而随着保管时间延长,粮堆重力作用,粮堆进一步沉落,风速比新入库粮堆要小.

2.2.3导风管引导气流在死角部位运动,不会对其它部位造成风力截流.

效能作用通过试验,导风管通风引流死角作用有三:一是在仓房四角增加了气流出口,产生了负压,减小了粮层阻力;二是导风管"烟囱效应"引导气流向四角线性运动,增加了风量;三是缩短了通风路径.

结论4.1利用导风管"烟囱效应"解决高大平房仓通风死角试验是成功的,能够达到引导气流向线性运动，解决死角问题,降温,降水,环流熏蒸效果比较显著。

4.2导风管体积小，一个墙角需5节，每节1.2m，共6m，体积只有0.6m3，全仓四角2.45m3，不会影响仓容量。

4.3制作简易，成本低，1.2m导风管130多元,全仓四角安装只需2800元左右。一次投资，长期使用。

4.4安装容易,可移位.入仓时一次性在四角安装,即使装满粮仓房,也可在发生部位临时采用多功能扦样器安装,可灵活使用。