Эффект стека
Эффект дымовой трубы или эффект дымохода — это движение воздуха в здания и из них через незапечатанные отверстия, дымоходы , дымовые трубы или другие специально спроектированные отверстия или контейнеры, возникающие в результате плавучести воздуха . внутри и снаружи, Плавучесть возникает из-за разницы в плотности воздуха 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 может быть полезен для обеспечения естественной вентиляции в определенных климатических условиях, но в других обстоятельствах может быть причиной нежелательной инфильтрации воздуха или опасности возгорания.
В зданиях
[ редактировать ]Поскольку здания не полностью герметичны (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 охлаждения 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., как правило, 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 построек или в зданиях с ограниченным пространством. Дымоудаление является ключевым фактором в новом строительстве и должно оцениваться на стадии проектирования. [ 3 ]
Эффект дымохода также может усугубить распространение огня, особенно в высотных зданиях, где недостатки конструкции допускают образование нежелательных сквозняков. Примеры включают пожар в туннеле Капрун , пожар на станции метро Кингс-Кросс и пожар в башне Гренфелл , в результате которого погибло 72 человека. [ 4 ] Последнее из них было частично усугублено эффектом дымовой трубы, когда полость между внешней алюминиевой облицовкой и внутренней изоляцией непреднамеренно образовала дымоход и потянула огонь вверх. [ 5 ] [ 6 ]
Полезность в пассивном охлаждении
[ редактировать ]Некоторые здания спроектированы со стратегически расположенными проемами на разной высоте, чтобы создать эффект дымохода, когда прохладный воздух поступает через окна или вентиляционные отверстия нижнего уровня, а теплый воздух выходит через отверстия более высокого уровня, такие как световые люки, вентиляционные отверстия на крыше или окна фонаря. Такое вертикальное движение воздуха создает естественную систему вентиляции, которая может значительно снизить температуру в помещении. Сочетание эффекта дымохода с перекрестной вентиляцией , при которой поток воздуха перемещается по зданию с одной стороны на другую, может усилить общий эффект охлаждения. [ 7 ] [ 8 ]
Эффект стека используется как в традиционных зданиях, так и в современной зеленой архитектуре. Примеры традиционного использования включают ветряные башни, распространенные в архитектуре Ближнего Востока, которые улавливают и направляют прохладный ветерок в здание, одновременно вытесняя горячий воздух для поддержания комфортной температуры в помещении. [ 9 ] В современных устойчивых зданиях часто используется эффект дымохода вместе с соответствующими неэлектрическими методами, такими как заземление , земляное укрытие и испарительное охлаждение , для улучшения профиля пассивного охлаждения здания. Тщательно проектируя структуру здания, ориентацию и пути вентиляции, архитекторы могут использовать эффект стека, чтобы уменьшить зависимость от механических систем охлаждения и повысить общую энергоэффективность. [ 8 ]
Обычный и обратный эффект стека
[ редактировать ]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 незакрытые 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 незапечатанные 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.
В дымоходах и дымоходах
[ редактировать ]
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 не препятствует прохождению дымовых газов по всей ее 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.
Причина
[ редактировать ]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. [ 10 ] [ 11 ] 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. Ссылка [ 10 ] объясняет, 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 приблизительное значение, а h — высота дымовой трубы или дымохода.
где: ΔП = располагаемый перепад давления, Па С = 0,0342, К / м а = атмосферное давление, Па час = высота или расстояние, м К = абсолютная наружная температура, К Т я = абсолютная внутренняя температура, К
где: ΔП = доступная разница давлений, фунт на квадратный дюйм С = 0,0188, в °R / фут а = атмосферное давление, в фунтах на квадратный дюйм час = высота или расстояние, в футах К = абсолютная наружная температура, °R Т я = абсолютная внутренняя температура, °R
Индуцированный поток
[ редактировать ]Скорость потока тяги (осадка на британском английском языке ), вызванная эффектом дымовой трубы, можно рассчитать с помощью уравнения, представленного ниже. [ 12 ] [ 13 ] 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. Ссылка [ 10 ] объясняет, 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.
где: вопрос = осадка с эффектом дымохода (осадка в британском английском языке), расход, м 3 /с А = проходное сечение, м 2 С = коэффициент расхода (обычно принимается от 0,65 до 0,70) [ 14 ] г = гравитационное ускорение , 9,81 м/с 2 час = высота или расстояние, м Т я = средняя внутренняя температура, К К = температура наружного воздуха, К
где: вопрос = скорость потока тяги с эффектом дымохода, футы 3 /с А = площадь, футы 2 С = коэффициент расхода (обычно принимается от 0,65 до 0,70) [ 14 ] г = гравитационное ускорение, 32,17 фута/с 2 час = высота или расстояние, футы Т я = средняя внутренняя температура, °R К = температура наружного воздуха, °R
что сопротивление тяговому потоку аналогично сопротивлению потоку через отверстие, характеризуемому коэффициентом расхода C. В этом уравнении предполагается ,
См. также
[ редактировать ]- HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха)
- Вентиляционная шахта
- Солнечный дымоход
- Солнечная восходящая башня
- Тяга (котел)
- Инко Суперстек
- Экибастузская ГРЭС-2 Электростанция
- Ловец ветров
- Перекрестная вентиляция
Ссылки
[ редактировать ]- ^ http://www.mdpi.com/2071-1050/9/10/1731/pdf Решение проблем с эффектом стека в высотном офисном здании с помощью механического повышения давления | дата = сентябрь 2017 г. | дата доступа=2020-08-01 | Юнг Ён Ю; Кё-дон Сон; и Дон У Чо
- ^ Техническое примечание NIST 1618 , Дэниел Маджиковски и Стивен Кербер, Национальный институт стандартов и технологий.
- ^ «Моделирование дыма: отвод тепла и дыма при проектировании зданий» . СимСкейл . 23 апреля 2019 г. Проверено 4 июля 2019 г.
- ^ «Окончательное число погибших в Гренфелл-Тауэр: полиция сообщает, что в результате пожара погиб 71 человек» . Хранитель . 16 ноября 2017 года . Проверено 16 ноября 2017 г.
- ^ «Заявление полиции. Обновление: расследование пожара в Гренфелл-Тауэр» . МПС . 6 июля 2017 года. Архивировано из оригинала 20 июня 2018 года . Проверено 6 июля 2017 г.
- ^ Гриффин, Эндрю (14 июня 2017 г.). «Фатальная ошибка, допущенная при пожаре в Гренфелл-Тауэр» . Независимый . Архивировано из оригинала 14 июня 2017 года . Проверено 16 июня 2017 г.
- ^ Холдер, Хью (20 ноября 2020 г.). «Стратегии эффекта стека для тропических домов» . Архитропики . Проверено 7 августа 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б Резадуст Дезфули, Разия; Базаззаде, Хасан; Табан, Мохсен; Махдавинежад, Мохаммаджавад (1 декабря 2023 г.). «Оптимизация вытяжной вентиляции в жилых домах малой и средней этажности в жарком и полувлажном климате» . Практические примеры в области теплотехники . 52 : 103555. doi : 10.1016/j.csite.2023.103555 . ISSN 2214-157X .
- ^ Хоссейни, SH; Шокры, Э.; Ахмадиан Хоссейни, AJ; Ахмади, Г.; Калаутит, Дж. К. (1 декабря 2016 г.). «Оценка воздушного потока и теплового комфорта в зданиях, вентилируемых ветроуловителями: моделирование условий в городе Йезд, Иран» . Энергия для устойчивого развития . 35 : 7–24. дои : 10.1016/j.esd.2016.09.005 . ISSN 0973-0826 .
- ^ Перейти обратно: а б с Мадьяр, Золтан. «Лекция 2 по естественной вентиляции» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 февраля 2020 года . Проверено 12 февраля 2020 г.
- ^ «Учебный пакет «Вентиляция. Лекция 3: Механическая (принудительная) вентиляция» (PDF) . www.energiazero.org . IDES_EDU / Интеллектуальная энергетика Европы. 28 октября 2011 года . Проверено 4 октября 2019 г.
- ^ Энди Уокер (2 августа 2016 г.). «Естественная вентиляция» . WBDG — Руководство по проектированию всего здания . Национальный институт строительных наук . Проверено 1 апреля 2020 г.
- ^ Стив Ирвинг; Брайан Форд; Дэвид Этеридж (2010). AM10 Естественная вентиляция в нежилых зданиях . СИБСЕ. ISBN 9781903287569 .
- ^ Перейти обратно: а б Буняпуттипонг, Чумнан (2018). «Вентиляция с эффектом дымохода в разных климатических условиях» (PDF) . Журнал строительной энергетики и окружающей среды . 1 (1): 24–29.