煙突効果

煙突効果（えんとつこうか、）とは、煙突の中に外気より高温の空気がある時に、高温の空気は低温の空気より密度が低いため煙突内の空気に浮力が生じる結果、煙突下部の空気取り入れ口から外部の冷たい空気を煙突に引き入れながら暖かい空気が上昇する現象を言う。
火力発電所などの煙突はこの効果を用いて、燃焼で生じた高温の二酸化炭素ガスを排出すると共に空気取り入れ口から外部の酸素が多い空気を取り込む。またオフィスビル等では、太陽やオフィス機器から発生する熱で温められた室内に、煙突効果を利用して外部の冷たい空気を自然換気で取り込むアトリウム型建築も設計されており、これにより建物のエネルギー消費量を 10 - 30 ％削減できると期待されている。他方、煙突効果が高い建物では、火災時に煙突となる通路を通して炎や煙が広がり易くなるため、その対処が重要である。
原理.
煙突効果は、充分な重力が作用している場において、以下の3段階で説明される。
浮力の発生.
シャルルの法則（ゲイ＝リュサックの法測とも言う）によると、一定重量のガスの体積 formula_1 とそのガスの絶対温度"T" の間には "k" をある正の定数として線形になる関係があるとされる。
即ち一定重量のガスの体積は、温度"T" に比例して増加する。このことは逆に、一定体積の容器に入るガスの重量は"T" に逆比例して減少する、つまりガスの密度ρが"T" に逆比例して低下し軽くなるということでもある。この関係を表したのが次の式である。
つまり、冷たいガスより軽い暖かいガスは密度が低いことが判る。したがって、充分な重力が作用している地球の地表付近などでは、暖かいガスには浮力が生じて上昇していく。
煙突内外の圧力差.
（本節の参照）
充分な重力と大気を持った惑星の上では、地表から上空に向けて建てられた煙突の場合、煙突の出口の高度の気圧は、地表にある煙突の入口より少し低い。これは地上から煙突出口の高さ分の空気が、煙突の出口の上には存在しないためである。煙突出口(上端)と入口(下端)との圧力差Pは、煙突の高さを "h" 、空気の密度を ρ、重力加速度を "g" とすると次の式で与えられる。
今、煙突下部の吸気口を塞ぎ、煙突の出口を開けたとする。この時煙突出口では煙突内外の気圧は等しい。一方地上では煙突内(i)、外(o)の圧力は煙突出口と比べ、それぞれ下式の値だけ高くなる。但し、煙突に出口と入口以外の開口が無い場合。
つまり地上では煙突内外で下記の気圧差Δ"P" が生じる。
ここで formula_7 から formula_8 となるので
が得られる。さらに温度 0 ℃ (273.15 K)、気圧 1 atm (101325 Pa) の空気の密度 ρs を使うと
となるから
の関係が得られる。
給気速度.
（本節の参照）
密度差で生じた圧力差 Δ"P" によって外部から煙突に入る空気の体積を "Vo" 、この体積の空気の質量を "mo" 、空気の流速を "uo" とすると、エネルギー保存の法則から下記の関係が成り立つ。
ここで
の関係を使うとガスが煙突に流入する速度 "uo" は下式で与えられる。
この速度に煙突の断面積 "A" を掛けた値が、給気速度 "Q" である。ただし、現実の空気ではエネルギーの損失等に対する補正として、流量係数 "C" （通常0.65 - 0.7）を掛けた値が用いられる。
この結果、給気速度と外気温度の関係として下式が得られる。
応用例.
建築.
但し、自然換気を促進するための開放的な空間構成は、火災時に発生した煙の流動を容易するため、全館に人命危険を及ぼす恐れが大きいため、火災時には煙の流動を防げるようにする対策が必要となる。
自然エネルギー.
ソーラーアップドラフトタワー発電では大地を非常に大きな温室で覆う。そこに太陽が当たると温室内の温度が上昇する。その温室に高い煙突を設置すると、煙突効果により煙突内に上昇気流が起こり、その上昇気流を利用して風力発電機を回し発電する方式が、ソーラーアップドラフトタワー発電である。1982年ドイツ政府の資金提供を受け、スペインのマンサナレスで初のソーラーアップドラフトタワー発電の実験施設が作られ、約8年間にわたって実験データが収集された。この施設の仕様は、煙突の直径10 m、高さ195 m、温室床面積は46000 m2で、発電能力は最大電力出力時で約50 kWであった。尚、日本ではソーラーチムニーと言う名称も使われている。
煙突効果と火災.
建築物で上下方向に空気が流れられる空間があり、その下部に空気を供給できる構造であれば、その建築物部分は煙突と同じ構造となり、同じ機能を有する事になる。このため、この部分で火災が発生すると煙突効果でそれが煙突化して燃焼が促進する。しかも、煙は人間の駆ける速度より早く進むため、人間が逃げ切れず大災害になる事がある。1972年の千日デパート火災では階段部分が、2000年のオーストリアケーブルカー火災事故ではケーブルカーのトンネルが、2003年の大邱地下鉄放火事件では地下鉄のトンネルと駅地上部への階段が、それぞれ煙突構造を構成し火災の被害を大きくした事が知られている。