烟囱效应

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烟囱效应是指由于空气浮力作用，空气通过未密封的开口、烟囱、烟气排放管道或其他专门设计的开口在建筑物内外之间流动的现象。空气浮力产生的原因是室内与室外空气密度不同，而这种密度差异通常来自温度差异和湿度差异。其结果会产生正浮力或负浮力。

最常见的烟囱效应是火炉、锅炉运作时，产生的热空气随着烟囱向上升，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（例如在夏季时使用空气调节），气流可以在烟囱内向下流动，将户外空气从烟囱抽入室内。

温差越大、建筑高度越高，浮力作用就越强，因此烟囱效应也越强。在某些气候条件下，烟囱效应可以被利用来驱动自然通风；但在其他情况下，它也可能导致不希望出现的空气渗透以及火灾风险增加。

## 建筑

由于建筑物不可能完全密封（至少一定会有地面层入口），因此烟囱效应会导致空气渗入。在供暖季节，较温暖的室内空气会向上上升并穿过整栋建筑，并从建筑顶部排出，例如打开的窗户、通风开口或天花板中的非故意孔洞，例如吊扇或嵌入式灯具。上升的暖空气会降低建筑底部的气压，从而使冷空气被吸入建筑内，例如通过打开的门、窗户或其他开口和漏气处。在制冷季节，烟囱效应的方向会相反，但通常较弱，因为此时室内外温差较小。

在具有良好气密建筑围护结构的现代高层建筑中，烟囱效应（stack effect）可能会产生显著的压力差，因此在设计时必须加以考虑，并且可能需要通过机械通风系统来加以处理。楼梯间、管井、电梯井等竖向通道往往会加强烟囱效应；而室内隔墙、楼板以及防火分隔结构则可以在一定程度上减弱这种效应。特别是在火灾情况下，必须对烟囱效应进行控制，以防止烟雾和火势的蔓延，并维持对建筑内人员和消防员而言可承受的环境条件。

虽然某些自然通风方法可能有效，例如将排气口设置在更靠近地面的位置，但对于较高的建筑或空间有限的建筑来说，通常更倾向于采用机械通风系统。在新建建筑中，排烟系统（smoke extraction）是关键设计因素之一，必须在设计阶段就进行评估。

烟囱效应也可能加剧火灾的蔓延，特别是在高层建筑中，如果设计存在缺陷而形成不必要的气流通道，就可能产生这种情况。相关的例子包括奥地利卡普伦隧道火灾、伦敦国王十字圣潘克拉斯地铁站火灾和格兰菲塔大楼火灾，在格兰菲塔大楼火灾中共有 72 人死亡。在这些案例中，格兰菲塔大楼火灾部分被认为因烟囱效应而恶化：外层铝制幕墙板与内部保温材料之间形成的空腔无意中构成了一个烟囱通道，将火焰向上抽吸并迅速蔓延。此外，烟囱效应也被认为是香港大埔宏福苑大火的一个主要促成因素之一。

### 在被动冷却中的作用

一些建筑在不同高度设置了策略性的开口，以利用烟囱效应。在这种设计中，较冷的空气通过低处的窗户或通风口进入，而较热的空气则通过较高位置的开口（如天窗、屋顶通风口或高侧窗）排出。这种空气的垂直流动形成一种自然通风系统，可以显著降低室内温度。若将烟囱效应与穿堂风通风（cross ventilation）结合——即空气从建筑的一侧流向另一侧——整体的降温效果还可以进一步增强。

烟囱效应在传统建筑和现代绿色建筑均有被使用。传统建筑像是中东建筑中常见的捕风塔能够引导凉爽的微风进入建筑物，同时排除热空气，以维持室内舒适的温度。

在当代可持续建筑中，设计师常常将烟囱效应与其他无需电力的被动技术结合使用，例如地耦合（ground coupling）、覆土建筑（earth sheltering）和蒸发冷却（evaporative cooling），以增强建筑的被动降温能力。通过精心设计建筑结构、朝向以及通风路径，建筑师可以利用烟囱效应减少对机械制冷系统的依赖，并提高整体能源效率。

### 正常与反向烟囱效应

在建筑物中，烟囱效应可以呈现两种状态：正常烟囱效应和反向烟囱效应。

正常烟囱效应出现在建筑物内部温度高于室外环境的情况下。建筑物内的暖空气密度较低（或比容较大），因此具有更大的浮力。结果是，暖空气会通过楼层之间的缝隙，从较低楼层向较高楼层上升。这会形成一种压力分布：建筑物中性轴（neutral axis）以下的楼层呈现净负压，而中性轴以上的楼层呈现净正压。下部楼层的负压会促使室外空气通过门、窗或没有止回风阀的管道渗入建筑内部；同时，暖空气则会试图通过中性轴以上楼层的建筑围护结构向外排出。

在夏季，机械制冷设备会提供显热和潜热冷却，使建筑内空气的干球温度低于室外环境温度。同时，建筑内空气的比容降低，从而减弱浮力作用。因此，冷空气会沿着建筑物垂直向下流动，例如经由电梯井、楼梯间以及未密封的管道穿楼孔（如水暖管道、电气竖井和给水立管）。当这些经过空调处理的空气到达中性轴以下的底部楼层时，会通过未密封的开口（例如风阀、幕墙等）从建筑围护结构向外排出。这些从下部楼层排出的空气又会促使室外空气通过未密封的开口渗入建筑物内部。

## 烟气烟囱和烟道

工业烟气烟囱中的烟囱效应与建筑物中的情况相似，不同之处在于其中涉及的高温烟气与室外环境空气之间存在较大的温差。此外，工业烟囱在其高度方向上通常对烟气流动的阻力很小，实际上往往被设计成有利于增强烟囱效应，以减少对风机动力的需求。当室外空气与烟气之间存在较大的温差时，对于使用壁炉取暖的建筑物，其烟囱中也会形成强烈的烟囱效应。

在大容量风机尚未发明之前，矿井通风常常依靠烟囱效应来实现。一个进风井（downcast shaft）将新鲜空气引入矿井，而在回风井（upcast shaft）底部则保持一个持续燃烧的炉火。这个井筒（通常深达数百码）就像一个烟囱，使空气向上升起，从而将新鲜空气经由进风井吸入并在整个矿井中流通。

## 原理

建筑物内外空气之间存在压力差，这种压力差是由于室外空气与室内空气之间的温度差异所造成的。这个压力差（ΔP）就是烟囱效应的驱动力，并且可以通过下文给出的公式来计算。这些公式只适用于建筑物内外都存在空气的情况。对于一层或两层的建筑物，h 表示建筑物的高度。对于多层或高层建筑，h 则表示从建筑物中性压力面的开口到最上方开口或最下方开口之间的距离。文献进一步解释了中性压力面在高层建筑中如何影响烟囱效应。

在烟气烟囱和烟道中，外部是空气，而内部是燃烧产生的烟气。在这种情况下，下面的方程式只能提供一个近似值。此时，h 表示烟囱或烟气管道的高度。烟囱效应所产生的压力差可由下式计算：

$$\Delta P = C a h \bigg(\frac {1}{T_o} - \frac {1}{T_i}\bigg)$$

单位说明：

ΔP = 可用的压力差（Pa，帕斯卡）

C = 0.0342（K/m）

a = 大气压力（Pa）

h = 高度或距离（m）

Tₒ = 外部绝对温度（K）

Tᵢ = 内部（烟气）绝对温度（K）

这个公式表明：烟囱效应的压力差主要取决于烟囱高度以及内外气体温度差。通常情况下，烟囱越高、内外温差越大，产生的抽力就越强。

## 入侵空气流量

由烟囱效应所产生的内外压差所导致的侵入空气流量可以用下列公式计算。

这个公式仅适用于建筑物内外都存在空气的情况。对于一层或两层建筑，h 表示建筑物高度，A 表示开口的流通面积。对于多层或高层建筑，A 表示开口的流通面积，而 h 则表示从建筑物中性压力面（NPL, Neutral Pressure Level）到最上部开口或最下部开口的距离。文献进一步解释了 NPL 在高层建筑中如何影响烟囱效应。

对于烟气烟囱或排烟烟道而言，外部是空气、内部是燃烧烟气，此时该公式只能提供近似计算。另外，A 表示烟囱的横截面流通面积，而 h 表示烟囱或烟道的高度。

烟囱效应产生的流量可表示为：

$$Q = C A \sqrt {2gh\frac{T_i - T_o}{T_i}}$$

SI 单位说明：

· Q = 烟囱效应产生的侵入流量（m³/s）

· A = 流通面积（m²）

· C = 流出系数（通常取 0.65–0.70）

· g = 重力加速度（9.81 m/s²）

· h = 高度或距离（m）

· Tᵢ = 内部平均温度（K）

· Tₒ = 室外空气温度（K）

这个公式说明：烟囱效应产生的流量主要与烟囱高度、温差以及开口面积有关；烟囱越高、内外温差越大、截面积越大，所产生的气体流量也越大。