煙囪效應

煙囪效應是指由於空氣浮力作用，空氣通過未密封的開口、煙囪、煙氣排放管道或其他專門設計的開口在建築物內外之間流動的現象。空氣浮力產生的原因是室內與室外空氣密度不同，而這種密度差異通常來自溫度差異和濕度差異。其結果會產生正浮力或負浮力。

最常見的煙囪效應是火爐、鍋爐運作時，產生的熱空氣隨著煙囪向上昇，在煙囪的頂部離開。因為煙囪中的熱空氣散溢而造成的氣流，將戶外的空氣抽入填補，令火爐的火更猛烈。

煙囪效應亦可以是逆向的。當戶內的溫度較戶外為低（例如在夏季時使用空氣調節），氣流可以在煙囪內向下流動，將戶外空氣從煙囪抽入室內。

溫差越大、建築高度越高，浮力作用就越強，因此煙囪效應也越強。在某些氣候條件下，煙囪效應可以被利用來驅動自然通風；但在其他情況下，它也可能導致不希望出現的空氣滲透以及火災風險增加。

## 建築

由於建築物不可能完全密封（至少一定會有地面層入口），因此煙囪效應會導致空氣滲入。在供暖季節，較溫暖的室內空氣會向上上升並穿過整棟建築，並從建築頂部排出，例如打開的窗戶、通風開口或天花板中的非故意孔洞，例如吊扇或嵌入式燈具。上升的暖空氣會降低建築底部的氣壓，從而使冷空氣被吸入建築內，例如通過打開的門、窗戶或其他開口和漏氣處。在製冷季節，煙囪效應的方向會相反，但通常較弱，因為此時室內外溫差較小。

在具有良好氣密建築圍護結構的現代高層建築中，煙囪效應（stack effect）可能會產生顯著的壓力差，因此在設計時必須加以考慮，並且可能需要通過機械通風系統來加以處理。樓梯間、管井、電梯井等豎向通道往往會加強煙囪效應；而室內隔牆、樓板以及防火分隔結構則可以在一定程度上減弱這種效應。特別是在火災情況下，必須對煙囪效應進行控制，以防止煙霧和火勢的蔓延，並維持對建築內人員和消防員而言可承受的環境條件。

雖然某些自然通風方法可能有效，例如將排氣口設置在更靠近地面的位置，但對於較高的建築或空間有限的建築來說，通常更傾向於採用機械通風系統。在新建建築中，排煙系統（smoke extraction）是關鍵設計因素之一，必須在設計階段就進行評估。

煙囪效應也可能加劇火災的蔓延，特別是在高層建築中，如果設計存在缺陷而形成不必要的氣流通道，就可能產生這種情況。相關的例子包括奧地利卡普倫隧道火災、倫敦國王十字聖潘克拉斯地鐵站火災和格蘭菲塔大樓火災，在格蘭菲塔大樓火災中共有 72 人死亡。在這些案例中，格蘭菲塔大樓火災部分被認為因煙囪效應而惡化：外層鋁製幕牆板與內部保溫材料之間形成的空腔無意中構成了一個煙囪通道，將火焰向上抽吸並迅速蔓延。此外，煙囪效應也被認為是香港大埔宏福苑大火的一個主要促成因素之一。

### 在被動冷卻中的作用

一些建築在不同高度設置了策略性的開口，以利用煙囪效應。在這種設計中，較冷的空氣通過低處的窗戶或通風口進入，而較熱的空氣則通過較高位置的開口（如天窗、屋頂通風口或高側窗）排出。這種空氣的垂直流動形成一種自然通風系統，可以顯著降低室內溫度。若將煙囪效應與穿堂風通風（cross ventilation）結合——即空氣從建築的一側流向另一側——整體的降溫效果還可以進一步增強。

煙囪效應在傳統建築和現代綠色建築均有被使用。傳統建築像是中東建築中常見的捕風塔能夠引導涼爽的微風進入建築物，同時排除熱空氣，以維持室內舒適的溫度。

在當代可持續建築中，設計師常常將煙囪效應與其他無需電力的被動技術結合使用，例如地耦合（ground coupling）、覆土建築（earth sheltering）和蒸發冷卻（evaporative cooling），以增強建築的被動降溫能力。通過精心設計建築結構、朝向以及通風路徑，建築師可以利用煙囪效應減少對機械製冷系統的依賴，並提高整體能源效率。

### 正常與反向煙囪效應

在建築物中，煙囪效應可以呈現兩種狀態：正常煙囪效應和反向煙囪效應。

正常煙囪效應出現在建築物內部溫度高於室外環境的情況下。建築物內的暖空氣密度較低（或比容較大），因此具有更大的浮力。結果是，暖空氣會通過樓層之間的縫隙，從較低樓層向較高樓層上升。這會形成一種壓力分佈：建築物中性軸（neutral axis）以下的樓層呈現淨負壓，而中性軸以上的樓層呈現淨正壓。下部樓層的負壓會促使室外空氣通過門、窗或沒有止回風閥的管道滲入建築內部；同時，暖空氣則會試圖通過中性軸以上樓層的建築圍護結構向外排出。

在夏季，機械製冷設備會提供顯熱和潛熱冷卻，使建築內空氣的乾球溫度低於室外環境溫度。同時，建築內空氣的比容降低，從而減弱浮力作用。因此，冷空氣會沿著建築物垂直向下流動，例如經由電梯井、樓梯間以及未密封的管道穿樓孔（如水暖管道、電氣豎井和給水立管）。當這些經過空調處理的空氣到達中性軸以下的底部樓層時，會通過未密封的開口（例如風閥、幕牆等）從建築圍護結構向外排出。這些從下部樓層排出的空氣又會促使室外空氣通過未密封的開口滲入建築物內部。

## 煙氣煙囪和煙道

工業煙氣煙囪中的煙囪效應與建築物中的情況相似，不同之處在於其中涉及的高溫煙氣與室外環境空氣之間存在較大的溫差。此外，工業煙囪在其高度方向上通常對煙氣流動的阻力很小，實際上往往被設計成有利於增強煙囪效應，以減少對風機動力的需求。當室外空氣與煙氣之間存在較大的溫差時，對於使用壁爐取暖的建築物，其煙囪中也會形成強烈的煙囪效應。

在大容量風機尚未發明之前，礦井通風常常依靠煙囪效應來實現。一個進風井（downcast shaft）將新鮮空氣引入礦井，而在回風井（upcast shaft）底部則保持一個持續燃燒的爐火。這個井筒（通常深達數百碼）就像一個煙囪，使空氣向上升起，從而將新鮮空氣經由進風井吸入並在整個礦井中流通。

## 原理

建築物內外空氣之間存在壓力差，這種壓力差是由於室外空氣與室內空氣之間的溫度差異所造成的。這個壓力差（ΔP）就是煙囪效應的驅動力，並且可以通過下文給出的公式來計算。這些公式只適用於建築物內外都存在空氣的情況。對於一層或兩層的建築物，h 表示建築物的高度。對於多層或高層建築，h 則表示從建築物中性壓力面的開口到最上方開口或最下方開口之間的距離。文獻進一步解釋了中性壓力面在高層建築中如何影響煙囪效應。

在煙氣煙囪和煙道中，外部是空氣，而內部是燃燒產生的煙氣。在這種情況下，下面的方程式只能提供一個近似值。此時，h 表示煙囪或煙氣管道的高度。煙囪效應所產生的壓力差可由下式計算：

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

單位說明：

ΔP = 可用的壓力差（Pa，帕斯卡）

C = 0.0342（K/m）

a = 大氣壓力（Pa）

h = 高度或距離（m）

Tₒ = 外部絕對溫度（K）

Tᵢ = 內部（煙氣）絕對溫度（K）

這個公式表明：煙囪效應的壓力差主要取決於煙囪高度以及內外氣體溫度差。通常情況下，煙囪越高、內外溫差越大，產生的抽力就越強。

## 入侵空氣流量

由煙囪效應所產生的內外壓差所導致的侵入空氣流量可以用下列公式計算。

這個公式僅適用於建築物內外都存在空氣的情況。對於一層或兩層建築，h 表示建築物高度，A 表示開口的流通面積。對於多層或高層建築，A 表示開口的流通面積，而 h 則表示從建築物中性壓力面（NPL, Neutral Pressure Level）到最上部開口或最下部開口的距離。文獻進一步解釋了 NPL 在高層建築中如何影響煙囪效應。

對於煙氣煙囪或排煙煙道而言，外部是空氣、內部是燃燒煙氣，此時該公式只能提供近似計算。另外，A 表示煙囪的橫截面流通面積，而 h 表示煙囪或煙道的高度。

煙囪效應產生的流量可表示為：

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

SI 單位說明：

· Q = 煙囪效應產生的侵入流量（m³/s）

· A = 流通面積（m²）

· C = 流出係數（通常取 0.65–0.70）

· g = 重力加速度（9.81 m/s²）

· h = 高度或距離（m）

· Tᵢ = 內部平均溫度（K）

· Tₒ = 室外空氣溫度（K）

這個公式說明：煙囪效應產生的流量主要與煙囪高度、溫差以及開口面積有關；煙囪越高、內外溫差越大、截面積越大，所產生的氣體流量也越大。