スタック効果

煙突効果または煙突効果とは、空気の浮力によって、密閉されていない開口部、煙突、排気煙突、またはその他の意図的に設計された開口部またはコンテナを通じて建物に出入りする空気の動きのことです。浮力は、温度と湿度の差によって生じる屋内と屋外の空気密度の差によって発生します。その結果、正または負の浮力が生じます。温度差と構造物の高さが大きいほど、浮力は大きくなり、煙突効果も大きくなります。煙突効果は、特定の気候では自然換気を促進するのに役立ちますが、他の状況では、望ましくない空気の浸入や火災の危険の原因となる場合があります。

建物は完全に密閉されていないため（最低でも地上階の入口は必ずある）、煙突効果により空気が侵入します。暖房シーズン中、暖かい室内空気は建物内を上昇し、開いた窓、換気口、天井ファンや埋め込み式照明などの天井の意図しない穴から上部から逃げます。上昇する暖かい空気は建物の底部の圧力を下げ、開いたドア、窓、その他の開口部や漏れから冷たい空気を吸い込みます。冷房シーズン中は煙突効果が逆転しますが、通常は温度差が低いため効果が弱くなります。^[1]

密閉性の高いエンベロープを備えた現代の高層ビルでは、煙突効果によって大きな圧力差が生じる可能性があり、設計上の考慮が必要で、機械換気で対処する必要がある場合があります。階段室、シャフト、エレベーターなどは煙突効果に寄与する傾向がありますが、内部の仕切り、床、防火区画によって煙突効果を軽減できます。特に火災の場合、煙や火の拡散を防ぎ、居住者や消防士が快適な環境を維持するために、煙突効果を制御する必要があります。^[2]空気出口を地面近くに設置するなどの自然換気方法が効果的である場合もありますが、高層建築物やスペースが限られた建物では機械換気が好まれることが多いです。煙の除去は新築の重要な考慮事項であり、設計段階で評価する必要があります。^[3]

煙突効果は、特に設計上の欠陥により望ましくない隙間風が生じる高層ビルでは、火災の延焼を悪化させる可能性がある。例としては、カプルーントンネル火災、キングスクロス地下鉄駅火災、グレンフェルタワー火災があり、これらの火災では72人が死亡した。^[4]後者は、外側のアルミニウム被覆と内側の断熱材の間の空洞が意図せず煙突を形成し、火を上方に引き寄せ、煙突効果によって部分的に悪化した。^{[5] [6]}

建物の中には、低い位置にある窓や通気口から冷たい空気が入り、高い位置にある天窓や屋根の通気口、高窓などから暖かい空気が逃げるスタック効果を誘発するために、異なる高さに戦略的に配置された開口部が設計されているものもあります。この空気の垂直方向の動きによって、室内温度を大幅に下げることができる自然換気システムが生まれます。スタック効果と、建物の一方から他方へ空気が流れる横風換気を組み合わせることで、全体的な冷却効果を高めることができます。^{[7] [8]}

スタック効果は、伝統的な建物と現代のグリーン建築の両方で使用されています。伝統的な使用法の例としては、中東の建築で一般的な風力タワーが挙げられます。風力タワーは、涼しい風を捉えて建物内に導き、同時に熱気を排出して快適な室内温度を維持します。^[9]現代の持続可能な建物では、建物のパッシブ冷却プロファイルを強化するために、グラウンドカップリング、アースシェルター、蒸発冷却などの関連する非電気技術とともにスタック効果がよく使用されます。建築家は、建物の構造、向き、換気経路を慎重に設計することで、スタック効果を利用して機械式冷却システムへの依存を減らし、全体的なエネルギー効率を向上させることができます。^[8]

建物には、通常と逆の 2 つのスタック効果の形態が存在します。通常のスタック効果は、屋外環境よりも高い温度に維持されている建物で発生します。建物内の暖かい空気は密度が低く (または比容積が高く)、浮力が大きくなります。その結果、暖かい空気は階間の貫通部を通って下層階から上層階に上昇します。これにより、建物の中立軸の下の階は正味の負圧になり、中立軸の上層の階は正味の正圧になります。下層階の正味の負圧により、ドア、窓、またはバックドラフト ダンパーのないダクトを通って屋外の空気が建物内に侵入する可能性があります。暖かい空気は、中立軸の上層の階を通って建物の外壁から外に出ようとします。

機械式冷凍装置は、夏季に顕熱冷却と潜熱冷却を提供します。これにより、屋外の周囲空気に比べて建物内の空気の乾球温度が低下します。また、建物内に含まれる空気の比容積が減少するため、浮力が減少します。その結果、冷気はエレベーター シャフト、階段、密閉されていないユーティリティ貫通部 (温水暖房、電気および給水管) を通って建物を垂直に移動します。調整された空気が中立軸の下の最下階に到達すると、ダンパー、カーテンウォールなどの密閉されていない開口部から建物エンベロープから排出されます。中立軸の下の階で排出される空気により、密閉されていない開口部から屋外の空気が建物エンベロープに侵入します。

産業用排ガス スタックのスタック効果は、建物のスタック効果と似ていますが、高温の排ガスが周囲の外気と大きな温度差を持つ点が異なります。さらに、産業用排ガス スタックは、通常、その長さに沿って排ガスをほとんど妨げることがなく、実際、スタック効果を高めてファンのエネルギー要件を減らすように最適化されています。

暖房に暖炉を使用している建物では、外気と排気ガスの温度差が大きいと煙突に強い煙突効果が生じる可能性があります。

大容量ファンが開発される前は、鉱山の換気は煙突効果を利用していました。下向きの竪坑から空気が鉱山内に入り、上向きの竪坑の麓では炉が絶えず燃えていました。竪坑 (通常、深さ数百ヤード) は煙突のように機能し、空気が上昇して下向きの煙突から鉱山の周囲に新鮮な空気が引き込まれました。

建物内の空気と外気の温度差によって、外気と内部の空気の間には圧力差が生じます。この圧力差 ( ΔP ) が煙突効果の原動力となり、以下の式で計算できます。^{[10] [11]}これらの式は、建物の内外に空気がある建物にのみ適用されます。1階建てまたは2階建ての建物の場合、hは建物の高さです。複数階建ての高層ビルの場合、hは建物の中立圧力レベル (NPL) の開口部から最上部の開口部または最下部の開口部までの距離です。参考文献^[10]では、高層ビルで NPL が煙突効果にどのように影響するかを説明しています。

煙突と煙突の場合、空気が外側にあり、燃焼煙が内側にあるため、方程式は近似値のみを提供し、hは煙突または煙突の高さです。

${\displaystyle \Delta P=Cah{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}}$

SI単位:

米国慣用単位:

煙突効果によって誘発されるドラフト（イギリス英語では draught ）流量は、以下に示す式で計算できます。^{[12] [13]}この式は、建物の内外に空気がある建物にのみ適用されます。1階または2階建ての建物の場合、hは建物の高さ、Aは開口部の流路面積です。複数階の高層ビルの場合、Aは開口部の流路面積、hは建物の中立圧力レベル（NPL）の開口部から最上部の開口部または最下部の開口部までの距離です。参考文献^[10]では、高層ビルでNPLが煙突効果にどのように影響するかを説明しています。

煙突または煙道の場合、空気が外側にあり、燃焼煙道が内側にあるため、この式は近似値のみを提供します。また、Aは断面積で、h は煙突または煙道の高さです。

${\displaystyle Q=CA{\sqrt {2gh{\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}}$

SI単位:

米国慣用単位:

この式は、ドラフトの流れに対する抵抗が、排出係数Cによって特徴付けられるオリフィスを通る流れの抵抗に似ていることを前提としています。

• HVAC（暖房、換気、空調）
• 換気シャフト
• ソーラー煙突
• 太陽上昇気流タワー
• ドラフト（ボイラー）
• インコ スーパースタック
• エキバストゥズGRES-2発電所
• ウィンドキャッチャー
• クロス換気

• スタック効果: 建物が煙突のように機能するとき -- Green Building Advisor
• カナダ国立研究評議会 - 建物における CBD-104 スタックの影響
• YouTubeでのスタック効果シミュレーション