煙突効果

煙突効果（えんとつこうか、英: stack effect）とは、煙突の中に外気より高温の空気があるときに、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いう。

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、太陽やオフィイ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建築されており、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やすくなるためその対処が重要である。

原理

煙突効果: 圧力計は空気の絶対圧を示し圧力が高いほど針が右に回る。空気の流れを灰色の矢印で示す

煙突効果は、以下の3段階で説明される。

1. 空気の密度は温度が高いほど低くなる。煙突内は外部より高温のため外部より空気が低密度となるため 浮力 が生じる。
2. この浮力により煙突下部で ΔP の 圧力差 が生じる。
3. この圧力差により、煙突下部の空気取り入れ口から毎秒 Q の冷たい空気が給気され同時に暖かい空気は煙突内を上昇して排気される。

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 $V$ 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下記の関係がある。

$V\;=\;k\cdot T$

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、これ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。これを式で表すと次のようになる。

$\rho \varpropto {\frac {1}{T}}$

この結果冷たいガスより軽い暖かいガスは浮力が生じ上昇していく。

煙突内外の圧力差

（本節の参照）

煙突出口高さの気圧は地表より少し低くなる、これは地上から煙突出口の高さ分の空気の重さが減少するためである。この空気の単位面積当たりの重さ（圧力 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。

$P=g\cdot \rho \cdot h$

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。

$P_{i}=g\cdot \rho _{i}\cdot h,\qquad P_{o}=g\cdot \rho _{o}\cdot h$

つまり地上では煙突内外で下記の気圧差ΔP が生じる。

$\Delta P=P_{o}-P_{i}=g\cdot (\rho _{o}-\rho _{i})\cdot h$

ここで $\rho \varpropto 1/T$ から $\rho _{i}=\rho _{o}\cdot T_{o}/T_{i}$ となるので

$\Delta P=g\cdot h\cdot \rho _{o}\cdot {\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}$

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 ρ_s を使うと

$\rho _{o}=\rho _{s}\cdot {\frac {273.15}{T_{o}}},\qquad \rho _{i}=\rho _{s}\cdot {\frac {273.15}{T_{i}}}$

となるから

$\Delta P=(273.15\cdot g\cdot \rho _{s})\cdot h\left({\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}\right)=C\cdot h\left({\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}\right)$

の関係が得られる。

記号	意味と　単位
ΔP	: 生じる圧力差, [Pa]
C	: 定数：273.15 × g × ρs = 3463 kg・K・m-1・s-2
h	: 煙突の高さ, [m]
To	: 外気の絶対温度, [K]
Ti	: 煙突内平均温度, [K]

給気速度

（本節の参照）

浮力で生じた圧力差 ΔP によって外部から煙突に入る空気の体積を V_o 、この体積の空気の質量を m_o 、空気の流速を u_o 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。

$\Delta P\cdot V_{o}={\frac {1}{2}}m_{o}\cdot u_{o}^{2}$

ここで

${\begin{aligned}\Delta P&=g\cdot h\cdot \rho _{o}\cdot {\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}},\\\rho _{o}&={\frac {m_{o}}{V_{o}}}\end{aligned}}$

の関係を使うとガスが煙突に流入する速度 u_o は下式で与えられる。

$u_{o}={\sqrt {2g\cdot h\cdot {\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}$

この速度に煙突の断面積 A を掛けたものが給気速度 Q であるが、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）を掛けたものが用いられる。

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。

$Q=C\cdot A\cdot {\sqrt {2g\cdot h\cdot {\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}$

記号	意味と　単位
Q	:煙突効果による給気速度, [m3・s-1]
A	:煙突の断面積, [m2]
C	:流量係数 (通常0.65 - 0.7)
g	:重力加速度 [9.80665 m・s-2]
ｈ	:煙突の高さ, [m]
To	: 外気の絶対温度, [K]
Ti	: 煙突内平均温度, [K]

例

高さ 25 m の煙突で煙突内部温度が 250 ℃（紙が燃えだすおよその温度）で外部気温が 20 ℃ の場合、内外の圧力差は約 130 Pa と小さいが、給気速度は約 10.4 m/秒となり100 m を約 9.6 秒で進む。これは陸上競技の 100 m 走の世界記録より速い、煙突頂上まで 5 秒弱で到着する。これは、高層ビルの火災で煙りは人間の駆ける速度より早く広がっていく事を意味する。

応用例

建築

自然換気

日本の古い民家では土間や囲炉裏で薪やわらを使って煮炊きや暖をとっていた、この時発生する煙を自然排気するため屋根上等に煙出しが設置されている。更に、農村で養蚕が盛んになると上垣守國の養蚕秘録等の著作を通して室内換気・調温の重要性が認識され、自然換気を利用して 室内全体の換気をよくするため棟全体を覆う越屋根が生まれた。

ダブルスキンシステム

ビルの外壁面には広い面積にわたってガラス窓が設置されている事が多い。しかし窓は夏場の日差しによる熱の流入、冬場は室内熱の輻射による熱損失が高く、建物のエネルギー消費を増加させる大きな要因となっている。これを防止する方法としてガラス窓の外にさらにガラスを設置しかつその２枚ガラスの上下部分に隙間を設ける。その２枚のガラス間にブラインドやルーバーを設置すると夏季はブラインド等を通して２枚のガラス間の空気が温まるがその高温空気を上下の隙間を通して外部の冷たい空気と煙突効果で入れ替えて熱流入を抑える、更に冬季は２枚のガラスの上下の隙間を塞いでガラス間を温室状態にして室内からの熱損失を防止するダブルスキンシステムが実用化している。

エアーサイクルシステム

ダブルスキンシステムでは主に建物の窓部分からの熱の流入失対策を行うが、この考え方を更に屋根や壁までに応用したのがエアーサイクルシステムで、民家等の外面積に占める屋根や壁の比率が高い建物で効果が大きい。民家の場合床下を蓄熱材料として用いる場合もある。エアーサイクルやソーラサーキット等の名称で住宅メーカー各社で販売している。

アトリウム型建築

1980～90年代にかけてフォード財団ビルやサッポロファクトリーの様に高層ビルの中に樹木が生い茂る中庭を作るアトリウム型建築が世界中で多数建築された。これらには中庭の上空から日光を取り入れると共に建物下部から外気を取り入れて自然空調を図ったビルもある。東京港区にある日本電気本社ビルやジンバブエの首都ハラレにあるイーストゲートショッピングセンターなどはその例である。

但し、自然換気を促進するための開放的な空間構成は、火災時には、煙の流動拡大を引き起こし、全館に人命危険を及ぼすおそれが大きいため対応が必要となる。

電子機器

電子機器の放熱

ノート型パソコンなどではCPUなど多量の熱を発生する素子があるが、機器の大きさや重量の制限からファンを付けて冷却する事が困難である（CPUの冷却装置）。この様な機器ではファンの代わりに煙突効果を用いて高発熱の素子を冷却する事がある。たとえば「特開平9-212258　携帯型情報処理装置の冷却構造　株式会社ピーエフユー」の特許ではノート型パソコンの液晶ディスプレー裏面と裏蓋の間に隙間を作り、それを煙突として利用して熱を逃がす発明が記載されている。

工業他

火力発電所などの排気用煙突

火力発電所の煙突は排出ガス量を増大させるために高くするが、それ以外に高さが高いほど、排出ガス中に含まれる大気汚染物質が地表に到達するまでに拡散され、地表濃度が低下するため煙突の高さを高くする対策が広く推奨されてきた（煙突参照）。カザフスタン共和国のエキバストス第二発電所には高さは419.7mの煙突が設置されている。また日本でも 200 m を超える煙突が利用されている。

連房式登窯の断面図。 左下で焚かれた炎は焼成室を通り右側の煙道（煙突）を通して排気される。煙道出口と焚口の高さの差が煙突高に相当する

陶磁器焼成窯

陶磁器の焼成は初め野原に成形した作品に草木を被せて焼く野焼きが主であったが、この方法は燃焼温度が低いうえ燃焼効率が低いため次第に斜面に穴を掘り、下側を焚き口、上側に煙突を設けその中間に成形品を入れて焼く窖窯が利用される様になった。これにより、焚き口と煙突の間に煙突効果が生じて空気の供給量が増大するため、高温での焼成が可能となった。しかしこの構造では焚き口の近くと遠くで焼成温度が異なる、焼成雰囲気が一定しない等で焼成不良や陶器の発色が不安定となるなど問題がある。このため江戸時代初期に肥前唐津に斜面の下から上に焼成室（房）を複数連ねた最上部に煙突を取り付け更に各燃焼室毎に燃料や空気供給用の差木孔を設けた登り窯または連房式登窯と言われる窯形式が導入され、そこから尾張・美濃に伝わり、更に全国各地に広がった。

輸送装置

蒸気機関車

石炭を燃やし、その熱で蒸気を発生させた水蒸気を動力源とする蒸気機関車の場合、トンネル、橋、プラットホームや信号設備などの高さや位置などによる制限である車両限界ため火力発電所や工場の様に煙突を高くすることができない。そこでベルギーの技術者リゲインは1925年に、煙突を2本に増やして煙突面積を2倍とし、同じ排出ガス量で煙突高さを 1/√2 にする事ができた（排出ガス量の式より）（アンドレ・シャプロンの項参照）。

蒸気機関車では石炭などを焚いて走るが、この燃えカスが煙と共に煙突から飛び出し、それが沿線に火災を発生させる原因となる。これを防止するため煙突上部に煙突効果で回る回転式火の粉止を設けた機関車が作られた（集煙装置）。

蒸気船

石炭を燃やし、その熱で蒸気を発生させた水蒸気を動力源としてスクリューや外輪を回して進む蒸気船の場合も煙突を高くすることができない。そのため複数の煙突を設置する構造の船も存在した。

自然エネルギー

ソーラーアップドラフトタワーの構造

ソーラー　アップドラフト　タワー発電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、その上昇気流で風力発電機を回し発電する。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メートル、高さ195メートル、温室面積は46000平方メートルで発電能力は最大電力出力時約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さる。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煙突構造を構成し火災を大きくした事が知られている。

その他

走馬灯

お盆などに使う灯篭で表面の影絵模様がゆっくり回転する走馬灯は、中心に蝋燭を置き、その外側に表面に絵を描いた円筒形で回転可能な火袋(紙製の円筒)と、そのさらに外側に固定された火袋を設けた提灯の一種である。蝋燭の火をともすとその熱で煙突効果が生じ、回転可能な火袋が回る、同時にこの火袋に描かれた絵の影が外側の火袋に動いてる様に写し出される。

スモークジャックの図、煙突上部に置かれた羽根車が回転しそれが歯車を通して外部に動力を伝える

スモークジャック

スモークジャックは、暖炉で火を焚くと煙突効果で上昇気流が生じ煙が上っていくが、この上昇気流で羽根車を回転させ、その回転力を動力として使用する装置である。この装置の一つに暖炉で肉を焼くときこの動力で肉を回転させ、全面が均一に焼ける様にした機械をダビンチが発明したがこれはチムニー・ジャック(Chimney jack)と呼ばれる。

外部リンク

• 日本火災学会