تأثير التراكم

تأثير المدخنة هو حركة الهواء داخل وخارج المباني عبر الفتحات غير المحكمة، والمداخن ، وأنابيب غازات الاحتراق ، أو غيرها من الفتحات أو الحاويات المصممة خصيصًا لهذا الغرض، نتيجةً لقوة الطفو . يحدث الطفو بسبب اختلاف كثافة الهواء بين الداخل والخارج نتيجةً لاختلاف درجات الحرارة والرطوبة. ينتج عن ذلك قوة طفو موجبة أو سالبة. كلما زاد الفرق الحراري وارتفاع المبنى، زادت قوة الطفو، وبالتالي زاد تأثير المدخنة. قد يكون تأثير المدخنة مفيدًا في تعزيز التهوية الطبيعية في بعض المناخات، ولكنه في ظروف أخرى قد يكون سببًا لتسرب الهواء غير المرغوب فيه أو خطر نشوب حريق.

بما أن المباني ليست محكمة الإغلاق تمامًا (على الأقل، يوجد دائمًا مدخل في الطابق الأرضي)، فإن تأثير المدخنة يتسبب في تسرب الهواء. خلال موسم التدفئة، يرتفع الهواء الدافئ داخل المبنى ويتسرب من الأعلى إما عبر النوافذ المفتوحة أو فتحات التهوية أو الثقوب غير المقصودة في الأسقف، مثل مراوح السقف والإضاءة المدمجة. يقلل الهواء الدافئ الصاعد الضغط في قاعدة المبنى، مما يسحب الهواء البارد إلى الداخل عبر الأبواب المفتوحة أو النوافذ أو الفتحات الأخرى والتسربات. خلال موسم التبريد، ينعكس تأثير المدخنة، ولكنه يكون عادةً أضعف بسبب انخفاض فروق درجات الحرارة. ^{[ 1 ]}

في المباني الشاهقة الحديثة ذات الغلاف المحكم ، قد يُحدث تأثير المدخنة فروقًا كبيرة في الضغط، مما يستدعي مراعاة ذلك في التصميم، وقد يتطلب الأمر استخدام التهوية الميكانيكية . تُساهم السلالم والمصاعد والأعمدة وغيرها في هذا التأثير، بينما تُخفف منه الجدران الداخلية والأرضيات وفواصل الحريق. في حالة نشوب حريق، يجب التحكم في تأثير المدخنة لمنع انتشار الدخان والنيران، وللحفاظ على ظروف آمنة للساكنين ورجال الإطفاء. ^{[ 2 ]} ورغم فعالية طرق التهوية الطبيعية، مثل تركيب منافذ الهواء بالقرب من الأرض، إلا أن التهوية الميكانيكية تُفضل غالبًا في المباني الشاهقة أو ذات المساحة المحدودة. يُعدّ سحب الدخان عنصرًا أساسيًا في الإنشاءات الجديدة، ويجب تقييمه في مراحل التصميم. ^{[ 3 ]}

يمكن أن يؤدي تأثير المدخنة إلى تفاقم انتشار الحريق، لا سيما في المباني الشاهقة حيث تسمح عيوب التصميم بتكوّن تيارات هوائية غير مرغوب فيها. ومن الأمثلة على ذلك حريق نفق كابرون ، وحريق محطة كينغز كروس للأنفاق ، وحريق برج غرينفيل الذي أودى بحياة 72 شخصًا. ^{[ 4 ]} وقد تفاقم الحريق الأخير جزئيًا بسبب تأثير المدخنة، عندما شكّلت فجوة بين الغلاف الخارجي المصنوع من الألومنيوم والعازل الداخلي مدخنةً عن غير قصد، مما أدى إلى سحب اللهب إلى الأعلى. ^{[ 5 ] [ 6 ]} كما يُشاع أنه عامل رئيسي في حريق وانغ فوك كورت عام 2025 في هونغ كونغ. ^{[ 7 ]}

يُشابه تأثير المدخنة في مداخن الغازات الصناعية تأثيرها في المباني، إلا أنه ينطوي على غازات ساخنة ذات فروق كبيرة في درجات الحرارة مع الهواء الخارجي المحيط. علاوة على ذلك، لا تُعيق مداخن الغازات الصناعية عادةً تدفق الغازات على امتدادها، بل تُصمم في الواقع لتعزيز تأثير المدخنة وتقليل استهلاك الطاقة للمراوح.

يمكن أن تؤدي الفروقات الكبيرة في درجات الحرارة بين الهواء الخارجي وغازات المداخن إلى تأثير قوي في مداخن المباني التي تستخدم الموقد للتدفئة.

قبل تطوير المراوح ذات الحجم الكبير، كانت المناجم تُهوى باستخدام تأثير المدخنة. يسمح بئر تهوية سفلي بدخول الهواء إلى المنجم. عند قاعدة بئر التهوية العلوي، كان يُشغل فرن باستمرار. يعمل البئر (الذي يبلغ عمقه عادةً عدة مئات من الأمتار) كمدخنة، حيث يرتفع الهواء من خلاله ساحبًا معه الهواء النقي إلى أسفل مدخنة التهوية السفلية وحول المنجم.

يوجد فرق في الضغط بين الهواء الخارجي والهواء داخل المبنى نتيجةً لاختلاف درجة الحرارة بينهما. يُعدّ فرق الضغط هذا ( ΔP ) القوة الدافعة لتأثير المدخنة، ويمكن حسابه باستخدام المعادلات الموضحة أدناه. ^{[ 11 ] [ 12 ]} تنطبق هذه المعادلات فقط على المباني التي يكون فيها الهواء داخلها وخارجها. بالنسبة للمباني المكونة من طابق أو طابقين، يُمثّل h ارتفاع المبنى. أما بالنسبة للمباني الشاهقة متعددة الطوابق، فيُمثّل h المسافة من فتحات مستوى الضغط المحايد (NPL) إلى أعلى الفتحات أو أسفلها. يشرح المرجع ^{[ 11 ]} كيف يؤثر مستوى الضغط المحايد على تأثير المدخنة في المباني الشاهقة.

بالنسبة لمداخن غازات الاحتراق والمداخن، حيث يكون الهواء في الخارج وغازات الاحتراق في الداخل، فإن المعادلات لن تقدم سوى تقريب، و h هو ارتفاع مدخنة غازات الاحتراق أو المدخنة.

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

وحدات النظام الدولي للوحدات :

أين:
ΔP	= فرق الضغط المتاح، بوحدة باسكال
ج	= 0.0342، بوحدة كلفن / متر
أ	= الضغط الجوي، بوحدة باسكال
ح	= الارتفاع أو المسافة، بالمتر
ل​	= درجة الحرارة الخارجية المطلقة، بالكلفن
تي آي	= درجة الحرارة الداخلية المطلقة، بالكلفن

الوحدات الأمريكية التقليدية :

أين:
ΔP	= فرق الضغط المتاح، بوحدة رطل لكل بوصة مربعة
ج	= 0.0188، بوحدة °R / قدم
أ	= الضغط الجوي، بوحدة رطل لكل بوصة مربعة
ح	= الارتفاع أو المسافة، بالقدم
ل​	= درجة الحرارة الخارجية المطلقة، بوحدة °R
تي آي	= درجة الحرارة الداخلية المطلقة، بوحدة °R

يمكن حساب معدل تدفق الهواء الناتج عن تأثير المدخنة باستخدام المعادلة الموضحة أدناه. ^{[ 13 ] [ 14 ]} تنطبق هذه المعادلة فقط على المباني التي يتواجد فيها الهواء داخلها وخارجها. بالنسبة للمباني المكونة من طابق أو طابقين، يمثل h ارتفاع المبنى، و A مساحة تدفق الهواء عبر الفتحات. أما بالنسبة للمباني الشاهقة متعددة الطوابق، فتمثل A مساحة تدفق الهواء عبر الفتحات، و h المسافة من الفتحات عند مستوى الضغط المحايد (NPL) للمبنى إلى أعلى الفتحات أو أسفلها. يشرح المرجع ^{[ 11 ]} كيفية تأثير مستوى الضغط المحايد على تأثير المدخنة في المباني الشاهقة.

بالنسبة لمداخن غازات الاحتراق، حيث يكون الهواء في الخارج وغازات الاحتراق في الداخل، فإن المعادلة لا تُعطي سوى قيمة تقريبية. كما أن A هي مساحة المقطع العرضي للتدفق، و h هو ارتفاع مدخنة غازات الاحتراق.

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

وحدات النظام الدولي للوحدات :

أين:
سؤال	معدل تدفق السحب الناتج عن تأثير المدخنة، م³ / ث
أ	= مساحة التدفق، م²
ج	= معامل التصريف (عادة ما يتم اعتباره من 0.65 إلى 0.70) [ 15 ]
ز	= تسارع الجاذبية الأرضية ، 9.81  م/ ث²
ح	= الارتفاع أو المسافة، م
تي آي	= متوسط ​​درجة الحرارة الداخلية، كلفن
ل​	= درجة حرارة الهواء الخارجي، كلفن

الوحدات الأمريكية التقليدية :

أين:
سؤال	= معدل تدفق السحب الناتج عن تأثير المدخنة، قدم مكعب /ثانية
أ	= المساحة، قدم مربع
ج	= معامل التصريف (عادة ما يتم اعتباره من 0.65 إلى 0.70) [ 15 ]
ز	= تسارع الجاذبية الأرضية، 32.17  قدم/ثانية مربعة
ح	= الارتفاع أو المسافة، قدم
تي آي	= متوسط ​​درجة الحرارة الداخلية، °R
ل​	= درجة حرارة الهواء الخارجي، °R

تفترض هذه المعادلة أن مقاومة التدفق السحبي مماثلة لمقاومة التدفق عبر فتحة تتميز بمعامل تصريف C.

• التهوية المتقاطعة
• مسودة (غلاية)
• محطة إيكيباستوز GRES-2 لتوليد الطاقة
• نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ( HVAC )
• إنكو سوبرستاك
• مدخنة شمسية
• برج الطاقة الشمسية الصاعدة
• فتحة تهوية
• صائد الرياح

• تأثير المدخنة: عندما تتصرف المباني كالمداخن - مستشار المباني الخضراء
• المجلس الوطني للبحوث في كندا - تأثيرات المدخنة في المباني (CBD-104)
• محاكاة تأثير التراكم على يوتيوب