Het schoorsteeneffect, of stapeleffect

Wat is het schoorsteeneffect?

De schoorsteeneffect, ook bekend als stapeleffect, is een fysisch fenomeen dat in gebouwen optreedt wanneer de warme lucht binnen, die minder dicht is dan de koude buitenlucht, de neiging heeft om op te stijgen.

Die natuurlijke luchtbeweging wekt een opwaartse stroming op in gesloten ruimten, waardoor een luchtstroom ontstaat die kan worden benut voor de natuurlijke ventilatie van gebouwen. Het schoorsteeneffect berust op de principes van de drijfkracht, waarbij het temperatuurverschil tussen de binnen- en de buitenlucht een drukverschil veroorzaakt. Dat drukverschil duwt de warme lucht naar buiten via de hoge punten van het gebouw, terwijl de koude lucht binnenkomt via de lager gelegen openingen.

De doeltreffendheid van het schoorsteeneffect hangt van meerdere factoren af, zoals de hoogte van het gebouw, temperatuurverschil tussen binnen en buiten, en de opstelling van de openingen voor luchttoevoer en -afvoer. Dit fenomeen is vooral van belang in hoogbouw, waar het tot aanzienlijke uitdagingen kan leiden op het vlak van thermisch comfort, om energieverbruik en zelfs veiligheid. Het schoorsteeneffect begrijpen en beheersen is dus essentieel om de energieprestatie van gebouwen te optimaliseren, energieverlies te beperken en een comfortabel en gezond binnenklimaat.

Het schoorsteeneffect in hoogbouw

Het stapeleffect

Het schoorsteeneffect is een grote uitdaging voor wolkenkrabbers, maar het is ook een niet te verwaarlozen factor voor gebouwen vanaf twee verdiepingen. Het bouwwerk werkt als een reusachtige schoorsteen die de warme lucht doeltreffend naar boven leidt tot ze het bouwwerk helemaal verlaat. Doorgaans worden deze fenomenen versterkt door open trappenhuizen die alle verdiepingen van een gebouw ontsluiten.

Het stapeleffect treedt op wanneer de buitentemperatuur merkelijk lager is dan de binnentemperatuur. Koude lucht is dichter dan warme lucht: dringt ze onderaan het bouwwerk binnen, dan verdringt ze de warme lucht naar boven. Zo ontstaat een luchtstroom die nog meer koude lucht aanzuigt en de luchtstromingen versterkt. Hoe hoger het bouwwerk, hoe sterker die luchtstroom. Daarom zijn de draaideuren kort na de eerste wolkenkrabbers ontwikkeld: de zuigkracht op straatniveau was in de winter zo groot dat mensen de deuren nauwelijks open kregen! Hetzelfde fenomeen speelt vandaag nog bij de liften, die de onderste delen van het gebouw soms met de dakzone verbinden voor de ventilatie van de liftschacht. Bij wind wordt de trek echter zo sterk dat liftdeuren kunnen blokkeren of dat er hinderlijke fluitgeluiden ontstaan in de sluizen van de lage verdiepingen.

Het meest voor de hand liggende probleem is dat de behandelde binnenlucht verloren gaat, en dus energie verspilt. Bovendien kan het probleem in de loop van de tijd verergeren. Is de luchtstroom bijzonder sterk, dan zet hij druk op de parasitaire luchtlekken: de dichtingen scheuren, met nieuwe zwakke plekken tot gevolg. Onder blijvende druk kunnen die openingen groter worden en zich uitbreiden, waardoor de luchtstroom toeneemt en het energieverlies versnelt.

Het stapeleffect werkt omdat de warme lucht ergens heen moet zodra ze de hoogste verdieping van het gebouw bereikt. In veel gevallen ontsnapt ze naar de zolder via gescheurde plafonds, lekken bij de leidingen, inbouwarmaturen of gewoon door een te grote luchtdoorlatendheid van de zoldervloer. Zodra de warme lucht de bovenste verdieping heeft bereikt, ontsnapt ze naar buiten via de kleinste zwakke plek die ze vindt.

Het neutrale drukvlak

De neutrale drukvlak is een fictief horizontaal vlak waar de binnendruk gelijk is aan de atmosferische buitendruk. Op die hoogte is het drukverschil tussen binnen en buiten nul: er komt geen lucht binnen en er gaat geen lucht naar buiten. Het neutrale drukpunt hangt af van de HVAC-systemen van het gebouw, die naargelang hun distributiezone over- of onderdruk creëren. Voor een goede werking van het schoorsteeneffect moet de ligging van het neutrale drukvlak vooraf worden onderzocht om de plaats van de lucht in- en uitlaten al bij het ontwerp te bepalen. De luchtinlaten moeten onder het neutrale drukvlak liggen en de uitlaten erboven, zoals het onderstaande schema toont.

Onder het neutrale drukvlak is de binnendruk immers lager dan de buitendruk: de lucht komt binnen in het gebouw. Boven het neutrale drukvlak is het omgekeerd: de binnendruk is hoger dan de buitendruk en de lucht gaat naar buiten.

Het schoorsteeneffect in een gebouw schatten

Definities en formules

De ventilatie door thermische drijfkracht benut de principes van het dichtheidsverschil van de lucht om te zorgen voor een doeltreffende luchtverversing in een gesloten ruimte. Deze methode kan op verschillende manieren worden toegepast, onder meer door het gecombineerde gebruik van koeltorens genoemd en van schoorstenen.

De koeltorens, die werken op het principe van de verdamping van water om de lucht te koelen, leveren koele lucht onderaan de ruimte. Wordt die koele lucht opgewarmd door de aanwezigen of andere interne bronnen, dan daalt haar dichtheid en wordt ze lichter, wat haar opstijging bevordert. Via een schoorsteen wordt die warme, vervuilde lucht naar buiten afgevoerd, waardoor een luchtstroming ontstaat waardoor koele lucht via de onderste openingen blijft binnenkomen om ze te vervangen.

De dichtheidsverschil van de lucht hangt af van factoren zoals de temperatuur en de vochtigheid. In het winter, wanneer het temperatuurverschil tussen binnen en buiten het grootst is, is ventilatie door het stapeleffect bijzonder doeltreffend. In de zomer kan deze methode echter minder goed werken, want ze vereist dat het binnen warmer is dan buiten — wat in de warme maanden doorgaans onwenselijk is.

Ventilatie door thermische drijfkracht, die de dichtheidsverschillen van de lucht door temperatuur en vochtigheid benut, kan dus een doeltreffende methode zijn voor een natuurlijke ventilatie en comfortabele binnenruimte, maar ze vraagt een aanpassing aan de klimaatomstandigheden om volledig doeltreffend te zijn.

Een uitdrukking voor het geventileerde luchtdebiet door het stapeleffect is:

Het debiet is positief wanneer T_i > T_e: de warme, vervuilde lucht verlaat het gebouw. In de zomer, wanneer T_i < T_e, wordt het debiet negatief: de warme lucht komt het gebouw binnen, wat niet het bedoelde effect is. Het schoorsteeneffect is dus niet geschikt bij hoge buitentemperaturen voor woningen of kantoren. Er is ook het geval waarin T_i en T_e van dezelfde grootteorde zijn (tussenseizoen): het debiet is dan bijna nul en is er geen ventilatie meer. Daarom is het schoorsteeneffect voor gewone gebouwen niet in alle seizoenen geschikt.

Grootteordes

Neem het geval van een woongebouw in de winter met een schoorsteen van 15 m hoog: de binnentemperatuur (T_i) bedraagt gemiddeld 20 °C en de buitentemperatuur (T_e) 0 °C. De debietcoëfficiënt wordt ongeveer gelijk genomen aan 0,65 en de oppervlakte (S) van de schoorsteen is 0,1 m². Met deze getallen is de grootteorde van het geventileerde luchtdebiet door het schoorsteeneffect: Q = 0,34 m³/s, ofwel ongeveer 1200 m³/h. Een schoorsteen van dit type kan een ruimte van correct ventileren (debiet van 5 vol/u) van 100 m². Deze waarden gelden alleen voor de hierboven beschreven situatie.

De debietcoëfficiënt

De debietcoëfficiënt is een parameter die de prestatie van een schoorsteen of een kanaal in het kader van het schoorsteeneffect beschrijft. Hij geeft de fractie van het theoretische massadebiet lucht weer die door het schoorsteeneffect werkelijk door het kanaal wordt aangezogen.

De debietcoëfficiënt hangt van meerdere factoren af: de geometrie van de schoorsteen, ruwheid van de wanden, luchttemperatuur in het kanaal, het temperatuurverschil tussen binnen en buiten, en andere omgevingsvariabelen.

Om hem te berekenen kunnen empirische modellen op basis van proeven en observaties worden gebruikt, of numerieke simulaties die de verschillende invloedrijke variabelen meenemen. Met die modellen of simulaties kan de debietcoëfficiënt worden bepaald voor een specifieke schoorsteenconfiguratie onder gegeven omstandigheden.

Doorgaans wordt de debietcoëfficiënt uitgedrukt als een waarde tussen 0 en 1, waarbij 1 staat voor een optimale trek (alle theoretisch beschikbare lucht wordt effectief aangezogen). Een waarde onder 1 wijst op verliezen of inefficiënties in het trekproces.

Wat CFD-simulatie toevoegt

De CFD-simulatie (Computational Fluid Dynamics) biedt een onmiskenbaar voordeel bij het bepalen van de debietcoëfficiënten van het schoorsteeneffect. Ze maakt een nauwkeurige schatting mogelijk, toegankelijker dan de klassieke experimentele methoden. Met CFD kan het virtueel worden geanalyseerd hoe de luchtstromen zich in een systeem met schoorsteeneffect gedragen, wat een diep inzicht geeft in de fenomenen van convectie en van turbulentie.

Bovendien biedt deze aanpak een grote flexibiliteit bij het wijzigen en optimaliseren van het project, omdat ze in een vroeg stadium van het ontwerp komt — en zo de kosten en beperkingen van wijzigingen tijdens de uitvoering vermijdt. De CFD-simulatie neemt de effecten van drukverliezen direct mee: met de theoretische formule zonder verliezen (C_d = 1) kan worden teruggerekend naar de debietcoëfficiënt van het onderzochte systeem.

Kortom, CFD-simulatie is een essentieel instrument voor een doeltreffend en geoptimaliseerd ontwerp van systemen met schoorsteeneffect.

Het schoorsteeneffect in de industrie

De opgaven

In industriële omgeving is het schoorsteeneffect van cruciaal belang. De af te voeren warmte, vaak voortgebracht door apparatuur zoals ovens of machines, wordt gekenmerkt door zeer hoge temperaturen. Die thermische omstandigheden vragen een doeltreffende aanpak, want ze kunnen leiden tot warmteopbouw binnen de industriële installaties.

Bovendien is de temperatuur van de af te voeren lucht vaak duidelijk hoger dan die van de buitenlucht, ook in de zomer: het schoorsteeneffect werkt dan zelfs tijdens periodes van grote hitte. Dat thermische verschil verscherpt de uitdagingen rond temperatuurbeheersing en ventilatie en vraagt specifieke oplossingen om optimale werkomstandigheden te behouden en de veiligheid van de industriële activiteiten.

CFD-simulatie

De twee onderstaande beelden tonen een numerieke simulatie uitgevoerd voor de ventilatie van een industriële site, waarvoor een dimensionering van statische dakventilatoren nodig was.

De dimensionering van de openingen voor natuurlijke ventilatie wordt sterk beïnvloed door het begrip neutrale druk. Dat duidt op een cruciaal niveau waar de binnendruk van een ruimte gelijk is aan de atmosferische buitendruk en een fictief horizontaal vlak vormt. Op dat niveau zijn de luchtinlaatopeningen weinig doeltreffend; erboven overtreft de binnendruk de buitendruk, waardoor het plaatsen van de luchtafvoermonden daar essentieel is. De luchtinlaatopeningen worden daarentegen altijd onder het neutrale vlak geplaatst, want ze creëren een onderdrukzone. Bij het ontwerp is het van het grootste belang de hoogte van het neutrale vlak nauwkeurig te bepalen en het beschikbare drukverschil verstandig te verdelen over de in- en uitlaatmonden, met inachtneming van de debietverliezen. De ligging van het neutrale vlak verschilt per seizoen, zoals het onderstaande schema aantoont.

Wanneer de buitentemperatuur veel lager is dan de binnentemperatuur (winter), ligt het neutrale drukvlak hoger. In de zomer daarentegen, wanneer de temperatuurverschillen kleiner zijn — maar de binnentemperatuur nog altijd hoger is —, ligt het neutrale drukvlak lager. Daarom moeten, om het schoorsteeneffect in elk seizoen te laten werken, de luchtinlaten onder de laagste stand van het neutrale drukvlak liggen, en de luchtuitlaten erboven de hoogste stand ervan.

Conclusie

EOLIOS kan dus oplossingen aanreiken op het vlak van de dimensionering van schoorstenen en van ventilatieopeningen en van de numerieke simulaties met betrekking tot het schoorsteeneffect. Zijn expertise en vakkennis maken het mogelijk diensten en nauwkeurige, betrouwbare modelleringsinstrumenten te bieden, afgestemd op de behoeften van industrieën die belang hechten aan de energie-efficiëntie en in veiligheid van hun installaties.