烟囱

烟囱

烟囱(chimney[0])指的是建造在屋顶上的用于排除烟气的竖立构筑物,尤指其伸出屋顶的部分[3],是应用于工业与民用建筑中的一种比较常见而又比较特殊的构筑物[4]。烟囱历史悠久,种类繁多。根据考古学资料显示,中国烟囱的历史可以追溯到距今28000年的旧石器时代晚期[5],国际最早的烟囱出现在上幼发拉底河流域[6]。烟囱的主要作用是拔火拔烟,排走烟气,改善燃烧条件[7],它诞生于人类适应自然的过程中,从简单的排烟口,到独具魅力的建筑装饰,再到人类生存紧密相连的文化复合体,伴随着漫长的社会发展,烟囱成为了不可或缺的建筑构件。民用建筑的烟囱按区域可分为华北、东北、南方地区;按其位置可分为屋面、屋脊、山墙等;按其材质分为泥质、砖质、石质[5]。

烟囱(chimney[1])指的是建造在屋顶上的用于排除烟气的竖立构筑物,尤指其伸出屋顶的部分[4],是应用于工业与民用建筑中的一种比较常见而又比较特殊的构筑物[5]

烟囱历史悠久,种类繁多。根据考古学资料显示,中国烟囱的历史可以追溯到距今28000年的旧石器时代晚期[6],国际最早的烟囱出现在上幼发拉底河流域[7]。烟囱的主要作用是拔火拔烟,排走烟气,改善燃烧条件[8],它诞生于人类适应自然的过程中,从简单的排烟口,到独具魅力的建筑装饰,再到人类生存紧密相连的文化复合体,伴随着漫长的社会发展,烟囱成为了不可或缺的建筑构件。民用建筑的烟囱按区域可分为华北东北南方地区;按其位置可分为屋面、屋脊、山墙等;按其材质分为泥质、砖质、石质[6]

工业建筑中烟囱作为石油化工、金属冶炼、电力、固废处理等行业重要的尾气排烟装置,其作用举足轻重[9]。工业烟囱的发展经历了从传统的砖烟囱、混凝土烟囱到钢制烟囱阶段[9]。目前世界上最高的烟囱是位于哈萨克斯坦的GRES-2发电站烟囱,高达420米[2]中国目前最高的烟囱是山西神头二电厂的烟囱,高达270米[3]

概念释义

按照中国汉语词典中的解释,烟囱指的是建造在屋顶上的用于排除烟气的竖立构筑物,尤指其伸出屋顶的部分[4]。烟囱在中国古代称之为“突”,《汉书·叙传》中有“墨突不黔”。《淮南子·人间世》中说“百寻之屋以突隙之烟焚”[10]。《通俗编·居处》引清代毛奇龄越语肯綮录》:“灶突曰烟囱。” [4]在成语“曲突徙薪”中,“突”也指的是烟囱[10]

中国沿革

50万年前,人类开始学会用火烧烤食物、取暖和照明[7],原始住房内部的火塘无烟道,形同篝火,尤其在燃烧不充分的情况下,屋内烟熏无法容身[6]。人类尝试着在屋顶上钻洞,或在墙壁上打眼来疏散烟雾[7]。根据考古学资料显示,中国烟囱的历史可以追溯到距今28000年的旧石器时代晚期,此时人类已存在模拟洞穴居址,在黄土yuán上进行人工挖穴的实践活动[6]。古文献关于穴居、半穴居有顶部开口的记载,民族学材料也提供了屋上有排烟通风口的例证。这种排烟通风口称之为“囱”,“在屋曰囱”就是说屋盖上的通风口,古文称“囱”[11]。商周时期屋上的通风口,基本上还保持半坡的形式。囱与门形成对流,排烟效果良好。其做法是在屋面敷泥层时留空即成,可任意调整大小,开口或填塞十分简便,如遇大雨雪时或作临时遮掩。这样,对于锥体或四坡屋盖的原始住房来说,它已基本满足排烟通风的要求[11]。后来,有人在烟洞中镶入一个无底木桶,有的用树枝围成个圆筒,外糊一层泥土,便构成了简易的烟囱[7]

先秦以前的建筑无实物存世,但当时的建筑中已经有了功能齐全的灶、烟囱。汉魏时期,土木技术进步,烟囱得以大量营造,并由原来简单的垂直向上改为烟道先横向深曲通火,再向上排烟的形式。烟囱的高度也有所加长,增加了拔风起火的功能。西汉晚期到东汉早期,从出土文物来看,当时陶灶就带有塔式、亭式的烟囱[6]。宋代《营造法式》中已有“立灶”的内容,对烟囱的高度有了相对明确、科学的规定。北宋画家张择端所绘制的《清明上河图》中也有烟囱的存在,城市住宅的屋顶上建有天窗,屋顶两面正脊通常会延长一些,尤其是转角屋顶,这样屋顶上能建造十字相交的两个气窗。气窗虽然不是严格意义上的烟囱,但是也承担起了排烟换气的作用[6]。明清时期,中国的建筑发展到新的时期,建筑工艺有了新发展,砖工艺逐渐成熟,砖成为了主要的建筑材料清代段玉裁的《说文解字注》中写道“今zào突尚读仓红切”。这一时期距今较近,留世的明清建筑数量众多,其中民居的数量也很可观,大量烟囱出现在民居建筑中[6]

河南出土的灰陶灶
河南出土的灰陶灶

世界沿革

据考证,国际最早的烟囱出现在上幼发拉底河流域,后人从那里发掘出来的距今四千多年的宫殿有烟囱的遗迹[7]

在欧洲,最初的烟囱一直为富人、贵族和僧侣所享用,平民百姓则饱受浓烟呛鼻之苦[7]。早期的烟囱作用类似9世纪瑞士圣加尔修道院的排烟系统。修士们在房子的地板下加筑了若干烟道,于是炉子的热气可以从地板下流走。这套系统的设计初衷是为了去除房子里呛人的烟雾,但有人从中得到了启发,尝试着把烟囱添加在当时使用的那种极为简单的鼓风炉上。烟囱上安装了胸墙和烟囱帽,既能让火焰一直熊熊燃烧,也能把烟气和火花排到室外[12]。到了11 世纪,烟囱仍然是稀罕之物,挪威国王奥拉夫三世在皇宫角落安装了带有烟囱的壁炉,此事传出,名噪一时,被称为可载入史册之举[7]。有了烟囱,人们可以把炉子放在角落里或者墙边,为了安全起见,在炉子周围用比木头防火性能更强的砖砌一圈隔离层[12]

文艺复兴时期,烟囱成了精美的建筑小品,人们热衷于外形修饰,而对内部结构却未做重大改进。18世纪,一位物理学家运用物理学原理对壁炉及烟囱进行改造,使两者间的通道形成斜面,以减少热量散失,又在烟道底部放上隔板,可防浓烟倒灌,开辟了烟囱的新时代[7]

丰特弗罗修道院
丰特弗罗修道院

应用领域

烟囱是应用于建筑中的一种比较常见而又比较特殊的构筑物[5]

对于民用建筑来说,烟囱是人类追求生存发展和文化进步的产物。它诞生于人类适应自然的过程中,从简单的排烟、换气功能,到独具魅力的建筑装饰,再到人类生存紧密相连的文化复合体,伴随着漫长的社会发展,烟囱成为了传统民居中不可或缺的建筑构件[6]

民用烟囱
民用烟囱

中国北方冬季气温低,大部分民居采用火炕提供温度来满足室内基本的生活需求,火炕与灶相连,做饭时在坑灶内生生的热量在烟囱抽力作用下,最先进入火炕中,其中将一部分热量被火炕吸收,其余的热量通过烟囱排到室外,这种与火炕直接相连的烟囱叫做火炕取暖型烟囱。除火炕外,北方某些地区还如电暖炉等取暖方式,此时,灶内的热量不需进过炕体而直接通过烟囱排出室外,这种烟囱属于锅灶排烟型[13]

山东魏氏庄园灶门
山东魏氏庄园灶门

除此之外,烟囱作为民居屋顶重要的装饰,还被赋予了步步高升、天人合一的风水观念,祈福纳吉、子孙繁盛的砖雕纹饰以及安守富贵、驱邪避凶的神灵传说等民俗意义[6]

山东牟氏庄园烟囱
山东牟氏庄园烟囱

工业烟囱是铝及其它金属冶炼、化工、电力等行业设计中必需的附属构筑物。作用在于保证工业炉内气体的正常流动和热交换过程,即提供炉内燃料充分燃烧所需要的空气并排除燃烧过程中所产生的废气[14]。工业烟囱作为石油化工、金属冶炼、电力、固废处理等行业重要的尾气排烟装置,其作用举足轻重[9]

工业烟囱
工业烟囱

形制特色

烟囱的形制与房屋建筑几乎一致,同样台基、屋身、屋顶构成,通过多变的囱顶和囱身排列组合,营造极富美感的外廓线。囱身可以分为敌楼型、塔楼型、亭型,其囱顶可分为:歇山顶攒尖顶、悬山顶、盔顶、卷棚悬山顶等[6]

囱身

敌楼型:外形有方、圆两种,分上、下两层,下层可分为两种不同结构,其一设一券门,门内除通往上层的通道外,皆用土夯实;其二为下层无门,全部用土夯实,在上层设券门,墙上有箭窗和射孔,顶部设平台,四周砌垛口墙。从外表看台基与下层浑然一体[6]

塔楼型:依照组合方式,中国塔可以分为单层塔(亭阁式)、多层塔、密檐塔和窣堵坡。显著特征为方形、空心单筒状,内部不再用砖构分层空间[6]

亭型:多采用唐亭的风格,四面有墙、有门有窗。烟囱帽设为小方亭,亭上设歇山顶攒尖顶

囱顶

歇山顶:四面斜坡的屋面转折成垂直的三角形墙角,正面有条正脊,两面前后四条垂直方向的垂脊,垂脊下端处还有折向的四条戗脊,共九条脊。此类烟囱顶加上丰富的装饰物如chī吻、垂兽瓦当等,使富有曲线美的囱顶更有变化和层次感[6]

攒尖顶:由多面坡形向中心上方逐渐集中成尖顶,用“顶饰”来结束[6]

悬山顶:由前后两面坡构成,两坡交接处为一条屋脊,左右山墙砌到顶部,山墙与屋顶不相连,屋面两端挑出山墙之外[6]

盔顶屋顶曲线流畅,陡而复翘,没有正脊,各垂脊交会于屋顶正中[6]

卷棚悬山顶:前后两坡交界处不用正脊,而做成弧形曲面的屋顶[6]

盔顶敌楼型烟囱
盔顶敌楼型烟囱
歇山顶敌楼型烟囱
歇山顶敌楼型烟囱
悬山顶敌楼型烟囱
悬山顶敌楼型烟囱
卷棚悬山顶塔楼型烟囱
卷棚悬山顶塔楼型烟囱
四角攒尖顶敌楼型烟囱
四角攒尖顶敌楼型烟囱

主要分类

烟囱历史悠久,种类繁多。民用建筑的烟囱按区域可分为华北东北南方地区;按其位置可分为屋面、屋脊、山墙等;按其材质分为泥质、砖质、石质[6]

(一)按照区域划分

华北地区山西山东数量最多,质量最佳,兼顾实用性的同时,对艺术、美学价值的追求达到了顶峰[6]

东北地区:坐地烟囱为主,纯功能性,装饰较少[6]

南方地区:南方地区多防卫特征鲜明的大型民居,例如福建土楼、赣南围屋等,从建筑的外部看,没有明显的烟囱痕迹,只在墙上留有很多小孔,往往不易察觉[6]

乔家大院烟囱
乔家大院烟囱
东北满族民居烟囱
东北满族民居烟囱
福建土楼民居烟囱
福建土楼民居烟囱

(二)按照位置划分

立置屋面上的烟囱:设立在建筑群屋面之上的烟囱是最为普遍的一种,如山西乔家大院、山东魏氏庄园等[6]

设置于屋脊处的烟囱:设立在建筑群屋脊之上,如乔家大院中倒座和东西厢房均是单坡屋顶,虽然烟囱伸出屋脊的部分不高,但是利用了单坡屋顶的高屋脊,实际距离非常高,可以增加抽力,方便排烟[6]

设置于山墙外的烟囱:设立于建筑山墙外的烟囱,除了排烟功能外,还可以修饰甬道,丰富构图空间,如山东栖霞牟氏庄园烟囱[6]

独立大烟囱:独立烟囱是东北地区最常见的烟囱样式,由于该地冬季严寒多雪,延长烟火的走向,可以将燃烧时产生的热量均保留于火炕内。春夏季寒冰融化后,也不会出现烟囱损坏向屋内渗水的情况[6]

屋脊烟囱
屋脊烟囱
山墙烟囱
山墙烟囱
独立大烟囱
独立大烟囱

(三)按材质划分

泥质烟囱:将黄泥和秸秆混合,沿着屋顶预留的孔洞逐渐向上垒起即可成型。泥质烟囱最主要的优点是经济便捷、施工简单[6],但是容易被风化、抗震性、抗腐蚀性差,其次,现在农村新建住宅,一般采用砖砌墙身,屋顶的土烟囱与砖质墙身不搭配。所以,泥烟囱渐渐退出了历史舞台[13]

石质烟囱:石质烟囱主要出现在山区的村落中,山中采石,靠民众双手砌成相对规整的形状。为了保证排烟通畅,还会在烟囱内部抹一层水泥光滑烟囱内壁[6]

砖制烟囱:明清时期,中国的建筑发展到新的时期,建筑工艺有了新发展,砖工艺逐渐成熟,青砖成为了晋中地区民居建筑中最主要的建筑材料,烟囱也大多采用青砖建造。青砖砌筑相对复杂,需要消耗大量的人力、物力,所以需要大量的财力作为保障[6]

泥质烟囱
泥质烟囱
石质烟囱
石质烟囱
砖质烟囱
砖质烟囱

工业烟囱

工业烟囱的发展经历了从传统的砖烟囱、混凝土烟囱到钢制烟囱阶段[9]

砖烟囱

优势

砖烟囱的筒体由砖砌体砌筑而成,内衬根据烟气的温度及腐蚀性采用普通粘土砖耐火砖砌筑而成,常用的砖烟囱主要有30m、40m、50m、60m。砖烟囱的使用受烟气温度、烟道入口大小及抗震性能的影响[14]。可以就地取材,造价比较低,比较容易建造,因而在一般工业与民用建筑工程中被广泛采用[15]

缺点

砖砌体抗拉、抗剪强度低,抗震能力较差。地震时,孤立高大的烟囱最容易破坏和倒塌,所以砖烟囱高度一般在60m以下[15]

混凝土烟囱

国内几种常见的结构类型:

1、普通混凝土单筒烟囱:由砼筒壁、隔热层、内衬构成,内衬支撑于砼牛腿上,隔热层多采用空气层或岩棉板。20 世纪80年代以前设计的烟多采用此种形式[16]

2、改进型混凝土单简烟囱:目前国内比较常见的一种结构形式,由砼筒壁、隔热层、内衬构成。防腐设计采用双重防线理念,防腐蚀材料由耐酸内衬及筒壁防腐涂料组成[16]

3、套简式、多管式烟囱:从内筒材质上分为砖内筒或钢内筒烟囱,外筒均采用钢筋混凝土结构。由砼外筒、内筒、结构平台、制晃装置、竖向通道和附属设施组成[16]

优势:

混凝土烟囱是工业尾气排放烟卤中最常见的一类,其最大的优势是高度较高可达250m 以上[9]

缺点:

1、易被腐蚀开裂:以垃圾焚烧发电厂为例,焚烧产生的氯化物转化为自由氯离子,与水蒸气结合形成盐酸,腐蚀烟囱[9]

2、抗渗透性差:内壁涂刷浇注料是混凝土烟囱施工中一种常见的防腐方法,目前市场的耐酸浇注料是由水玻璃和硬化剂组成,水玻璃与硬化剂反应生成物的基质是硅酸凝胶,此类浇注料不能抵抗碱和呈碱性反应介质的腐蚀。且耐酸凝胶从弹性胶体向具有固体性能的凝胶转变的过程中,会形成无数细小的细孔,导致水玻璃材料的孔隙率很大[9]

3、施工难度大:施工现场占地面积大,施工人员众多,大量消耗水电,工期长,维护难度大,拆除或更换都需要大量资金投入[9]

钢烟囱

钢烟囱包括塔架式、自立式和拉索式三种形式[17]。塔架式钢烟囱是采用三角型或多边性对称塔架作为承受外荷载的主要承力构件;自立式排烟筒立于塔架中间,不承担侧向水平荷载,与外塔架采用滑动连接[18];拉索式钢烟囱由烟囱筒体和纤绳组成,烟囱筒体自身承受重力荷载与竖向地震作用,纤绳作为筒体的弹性支座承受筒体传来的水平荷载[19]。高大的钢烟囱可采用塔架式,低矮的钢烟囱可采用自立式,细高的钢烟囱可采用拉索式[17]

塔架式钢烟囱
塔架式钢烟囱
自立式钢烟囱
自立式钢烟囱
拉索式钢烟囱
拉索式钢烟囱

优势:钢烟囱解决了混凝土烟囱腐蚀、老化快、占地面积大、施工周期长等问题,并且能够更好的二次回收利用,减少了对环境的污染[9]

塔架式钢烟囱水平力可由塔架承受从而有利于减小烟筒筒体钢板厚度,减轻简身重量,易于千斤顶顶升,烟简内衬也易于施工及检修,还可分期建设,减少一次投资费用[20]

自立式钢烟囱无需外部钢结构或辅助结构支撑,通过精确计算和阻尼器的配置可以满足烟囱强度、刚度挠度、振动和稳定性等要求,确保烟囱本体安全可靠。自立式钢烟囱结构简单,可实现工厂预制,现场组装,施工周期极短,对施工场地要求很少,已经成为国际众多工程应用的首选[9]

缺点:

塔架式钢烟囱构件数量多,制作、安装量大[20],计算模拟分析复杂,且目前高度不适合超过 120 m[9]

新疆传统民居“阿以旺”

为了适应新疆夏季少雨炎热、冬季严寒大风的低洼沙漠地区气候条件,维吾尔族传统民居创造出带天窗的前室——“阿以旺”,又称夏室。这种住宅为土木结构,密梁式平顶,成片建设,以“阿以旺”为中心,围绕其布置居所内用房,“阿以旺”屋面在顶部抬高,侧面加天窗围护。这种构造促进了利用热压原理进行的自然通风,它是绿色民居的一种最简单最经济的自然空调技术[21]

阿以旺住宅
阿以旺住宅

印度管式住宅

印度建筑大师查尔斯·柯里亚根据本国的气候特点采用“烟囱效应”技术设计了一种管式住宅,这种管式住宅长18.2m,宽36m,热空气沿着斜坡屋顶上升,从顶部通风口把热空气带走,然后从两侧门窗开口处吸入新鲜空气,建立起一种自然通风循环体系,被动式节能。这类住宅,这种形式也被柯里亚先生自已称为“夏季剖面”[21]

通风塔

在北方寒冷气候,建筑必须在保证气密性与保温性的基础上进行建筑通风换气,所以不能直接使用开放式天井来通风,这就有了与天井类似作用的烟囱或者壁炉,通过烟囱的燃烧造成温度上升,从而引起建筑内部空气流动。英国国会议事堂就是通过瓦斯灯燃烧来升高出风口温度,形成建筑内部通风换气[22]

代表建筑

名称图片所在地备注
乔家大院
造型各异的乔家大院烟囱
造型各异的乔家大院烟囱
晋中祁县院内屋顶上建有 144 个精雕细琢的烟囱,细看之下无一重样。烟囱的下半部用条砖砌成中空的方斗形,上半部制成房屋造型,囱顶样式多样,烟囱上的雕刻着动物、植物、吉祥纹饰等图案,整体来看精致逼真[6]
王家大院
王家大院盝顶烟囱
王家大院盝顶烟囱
晋中灵石屋顶上的排烟口经工匠制成座座小亭,立在烟肉口上,立柱上架着四角攒尖顶、歇山顶、顶,屋顶上屋脊、小兽、瓦面、宝顶俱全,四壁“门窗”俱全[6]
jìn庭旧居-平遥仓巷街北35号院院内厢房屋顶上有传说中的奇兽“朝天吼”的砖雕烟帽[6]
张家大院烟囱
张家大院石质狮子排烟口
张家大院石质狮子排烟口
阳泉平潭镇官沟村阳泉的优质无烟煤炭丰富,燃烧时只产生少量一氧化碳,所以民居建筑无需在房顶设烟囱。因此,这一带民居只在距地面1m 至1.5m的墙上开洞排出烟气。选用边长 24cm方形石料,上面凿出一个圆空与烟道相连,向外一侧有精美石雕做装饰,排烟口造型可以分为狮子型、瓜果型、祥云[6]
魏氏庄园
魏氏庄园
魏氏庄园
山东滨州惠民县最大最完整的清代城堡式民居。全院采用暗烟囱进行排烟,出烟口巧妙设置在房顶的瓦陇之中,被瓦片虚掩着,从外面看与屋顶的其他地方毫无差异,整个魏氏庄园看不到一处烟囱[6]
牟氏庄园
牟氏庄园烟囱
牟氏庄园烟囱
山东栖霞牟氏庄园二层建筑的烟囱都在高于山墙3m以上的地方,一直能延伸到屋顶之上。烟囱由砖彻而成,从山墙处挑出,下面以条石支撑,青砖逐级向上砌筑,在顶部形成小塔状。烟囱顶部设置了塔状避雨帽,顶上雕狻猊,狻口中雕饕餮[6]
名称图片所在地建成时间高度
GRES-2电站烟囱[2]
GRES-2电站烟囱
GRES-2电站烟囱
哈萨克斯坦埃基巴斯图兹1987年419.7米
Superstack铜业公司烟囱[2]
Superstack铜业公司烟囱
Superstack铜业公司烟囱
加拿大安大略1971年380米
米切尔电厂烟囱[2]
米切尔电厂烟囱
米切尔电厂烟囱
美国西弗吉尼亚州芒兹维尔市1968年368米
立宾多夫电站烟囱[2]
立宾多夫电站烟囱
立宾多夫电站烟囱
德国新基里奇市1961年300米(2005年爆破拆除)
山西神头二电厂烟囱[3]-山西1990年270米
美国冶炼有限公司烟囱[2]
美国冶炼有限公司烟囱
美国冶炼有限公司烟囱
美国德克萨斯埃尔帕索市1967年252米(2006年6拆除)
卡希拉发电厂烟囱[2]
卡希拉发电厂烟囱
卡希拉发电厂烟囱
俄罗斯莫斯科州南部卡希拉市1966年250米
德国Schilling发电站烟囱[2]
德国Schilling发电站烟囱
德国Schilling发电站烟囱
德国下萨克森州施塔德1962年220米(2006年拆除)
INCO铜niè精炼厂烟囱[2]
INCO铜镍精炼厂烟囱
INCO铜镍精炼厂烟囱
加拿大安大略省[23]1954年194米
美国烟囱[2]
美国烟囱
美国烟囱
美国加利福尼亚1937年185米(1972年拆除)
美国冶炼精炼公司铅冶炼烟囱[2]
美国冶炼精炼公司铅冶炼烟囱
美国冶炼精炼公司铅冶炼烟囱
美国德克萨斯埃尔帕索市1951年183米(2013年拆除)

民用烟囱规范要求

砌筑烟囱要注意三点:一要做好安全防火,二要节约用料,三要使烟囱经久耐用。

砌烟囱可以采用原火墙、火坑拆下的旧砖。经过煅烧的旧砖刚度大,耐侵蚀。用新砖时要选用色译深红、响声清跪、刚度大的砖。屋面以下用黄泥浆砌筑,屋面以上用水泥砂浆砌筑,以增强烟囱的刚度和稳定性。

开挖烟囱基础时,要避开屋架、假柁,距离要超过10厘米以上,以保证防火要求。烟囱基础要坚固,最好用石头打底,中间留出下返烟坑,深50-80厘米,供储存烟灰用,有风天,烟气随风上下波动,烟坑可使烟有较好的回旋余地,增加烟囱的抽劲,基础打好后,用水泥砂浆抹平,铺放油毡防潮。上面摞底,垂直砌筑烟囱,高度要超过屋脊1米以上,烟囱口径大小要按设计要求施工[24]

工业烟囱规范要求

设计烟囱时,应根据使用条件、烟囱高度、材料供应及施工条件等因素,确定采用砖烟囱、钢烟囱或者混凝土烟囱[25]

下列情况不应采用砖烟囱:

1、高度大于60m的烟囱。

2、抗震设防烈度[注1]为9度地区的烟囱。

3、抗震设防烈度为8度时,III、 IV类场地[注2]的烟囱。

烟囱内衬的设置应符合下列规定:

1、砖烟囱:烧结普通黏土砖筒壁的最高受热温度不应超过400℃。当烟气温度大于400℃时,内衬应沿筒壁全高设置;当烟气温度小于或等于400℃时,内衬可在筒壁下部局部设置,其最低设置高度应超过烟道孔顶,超过高度不宜小于孔高的1/2[25]

2、钢筋混凝土单筒烟囱:内衬宜沿筒壁全高设置。钢筋混凝土筒壁和基础以及素混凝土基础的最高受热温度不应超过150℃[25]

3、钢烟囱:当筒壁温度符合温度限值且满足防腐要求时,钢烟囱可不设置内称。但当筒壁温度较高时,应采取防烫伤措施[25]

钢材最高受热温度℃备注
碳素结构钢250用于沸腾钢
350用于镇静钢
低合金结构钢和可焊接低合金耐候钢400——

4、内衬厚度应由温度计算确定,但烟道进口处一节或地下烟道基础内部分的厚度不应小于20mm或一砖。其他各节不应小于100mm或半砖。内村各节的搭接长度不应小于300mm或六皮砖[25]

5、钢烟囱对防腐蚀要求比较高,当排放弱腐蚀性烟气时,筒壁材料可采用普通钢板。当排放中等腐蚀性烟气和强腐蚀性烟气时,宜采用耐硫酸露点腐蚀钢板。钢烟囱的内外表面应涂刷防护油漆。宜做外保温层,并用铝皮包裹。设计计算中钢板厚度应留有 2~3mm 腐蚀厚度裕度,烟囱底面应高出地面不小于100mm[17]

内衬搭接(mm)
内衬搭接(mm)

隔热层的构造应符合下列规定:

1、采用砖砌内衬、空气隔热层时,厚度宜为50mm,同时应在内衬靠筒壁一侧按竖向间距1m、环向间距为500mm挑出顶砖,顶砖与筒壁间应留10mm缝隙[25]

2 、填料隔热层的厚度宜采用80mm~200mm,同时应在内上设置间距为1.5m~2.5m整圈防沉带,防沉带与简壁之间应留出10mm的温度缝[25]

防沉带构造(mm)
防沉带构造(mm)

烟囱外表面的爬梯应按下列规定设置[25]

1、爬梯应离地面2.5m处开始设置,并应直至烟囱顶端。

2、 爬梯应设在常年主导风向的上风向。

3、烟囱高度大于40m时,应在爬梯上设置活动休息板,其间隔不应超过30m。

4、烟囱爬梯应设置安全防护围栏。

其它规定:

1、无特殊要求时,砖烟囱可不设置检修平台和信号灯平台。

2、爬梯和烟囱外部平台各杆件长度不宜超过2.5m,杆件之间可采用螺栓连接。

3、 爬梯和平台等金属构件,宜采用热浸镀锌防腐。

4、爬梯、平台与筒壁的连接应满足强度和耐久性要求。

5、烟囱筒身应设置防雷设施。

6、烟囱筒身应设沉降观测点和倾斜观测点。清灰装置应根据实际烟气情况确定是否设置。

7、烟囱基础宜采用环形或圆形板式基础。在条件允许时,可采用壳体基础。对于高度较小且为地上烟道入口的砖烟囱,亦可采用毛石砌体或毛石混凝土刚性基础。

8、筒壁的水平截面应取筒壁各节的底截面。垂直截面可取各节底部单位高度的截面。

9、在荷载的标准组合效应作用下,钢筋混凝土烟囱、钢结构烟囱和玻璃钢烟囱任意高度的水平位移不应大于该点离地高度的1/100,砖烟囱不应大于1/300。

10、安全等级为一级的单筒式钢筋混凝土烟囱,以及套筒式或多管式钢筋混凝土烟囱的简壁,应采用双侧配筋。其他单筒式钢筋混凝土烟囱筒壁内侧筒壁厚度大于350mm以及夏季筒壁外表面温度长时间大于内侧温度时应配置钢筋[25]

民用烟囱

烟囱若修建或使用不慎会引发火灾,给居民的生命与财产安全带来威胁。如果积灰过多,当积灰达到一定温度时,就会飞散到室外,落到可燃物上就可能引发火灾。所以每年都要对烟囱进行检修,清除积灰,填抹裂缝,保证烟囱正常功能的发挥[13]

农村的烟囱经常出现倒烟不好烧的现象,造成室内空气的污染。分析其原因主要有两点:第一,若烟囱壁上挂有大量硬质烟油灰,说明烟囱不好烧是由于潮气引起的;第二,若烟囱壁上挂的是软质的烟灰,说明这只是由于烟囱使用时间长,或者砌筑时某些操作不当,阻碍烟气流动造成的。这种现象引起的烟囱不好烧可以通过打烟囱等方式得到尽快解决[13]

新建的烟囱因为潮气出现不好烧的现象,可在烟囱的根部点上一把火,增强烟囱的吸力,进而增强烟的流动速度。若潮气重,火不易点燃时,需用扇子在炕洞内猛扇几下再点[13]

在夏季,空气湿度大,炕灶隔日不烧,烟囱就会出现不好烧现象,此时,应该先在烟囱的底部点上一把火,之后再去点炉灶。若烟囱的根部受潮严重,就要考虑室外烟囱根部的防潮问题,将潮湿的土换掉,然后加以石灰做防潮,同时,用火将烟囱的内壁烧干。若坑洞内的填土潮湿,就要将土用干土代替,使炕体与烟囱同时保持干燥,才能不影响烟囱的排烟功能[13]。冬季引起的烟囱不好烧现象主要原因就是烟囱壁太薄,保温性能不好。尤其是一些铁质烟囱,冬季冷热交替现象产生的冷凝水随烟囱进入烟道,在烟道内形成冰霜,严重影响烟囱的排烟功能。因此,冬季要切实做好烟囱的保温措施[13]

工业烟囱

当连续监测烟气排放系统装置离地高度超过2.5m时,应在监测装置下部1.2m~1.3m标高处设置采样平台,平台应设置爬梯或Z形楼梯。当监测装置离地高度超过5m时,平台应设置Z形楼梯、旋转楼梯或升降梯。安装连续监测烟气排放系统装置的工作区域应提供永久性的电源,并应设防雷接地装置[25]

钢烟囱应考虑风振影响,国际也曾多次报道钢烟囱被振坏的事例,有的烟囱上出现的裂纹长达半个圆周。但若在烟囱的顶部与地面之间设置缆绳,缆绳上装有两个大弹簧以吸收振动时的能量,在烟囱上部的外表面焊接螺旋翅片以破坏卡门漩涡,或者改变烟囱的固有频率,都能有效地防止烟囱的破坏[17]

任何燃烧固体燃料产品(如木材或煤),它们在结构的壁上形成杂酚油沉积物[28]。燃烧天然气的加热器大大减少了由于天然气燃烧造成的杂酚浓度,比传统固体燃料更清洁和更有效。虽然在大多数情况下,不需要每年清理烟囱,但这并不意味着烟囱的其他部分不会失修。随着时间的推移,由于腐蚀而造成的烟囱配件断开连接或松动,可能会造成居民由于一氧化碳泄漏到家中而造成严重危险。因此建议 ,每年对烟囱进行检查并定期清理烟囱以防止这些问题[29]

烟囱效应

所谓“烟囱效应”是指建筑下部面向外部开口的水平连通空间与建筑中的垂直连通空间组合而成的建筑室内导气空间,其剖面形态呈现出明显的“烟囱”形态[21]。烟囱效应是室内外温差形成的热压及室外风压共同作用的结果[22]

效应影响

利用烟囱的工作原理,在夏季炎热无风或微风时,使室内空气出现温度差,此时热空气膨胀变轻升由顶部排出室外,造成内部气压变小,外部空气进入室内补充,从而持续为室内带来新风,降低室内温湿度,改善室内热环境,实现建筑室内空气自我循环更新,在烟囱效应的作用下,室内有组织的自然通风、排烟排气得以实现[21]

但其负面影响也是多方面的:

首先,风通过电梯井由底层厅门人口被抽到顶层的过程中,导致梯门不能正常关闭[30]

其次,当发生火灾时,火势顺着管道、竖井、楼梯间、排气道等各种横、竖向管井、通道向上升或下降,造成空气加强对流,短时间内火势迅速蔓延[31]。有实验曾证明一座30层高,约100米的建筑在无阻挡的情况下烟气从一楼到顶楼只需30秒[31]

高层建筑烟囱效应示意图
高层建筑烟囱效应示意图

辞灶

民间至今还流传着一种习俗叫做“辞灶”。在每年的腊月二十三日,俗称小年,人们都要祭拜灶王爷。传说这一天灶王爷要上天向玉帝汇报人间的情况,人们除了烧香、供奉之外,还要将灶王爷上天的通道即烟囱清理干净,使灶火烧到最旺得状态,以此来保障灶王爷高高兴兴上天汇报好事情,以祈求来年有个好光景[13]

小年夜“祭灶神”
小年夜“祭灶神”

望乡思乡

在中国北方,烟囱是一种精神寄托。久别故乡回家的游子,远远的看到烟囱上的一缕青烟就仿佛看到了自己的家,土生土长的北方人总有一股浓厚的烟囱情节。烟囱又叫望乡台,在东北一些地区,流传着这样一个习俗,当一个人故去的第七天,家里人将梯子放在烟底下,以便故去的人最后一次从烟囱回家[13]

北方烟囱
北方烟囱

圣诞老人

西方世界里烟囱最富盛名的传说就是“圣诞老人”。每年圣诞节滑下烟囱的快乐人物实际上是受到了出生于土耳其南部的拜占庭圣尼古拉斯的启发。希腊基督教主教出生于公元3世纪,传说中,他以在穷人家的烟囱里扔下一袋钱币而闻名,烟囱就成为了获得惊喜和财富的通道[6]

烟囱上的圣诞老人
烟囱上的圣诞老人

参考资料 31

  1. chimney — 牛津词典
  2. 世界上最高的十座烟囱 最高烟囱419.7米(GRES-2电站烟囱) — 探秘志
  3. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JZSG199006025.htm
  4. 烟囱 — 词典网
  5. http://www.cqvip.com/QK/86861X/200907/31665281.html
  6. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C475KOm_zrgu4lQARvep2SAkEcTGK3Qt5VuzQzk0e7M1z3Cqa9NfdPTSiHSCvvzSYc1It7hOwF2AAwHfeIDvUlKN&uniplatform=NZKPT
  7. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKjZz7oeEFsKnXAyKcdWnGJ_q_CfxJgFst4iKxSqmNBKmKRmDnDHeO73wP7b3mPmWOXEttaIzhaxA&uniplatform=NZKPT
  8. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=qJbV8tG_OtsKnGheglpVOEeSUsY3YxIlzsDA2oOHsVi1dZqBkqEguJSH7jEUgHrogkWiIHqyoexMP28caVmRMd1wyGxMtqHdd1IzdffKMT-NL-ZriI_AMcJeol-54FOQxrRiwEsithw=&uniplatform=NZKPT&language=CHS
  9. http://www.cqvip.com/QK/98456X/201901/89838366504849574849484953.html
  10. — 汉典
  11. https://www.doc88.com/p-01299969092156.html?s=rel&id=1
  12. 英国科学史学者:烟囱的发明导致了宫廷爱情诗的流行? — 新浪网
  13. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C475KOm_zrgu4lQARvep2SAk6nr4r5tSd-_pTaPGgq4znO989riUCbo87Wy2YBcU1YHX5RnV8BCRbLl3lL5OYK6V&uniplatform=NZKPT
  14. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKgchrJ08w1e7tvjWANqNvp_fdqhtFTwCsvmQnVlk7sGl7MPBXnHQEcq3UYClKTkgLPCc6pHI1Zwf&uniplatform=NZKPT
  15. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JZJI198208014.htm
  16. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKibYlV5Vjs7iAEhECQAQ9aTiC5BjCgn0RvVDHwgLaAlwgiIo9Gc7SrsW5yj6tdx6Z8pGUuRCHOvM&uniplatform=NZKPT
  17. http://www.cqvip.com/QK/97377X/200518A/20388917.html
  18. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKgchrJ08w1e7_IFawAif0mz0mvqA7JOJQqVXFxZw_QWSRSBERAZ6tVP6hf1g0BbyYP_CJkEvB7fO&uniplatform=NZKPT
  19. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKgchrJ08w1e7VSL-HJEdEx2T4gt88denL5xdDdA5cap2jEC08ao6scSm1b-W4XrUMDYy1_OyHHM-&uniplatform=NZKPT
  20. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKqd0WnNPv0wTDjtDUwHroNymyPZkEH1hfUjlXTlzcK3YbgeFhyGunw2ekIjGMOehG62jB0JmhwV9&uniplatform=NZKPT
  21. http://www.cqvip.com/QK/93913X/201326/46863241.html
  22. http://www.cqvip.com/QK/93913X/201601/667191404.html
  23. 国际镍公司铜崖镍精炼厂 — 知网空间
  24. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKth5mPLKqXjbyzE23kHsboPP93mKtUp9LVpJsitIqUNARN07DahNlyP5fGIX-cmwdRL0z-4DgbKU&uniplatform=NZKPT
  25. 住房城乡建设部关于发布国家标准《烟囱设计规范》的公告 — 中华人民共和国住房和城乡建设部
  26. 附录 A 我国主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组 — morgain
  27. https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=3uoqIhG8C44YLTlOAiTRKgchrJ08w1e7ZCYsl4RS_3gmd2c-VVg8_jFlbxgiV_liki3dJnIPN0VChj_yu7hjbqN5lgwb3KUd&uniplatform=NZKPT
  28. 详细解读:真火燃木壁炉烟囱中杂酚油的危害与应对措施 — 详细解读:真火燃木壁炉烟囱中杂酚油的危害与应对措施
  29. 一种烟囱外表面防腐施工平台的制作方法 — X技术 国知局
  30. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-ZGDT201923004.htm
  31. 救命贴!火场中“烟囱效应”到底是怎么回事?该如何逃生?这些你必须要知道 — 澎湃新闻

注释

  1. 我国主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组[26]
  2. 建筑物抗震场地类型[27]
广告位:底部(ad-bottom)—— 请到中台「公共区块」编辑此内容