特開 2023-104177 建物内煙突構造の設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023104177

(43)【公開日】2023-07-28

(54)【発明の名称】建物内煙突構造の設計方法

(51)【国際特許分類】

   E04B 1/76 20060101AFI20230721BHJP

   F23J 13/02 20060101ALI20230721BHJP

【ＦＩ】

E04B1/76 400A

F23J13/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022005021

(22)【出願日】2022-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】591029921

【氏名又は名称】フジモリ産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003340

【氏名又は名称】弁理士法人湧泉特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中澤 元宏

(72)【発明者】

【氏名】江水 友弘

(72)【発明者】

【氏名】栃下 裕也

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 芳宣

【テーマコード（参考）】

2E001

3K070

【Ｆターム（参考）】

2E001DD05

2E001EA01

2E001GA65

2E001GA66

2E001HA07

2E001HA21

3K070BA04

3K070BA22

3K070BA24

(57)【要約】

【課題】排煙ガスの熱による建物の高温化を防止可能な建物内煙突構造を提供する。
【解決手段】建物１の筒状のシャフト１０の内部に通気層１３が形成されるように立設された煙突２０を含む建物内煙突構造３を設計する際、建物内煙突構造３の所定高さｈｓにおける内外方向への定常的な熱の伝わり度合いに関する設計伝熱条件ａ～ｉを設定する。煙道２９を通る排煙ガスｇの想定温度ｔｇと設計伝熱条件ａ～ｉとに基づいて、所定高さｈｓにおけるシャフト１０の外面の予想温度ｔ_１３を算出する。予想温度ｔ_１３が所定温度ｔ_１３ｓ以下となるよう、設計伝熱条件ａ～ｉのうち煙突２０の熱伝導率又は厚みの最適値を求める。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

建物に上下へ延びるように設けられた筒状のシャフトと、前記シャフトの内部に立設されて前記シャフトとの間に通気層を形成する煙突と、前記通気層の下端部に連なる空気取り入れ口と、前記通気層の上端部に連なる空気排出口とを備えた建物内煙突構造の設計方法であって、
前記建物内煙突構造の所定高さにおける内外方向への定常的な熱の伝わり度合いに関する設計伝熱条件を設定する工程と、
前記煙道を通る排煙ガスの想定温度と前記設計伝熱条件とに基づいて、前記所定高さにおける前記シャフトの外面又は内面の予想温度を算出する工程と、
前記予想温度が所定温度以下となるよう、前記設計伝熱条件のうち前記煙突の熱伝導率又は厚みの最適値を求める工程と、を備えたことを特徴とする建物内煙突構造の設計方法。

【請求項2】

前記設定工程において、前記設計伝熱条件として、前記煙突内の煙道を通る排煙ガスと前記煙突の内面との間の熱伝達率、前記煙突の熱伝導率、前記煙突の厚み、前記煙突の外面と前記通気層内の空気との間の熱伝達率、前記通気層の必要換気流量、前記通気層内の空気と前記シャフトの内面との間の熱伝達率、前記煙突及び前記シャフトの断面形状及び寸法、前記シャフトの熱伝導率、並びに前記シャフトの厚みの少なくとも一部を設定することを特徴とする請求項１に記載の建物内煙突構造の設計方法。

【請求項3】

前記設定工程において、前記設計伝熱条件の１つとして前記通気層の必要換気流量を設定し、
前記煙突の熱伝導率又は厚みを前記最適値としたときの前記空気取り入れ口と前記空気排出口との間の予想温度差を算出し、
前記空気取り入れ口と前記空気排出口との間の高低差及び前記予想温度差、並びに前記空気取り入れ口及び前記空気排出口の開口面積に基づいて前記通気層の換気流量を算出し、
前記換気流量算出値が、前記必要換気流量以上であるか否かを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の建物内煙突構造の設計方法。

【請求項4】

前記換気流量算出値が前記必要換気流量以上になるよう、前記空気取り入れ口及び前記空気排出口の少なくとも一方の開口面積を設定することを特徴とする請求項３に記載の建物内煙突構造の設計方法。

【請求項5】

前記換気流量算出値が前記必要換気流量以上になるよう、前記通気層の中間狭隘部の流路断面積を設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の建物内煙突構造の設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、煙突構造を設計する方法に関し、特に、商業ビルなどの建物内に設置される建物内煙突構造の設計方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、商業ビル、工場等の建物には、ボイラー、発電機などのガス放出を伴う設備と、放出されたガス（排煙ガス）を外部へ排出するための煙突が備えられている。煙突は、建物内を上下に通され、屋上から更に上方へ突出されている。建物内における煙突部分は、鉛直な吹き抜け状のシャフトの内部に収容されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開番号 ＷＯ２０１５/１０１７５１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

煙突内の煙道を通る排煙ガス温度は、例えば２００℃～６５０℃程度の高温である。その熱が建物内に伝達されて、建物内の温度が上昇するおそれがある。
本発明は、かかる事情に鑑み、排煙ガスの熱による建物の高温化を防止可能な建物内煙突構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するため、本発明は、
建物に上下へ延びるように設けられた筒状のシャフトと、前記シャフトの内部に立設されて前記シャフトとの間に通気層を形成する煙突と、前記通気層の下端部に連なる空気取り入れ口と、前記通気層の上端部に連なる空気排出口とを備えた建物内煙突構造の設計方法であって、
前記建物内煙突構造の所定高さにおける内外方向への定常的な熱の伝わり度合いに関する設計伝熱条件を設定する工程と、
前記煙道を通る排煙ガスの想定温度と前記設計伝熱条件とに基づいて、前記所定高さにおける前記シャフトの外面又は内面の予想温度を算出する工程と、
前記予想温度が所定温度以下となるよう、前記設計伝熱条件のうち前記煙突の熱伝導率又は厚みの最適値を求める工程と、を備えたことを特徴とする。

【0006】

好ましくは、前記設定工程において、前記設計伝熱条件として、前記煙突内の煙道を通る排煙ガスと前記煙突の内面との間の熱伝達率、前記煙突の熱伝導率、前記煙突の厚み、前記煙突の外面と前記通気層内の空気との間の熱伝達率、前記通気層の必要換気流量、前記通気層内の空気と前記シャフトの内面との間の熱伝達率、前記煙突及び前記シャフトの断面形状及び寸法、前記シャフトの熱伝導率、並びに前記シャフトの厚みの少なくとも一部を設定する。

【0007】

好ましくは、前記設定工程において、前記設計伝熱条件の１つとして前記通気層の必要換気流量を設定し、前記煙突の熱伝導率又は厚みを前記最適値としたときの前記空気取り入れ口と前記空気排出口との間の予想温度差を算出し、前記空気取り入れ口と前記空気排出口との間の高低差及び前記予想温度差、並びに前記空気取り入れ口及び前記空気排出口の開口面積に基づいて前記通気層の換気流量を算出し、前記換気流量算出値が、前記必要換気流量以上であるか否かを判定する。

【0008】

好ましくは、前記換気流量算出値が前記必要換気流量以上になるよう、前記空気取り入れ口及び前記空気排出口の少なくとも一方の開口面積を設定する。

【0009】

好ましくは、前記換気流量算出値が前記必要換気流量以上になるよう、前記通気層の中間狭隘部の流路断面積を設定する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、排煙ガスの熱による建物の高温化を防止可能な建物内煙突構造を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る建物内煙突構造の設計方法において設定される建物内煙突構造の簡易モデルを示す正面断面図である。

【図2】図２は、前記設計方法の手順を示すフローチャートである。

【図3】図３は、前記設計方法において設定される建物内煙突構造の実際に近いモデルを示す正面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、例えば商業用ビルや工場などの建物１には、ボイラー、発電機などの排煙ガスｇの放出を伴う排煙放出設備２と、その排煙ガスｇを外部へ排出するための建物内煙突構造３が備えられている。

【0013】

図１は、建物内煙突構造３の単純なモデルを示したものである。建物内煙突構造３は、筒状のシャフト１０と、煙突２０を含む。シャフト１０は、建物１の躯体と一体となって、上下へ延びている。シャフト１０は、鉄筋コンクリートによって構成されている。シャフト１０を構成するコンクリートとしては、普通コンクリートの他、軽量気泡コンクリート（Autoclaved Lightweight aerated Concreate；以下「ＡＬＣ」と称す）等が用いられている。シャフト１０の断面形状は、四角形、円形の他、四角形の１のコーナーに出隅部が設けられた変形多角形等が挙げられる。

【0014】

図１に示すように、シャフト１０の内部に煙突２０が立設されるように収容されている。煙突２０の主壁材２１は、例えばケイ酸カルシウム等の断熱材によって構成されている。主壁材２１の内面には鋼板等の内面材２２が設けられ、主壁材２１の外面には鋼板等の外面材２３が設けられている。煙突２０の内部に煙道２９が形成されている。

【0015】

煙突２０の断面形状は、四角形、円形等が挙げられる。シャフト１０と煙突２０の断面形状は必ずしも相似である必要はなく、例えばシャフト１０の断面は四角形であるのに対して、煙突２０の断面は円形であってもよい。煙突２０の下端部に、前記設備２からのガス導入管４が接続されている。煙突２０の上端部は、シャフト１０の上端部ひいては建物１の屋上から更に上方へ突出されている。

【0016】

シャフト１０の内面と煙突２０の外面との間に通気層１３が形成されている。シャフト１０の下端部には、ガラリ等からなる空気取り入れ口１４が設けられている。通気層１３の下端部が、空気取り入れ口１４と連なっている。シャフト１０の上端部にはガラリ等からなる空気排出口１５が設けられている。通気層１３の上端部が、空気排出口１５と連なっている。

【0017】

排煙放出設備２で発生した排煙ガスｇが、ガス導入管４から煙道２９の下端部に導入され、煙道２９内を上昇して、煙突２０の上端部から外部へ排出される。排煙ガスｇの熱が、煙突２０を厚み方向へ貫通して、通気層１３の空気に伝わり、該空気を媒介にしてシャフト１０に伝わる。

【0018】

建物内煙突構造３における熱の伝わり度合いに関わる主なファクター（伝熱条件）としては、下記が挙げられる。
ａ．煙道２９内の排煙ガスｇと煙突２０の内面との間の熱伝達率
ｂ．煙突２０の熱伝導率
ｃ．煙突２０の厚み
ｄ．煙突２０の外面と通気層１３内の空気との間の熱伝達率
ｅ．煙突２０及びシャフト１０の断面形状及び寸法
ｆ．通気層１３内における空気の換気流量
ｇ．通気層１３内の空気とシャフト１０の内面との間の熱伝達率
ｈ．シャフト１０の熱伝導率
ｉ．シャフト１０の厚み

【0019】

通気層１３内には、空気の加熱による上昇気流ａｃすなわち前記換気流量が発生する。上昇気流に伴って、建物内煙突構造３の外部の常温の空気が、空気取り入れ口１４から通気層１３内に流入する。通気層１３内を上昇した空気は、空気排出口１５から屋外へ排出される。これと一緒に、煙突２０の熱の一部が系外へ排出される。換気流量が大きいほど、煙突２０からの排熱量が大きくなる。

【0020】

換気流量は、空気取り入れ口１４での空気の温度、空気排出口１５での空気の温度、及び通気層１３の通気コンダクタンス（空気の流れやすさの度合い）に依存する。通気コンダクタンスひいては「ｆ．換気流量」を決めるサブファクターとしては、主に下記ｆ１～ｆ４が挙げられる。
ｆ１．空気取り入れ口１４から空気排出口１５までの高低差ｈ_１３
ｆ２．通気層１３の流路断面積
ｆ３．空気取り入れ口１４の開口面積
ｆ４．空気排出口１５の開口面積

【0021】

＜建物内煙突構造３の設計方法＞
図２のフローチャートに示すように、建物内煙突構造３は、次のようにして設計される。
設計にあたっては建物内煙突構造３の所定の高さｈｓにおいて内側から外側へ熱が定常的に伝わっているものとする。前記所定の高さｈｓは、好ましくはシャフト１０の中間高さより上側部分に設定し、より好ましくはシャフト１０の上端部近く（空気排出口１５の少し下）に設定する。
前記所定高さｈｓにおける熱の伝わりを解析する。解析は、フーリエの法則などの熱伝導の基本式及びニュートンの冷法則などの熱対流の基本式を応用した演算式を組み込んだ解析プログラムを搭載したコンピュータによって行うことが好ましい。

【0022】

＜設計伝熱条件の設定＞
解析にあたって、建物内煙突構造３の所定高さｈｓにおける内外方向への定常的な熱の伝わり度合いに関する設計伝熱条件を設定する。すなわち、前述したファクターａ～ｉの少なくとも一部を設計伝熱条件として設定する（ステップ１０１）。
ａ．煙突２０の内面での熱伝達率は、内面材２２の材質によって決まる。したがって、内面材２２の材質を選定することによって、煙突２０の内面での熱伝達率が設定される。
ｂ．煙突２０の熱伝導率は、主として、煙突２０の主壁材２１の断熱材質によって決まる。したがって、主壁材２１の材質を選定することによって、煙突２０の熱伝導率が設定される。
ｃ．煙突２０の厚みは、ステップ１０１においては、所要の煙突機能を果たす範囲内ないしは経験的な範囲内の暫定的な値を任意に設定する。
ｄ．煙突２０の外面での熱伝達率は、外面材２３の材質によって決まる。したがって、外面材２３の材質を選定することによって、煙突２０の面での熱伝達率が設定される。
ｅ．煙突２０及びシャフト１０の断面形状及び寸法は、建物１の設計情報に従って設定する。

【0023】

ｆ．換気流量については、ステップ１０１においては、シャフト１０及び煙突２０の断面形状及び寸法、空気取り入れ口１４と空気排出口１５との高低差ｈ_１３、空気取り入れ口１４の開口面積、空気排出口１５の開口面積などを勘案して、シャフト１０を冷やすのに必要な「必要換気流量Ｑ_１３ｓ」を設定しておく。
ｆ１．高低差ｈ_１３は、建物１の設計情報に従って設定される。
ｆ２．通気層１３の流路断面積は、シャフト１０及び煙突２０の断面形状及び寸法によって決まる。
ｆ３．空気取り入れ口１４の開口面積については、ステップ１０１においては、暫定的な値を設定しておく。
ｆ４．空気排出口１５の開口面積についても、ステップ１０１においては、暫定的な値を設定しておく。これによって、演算処理を簡単化できる。

【0024】

ｇ．シャフト１０の内面での熱伝達率は、シャフト１０の材質すなわちシャフト１０を構成するコンクリートの種類（普通コンクリートなのかＡＬＣなのか等）によって決まる。
ｈ．シャフト１０の熱伝導率についても、シャフト１０を構成するコンクリートの種類によって決まる。したがって、シャフト１０を構成するコンクリートの種類を選定することによって、シャフト１０の内面での熱伝達率及びシャフト１０の熱伝導率が設定される。
ｉ．シャフト１０の厚みは、建物１の設計情報に従って設定される。
煙突２０の各要素２１～２３の材質及びシャフト１０を構成するコンクリートの種類（材質）と熱伝導率とを紐付けたデータベースをコンピュータに格納しておき、材質を入力したら熱伝導率が読み出されるようにしてもよい。

【0025】

＜排煙ガスの想定温度の設定＞
また、煙道２９を通る排煙ガスｇの想定温度ｔｇｓを設定する（ステップ１０２）。想定温度ｔｇｓは、排煙放出設備２の種類等を考慮して、例えばｔｇｓ＝３５℃～６５０℃の温度範囲で設定する。前記温度範囲内の数℃～数十℃置きに、想定温度ｔｇｓを複数設定してもよい。前記温度範囲における高温側の温度を想定温度ｔｇｓとしてもよい。

【0026】

＜シャフトの予想温度算出＞
排煙ガスｇの想定温度ｔｇｓと設計伝熱条件ａ～ｉとに基づいて、所定高さｈｓにおける煙突２０の内面及び外面、並びにシャフト１０の内面及び外面の予想温度を算出する（ステップ１０３）。
排煙ガスｇの温度及び設計伝熱条件ａ～ｉの値が決まれば、フーリエの法則などの熱伝導の基本式及びニュートンの冷法則などの熱対流の基本式を応用した演算式によって、煙突２０の内面温度ｔ_２２、煙突２０の外面温度ｔ_２３、シャフト１０の内面温度ｔ_１２、シャフト１０の外面温度ｔ_１３が求まる。

【0027】

＜最適化工程＞
さらに、シャフト１０の外面の予想温度ｔ_１３が所定温度ｔ_１３ｓ以下（ｔ_１３≦ｔ_１３ｓ）となるよう、設計伝熱条件のうち「ｂ．煙突の熱伝導率」又は「ｃ．厚み」の最適値を求める（ステップ１０４）。すなわち、煙突２０の主壁材２１を構成する断熱材の材質（又はグレード）を選定したり、主壁材２１の厚みを設定変更したりすることによって、ｔ_１３≦ｔ_１３ｓとなるよう調整する。シャフト１０などの建物躯体の設計変更をする必要はない。

【0028】

＜判定工程＞
前記最適化工程後すなわち煙突２０の熱伝導率又は厚みを最適値としたときの空気排出口１５での予想空気温度ｔ_１５を算出する（ステップ１０５）。予想空気温度ｔ_１５は、排煙ガス想定温度ｔｇｓ、煙突２０の断面形状及び大きさ、煙突２０の熱伝導率、煙突２０と通気層１３との熱伝達率、通気層１３とシャフト１０との間の熱伝達率、シャフト１０の断面形状及び大きさ、シャフト１０の熱伝導率、外気温度（常温）、空気取り入れ口１４から空気排出口１５までの高低差ｈ_１３をファクターとして含む熱伝導・熱対流の演算式によって求めることができる。
好ましくは、ステップ１０５においては、排煙ガスｇの想定温度ｔｇｓを前記温度範囲内の最も高い温度に設定したときの、空気排出口１５での予想空気温度ｔ_１５を算出することが好ましい。

【0029】

さらに、空気取り入れ口１４と空気排出口１５との間の予想温度差（Δｔ_１３＝ｔ_１５－ｔ_１４）を算出する（ステップ１０６）。空気取り入れ口１４における空気温度ｔ_１４は、外部温度とほぼ等しいと考えることができ、例えばｔ_１４＝２５℃～３５℃の範囲で設定しておく。

【0030】

続いて、空気取り入れ口１４と空気排出口１５との間の高低差ｈｓ及び予想温度差Δｔ_１３、並びに空気取り入れ口１４及び空気排出口１５の開口面積に基づいて通気層１３の換気流量Ｑ_１３を再算出する（ステップ１０７）。
そして、換気流量算出値Ｑ_１３が必要換気流量Ｑ_１３ｓ以上であるか否かを判定する（ステップ１０８）。Ｑ_１３≧Ｑ_１３ｓであれば、設定伝熱条件ａ～ｉは許容範囲にあり、煙突構造設計は良好であると認定できる。すなわち、建物内煙突構造３を実際に可動したとき、シャフト１０の外面温度を許容温度以内に抑えることができる。これによって、排煙ガスｇの熱による建物１の高温化を防止することができる。

【0031】

＜再最適化工程＞
Ｑ_１３＜Ｑ_１３ｓのときは、煙突構造設計は不良であるから、煙突２０の熱伝導率又は厚みを「ｔ_１３≦ｔ_１３ｓ」が維持される範囲内で再度調節することで、Ｑ_１３≧Ｑ_１３ｓとなるようにする（ステップ１０４～１０８）。

【0032】

＜開口面積設定工程＞
煙突２０の熱伝導率又は厚みの調節だけでは、Ｑ_１３≧Ｑ_１３ｓとすることが難しい場合には、空気取り入れ口１４の開口面積を設定変更したり、空気排出口１５の開口面積を設定変更したりしてもよい。
空気取り入れ口１４及び空気排出口１５の開口面積の少なくとも一方を変更することによって、通気層１３の換気流量を変更でき、Ｑ_１３≧Ｑ_１３ｓとすることができる。シャフト１０などの建物躯体の設計変更をする必要はない。

【0033】

＜建物内煙突構造の実際的モデル＞
図３に示すように、実際の建物内煙突構造３Ａにおける煙突２０Ａは、複数の煙突ユニット２５によって構成されている。これら煙突ユニット２５が上下に積層されている。煙突ユニット２５は、建物１のフロアごとに設けられている。建物１の各フロアスラブ５には、シャフト１０内へ突出する張り出し部５ｂが設けられている。各煙突ユニット２５が、対応するフロアスラブ５の張り出し部５ｂに、支持アーム２６を介して支持されている。張り出し部５ｂが煙突２０の点検用通路として用いられる場合もある。張り出し部５ｂによって、通気層１３の断面積が狭くなっており、通気層１３に中間狭隘部１３ｃが形成されている。

【0034】

＜中間狭隘部流路断面積設定工程＞
煙突２０の熱伝導率又は厚みの調節だけでは、Ｑ_１３≧Ｑ_１３ｓとすることが難しい場合、ないしは、空気取り入れ口１４又空気排出口１５の開口面積を調節してもＱ_１３≧Ｑ_１３ｓとすることが難しい場合には、中間狭隘部の流路断面積を設定変更することによって、Ｑ_１３≧Ｑ_１３ｓとなるようにしてもよい。
例えば、張り出し部５ｂの張り出し量を調整することによって、通気層１３の換気流量を変更でき、Ｑ_１３≧Ｑ_１３ｓとなるようにできる。

【0035】

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、シャフト１０の内面温度が所定温度以下となるように、煙突の熱伝導率又は厚みを調節してもよい。
ステップ１０１～ステップ１０２の順序は、適宜入れ替えることができる。
煙突２０の熱伝導率又は厚み、空気取り入れ口１４の開口面積、空気排出口１５の開口面積等の調整によって通気層１３の自然換気だけで必要換気流量Ｑ_１３ｓ以上の換気流量を得ることが難しい場合には、通気層１３を強制換気させるファン、ブロアなどの強制換気手段を設けてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本発明は、例えば商業ビル、工場等の建物に設けられた煙突構造に適用できる。

【符号の説明】

【0037】

ｇ 排煙ガス
１ 建物
２ 排煙放出設備
３，３Ａ 建物内煙突構造
４ ガス導入管
５ フロアスラブ
５ｂ 張り出し部
１０ シャフト
１３ 通気層
１３ｃ 中間狭隘部
１４ 空気取り入れ口
１５ 空気排出口
２０，２０Ａ 煙突
２１ 主壁材
２２ 内面材
２３ 外面材
２５ 煙突ユニット
２６ 支持アーム
２９ 煙道

【図1】

【図2】

【図3】