The effect of stack height, stack location and rooftop structures on air intake contamination: A laboratory and full-scale study

Cliquez ici pour la version française de ce rapport_x000D_ La dispersion des émissions d'une cheminée située sur le toit d'un bâtiment de faible élévation en milieu urbain a été étudiée sur le terrain et en soufflerie. Les principaux buts de l'étude étaient lessuivants :_x000D_ _x000D_ évaluer l'influence de divers paramètres sur la concentration du panache aux emplacements types de prises d'air neuf ; parmi ces paramètres figurent la hauteur de la cheminée, le facteur d'impulsion, la turbulence, etc. ;_x000D_ évaluer les modèles de dilution récemment adoptés par l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE),_x000D_ évaluer le degré de précision de la modélisation en soufflerie ;_x000D_ fournir des lignes directrices visant à réduire le risque de réintroduction des émissions de la cheminée._x000D_ _x000D_ Des expériences avec gaz traceur ont été effectuées sur le toit d'un bâtiment de 3 étages du centre-ville de Montréal. L'hexafluorure de soufre (SF6) a été émis dans l’atmosphère à partir d'une cheminée de 1 m ou de 3 m de hauteur, et les essais ont été effectués à vitesse d'évacuation faible (wé ~ 7,5 m/s-1) ou élevée (wé ~ 17,5 m/s-1)._x000D_ Des échantillons d'air ont été recueillis jusqu'à 15 emplacements sur le toit ou sur des murs du bâtiment émetteur. Dans certains cas, des échantillons ont aussi été prélevés au mur sous le vent d'un bâtiment adjacent de 12 étages lorsqu'il se trouvait directement du côté au vent du bâtiment émetteur. Des échantillons ont été prélevés à intervalles de cinq minutes à chacun des emplacements en utilisant un système d'échantillonnage conçu et assemblé par l'IRSST. Dix échantillons ont été recueillis lors de chaque essai, dont la durée totale a donc été de 50 minutes. Des simulations des essais sur le terrain ont été effectuées dans la soufflerie à couche limite de l'Université Concordia, à une échelle de 1 : 200._x000D_ Suit un résumé des directives de conception formulées à partir des résultats obtenus dans le cadre de l'étude :_x000D_ Emplacement de cheminée : en présence d'un terrain en amont dégagé, il vaut mieux placer la cheminée près du centre du toit. De cette façon, la zone de recirculation du bord au vent du bâtiment est évitée, et l'élévation du panache, maximisée. De plus, la hauteur de panache nécessaire pour éviter tout contact avec les récepteurs au mur sous le vent se trouve minimisée._x000D_ En présence d'un bâtiment plus élevé au vent du bâtiment émetteur, le centre du toit peut ne pas constituer l'emplacement optimal de la cheminée en ce qui a trait aux récepteurs du bâtiment émetteur. Les concentrations sur la majeure partie du toit peuvent être réduites en plaçant plutôt la cheminée près du bord au vent du bâtiment. Cependant, ce choix d'emplacement aura pour effet d'accroître les concentrations au mur sous le vent du bâtiment adjacent (en amont)._x000D_ Hauteur de la cheminée : le fait d'augmenter la hauteur de la cheminée de 1 m à 3 m réduit les concentrations près de la cheminée par un facteur de plus ou moins deux ; loin de la cheminée (x > 20 m), l'effet devient négligeable ; une hauteur de cheminée d'au moins 5 m est nécessaire pour obtenir une réduction significative des concentrations à de telles distances._x000D_ Vitesse d'évacuation à la sortie de la cheminée : le fait d'augmenter la vitesse d'évacuation de la cheminée par un facteur de 2,5 réduit par le même facteur les concentrations près de la cheminée. Aux récepteurs éloignés (x > 20 m), l'effet de la vitesse d'évacuation dépend de la valeur de M (le ratio de la vitesse d'évacuation par rapport à la vitesse du vent). Lorsque M est faible (1,5 _x000D_ Comparaison entre les modèles 2003 et 1999 de l'ASHRAE : le modèle Dmin de l'ASHRAE (1999) est moins conservateur que le modèle Dr de l'ASHRAE (2003), et fournit une meilleure estimation dans le cas des échantillonneurs éloignés (S > 30 m)._x000D_ En situation de conception type lorsque M est faible (2,5 r de l'ASHRAE (2003) semble beaucoup trop conservateur, surtout en ce qui a trait aux échantillonneurs éloignés – il sous-estime en effet la dilution par un facteur de 10 dans le cas des récepteurs situés à plus de 30 m de la cheminée. Lorsque M est élevé (M ~ 10), par vent faible par exemple, le modèle Dr sous-estime la dilution des échantillonneurs situés près de la cheminée._x000D_ Emplacement des prises d'air neuf :le cas d'un bâtiment émetteur peu élevé dans le sillage d'un bâtiment plus élevé a tout spécialement été étudié. Lorsque le vent vient de la direction du bâtiment plus élevé :_x000D_ _x000D_ on ne devrait pas mettre de prises d'air au mur sous le vent du bâtiment au vent ;_x000D_ dans la mesure du possible, on devrait mettre les prises d'air au mur sous le vent du bâtiment émetteur._x000D_ _x000D_ Outre les directives de conception énoncées ci-dessus, cette étude a permis de dégager les observations qui suivent._x000D_ _x000D_ Les prédictions de concentration issues des essais en soufflerie ne présentaient souvent qu'un écart de 10 % à 20 % par rapport aux valeurs de terrain, et s'en écartaient généralement par un facteur inférieur à 2._x000D_ Certains écarts plus importants entre les données de soufflerie et de terrain ont été constatés lorsque le bâtiment émetteur se trouvait dans le sillage d'un bâtiment plus élevé. Cela pourrait s'expliquer par la faible intensité de la turbulence et (ou) l'absence de turbulence à grande échelle dans la soufflerie relativement à certaines configurations._x000D_ _x000D_ Les concentrations au mur sous le vent du bâtiment élevé étaient systématiquement trop élevées dans la soufflerie, par un facteur d'environ 3 en moyenne._x000D_ Les concentrations mesurées en soufflerie près de la cheminée du bâtiment émetteur étaient trop faibles, surtout lorsque M était faible._x000D_ Les concentrations mesurées sur le toit du bâtiment émetteur, aussi bien en soufflerie que sur le terrain, étaient comparables dans le cas des échantillonneurs éloignés de la cheminée._x000D_ _x000D_ Dans le cas des configurations avec terrain en amont dégagé, le modèle Dmin [ASHRAE (1999)] a estimé les dilutions minimales sur le toit de façon plus précise que le modèle Dr [ASHRAE (2003)]. Cela démontre bien la pertinence du modèle de dilution à deux composantes, où la dilution initiale et la dilution en fonction de la distance sont toutes deux prises en compte._x000D_ _x000D_ Les résultats obtenus sont encourageants dans la mesure où ils démontrent la capacité générale des données de soufflerie à refléter les situations de conception réelles, tout en soulignant les limites des modèles de l'ASHRAE quant à l'estimation des dilutions réelles pour certaines configurations de bâtiments et certains emplacements de cheminée. Les directives de conception fournies dans ce rapport seront très utiles à l'ingénieur en mécanique du bâtiment au moment d'aborder certains problèmes d'application complexes, à multiples facettes, à l'égard desquels les codes et les normes ne sont d'aucun secours ou ne s'appliquent que trop généralement._x000D_ Abstract_x000D_ The dispersion of exhaust from a rooftop stack on a low-rise building in an urban environment has been investigated using field and wind tunnel experiments. The major goals of the study were:_x000D_ _x000D_ to evaluate the influence of various parameters on plume concentration at typical locations of fresh air intakes. These parameters include stack height, exhaust momentum, upwind turbulence etc._x000D_ to evaluate dilution models that have recently been adopted by the American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE),_x000D_ to assess the accuracy of wind tunnel modeling; and_x000D_ to provide guidelines for reducing the risk of reingestion of stack emissions._x000D_ _x000D_ Tracer gas experiments were carried out on the roof of a 3-storey building in downtown Montreal. Sulfur hexafluoride (SF6) was emitted from either a 1 m or 3 m tall stack and the tests were performed for low exhaust speed (we ~ 7.5 m s–1) and high exhaust speed (we ~ 17.5 m s–1)._x000D_ Air samples were obtained at up to fifteen locations on the roof or wall of the emitting building. In some cases, samples were also obtained on the leeward wall of an adjacent 12-storey building when this building was located upwind of the emitting building. Five-minute samples were obtained at each location using a sampling system designed and built by IRSST. Ten samples were collected during each test and thus, the duration of each test was 50-minutes._x000D_ Wind tunnel simulations of the field tests were conducted in the boundary layer wind tunnel of Concordia University. The experiments were performed at a model scale of 1:200._x000D_ The following provides a summary of various design guidelines formulated on the basis of results obtained in the study:_x000D_ Stack location: For open fetch situations, it is better to place the stack near the center of the roof. In this way, the leading edge recirculation zone is avoided, thus, maximizing plume rise. In addition, the required plume height to avoid contact with leeward wall receptors is minimized._x000D_ For the case of a taller building upwind of the emitting building, the center of the roof may not be the optimum stack location for receptors on the emitting building. Concentrations over most of the roof can be reduced by placing the stack near the leading edge. However, this stack location will result in higher concentrations on the leeward wall of the adjacent building._x000D_ Stack height: Increasing the stack height from 1 m to 3 m reduces concentrations near the stack by approximately a factor of two. Far from the stack (x > 20 m), the effect is negligible. A stack height of at least 5 m is required to provide significant reduction of k at such distances._x000D_ Stack exhaust speed:Increasing stack exhaust speed by a factor of 2.5 reduces concentrations near the stack by the same fa

Fetched live from OpenAlex and de-inverted. Abstracts are not stored in this database: the inverted indexes are 8.6 GB of the frame’s 9.3 GB of text, and the host has 13 GB free.