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Rapports de recherche scientifique

Année de publication

2004

Langue

Français

Résumé

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 :

  1. 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. ;
  2. évaluer les modèles de dilution récemment adoptés par l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE),
  3. évaluer le degré de précision de la modélisation en soufflerie ;
  4. fournir des lignes directrices visant à réduire le risque de réintroduction des émissions de la cheminée.
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).

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.

Suit un résumé des directives de conception formulées à partir des résultats obtenus dans le cadre de l'étude :

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.

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).

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.

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 < M < 4,5), ce qui est couramment le cas lorsque la vitesse du vent dépasse 5 m/s, le fait d'augmenter la vitesse d'évacuation peut ne pas être bénéfique aux récepteurs éloignés étant donné que l'élévation du panache risque de ne pas être suffisante pour les éviter. Par contre, par vents faibles, le fait de doubler la vitesse d'évacuation peut faire en sorte que M soit suffisamment élevé pour que les concentrations se trouvent réduites sur toute la surface du toit.

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).

En situation de conception type lorsque M est faible (2,5 < M < 3,5), le modèle Dr 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.

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 :

  • on ne devrait pas mettre de prises d'air au mur sous le vent du bâtiment au vent ;
  • dans la mesure du possible, on devrait mettre les prises d'air au mur sous le vent du bâtiment émetteur.

Outre les directives de conception énoncées ci-dessus, cette étude a permis de dégager les observations qui suivent.

  • 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.
  • 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.
    • 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.
    • Les concentrations mesurées en soufflerie près de la cheminée du bâtiment émetteur étaient trop faibles, surtout lorsque M était faible.
    • 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.
  • 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.

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.

Abstract

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:

  1. 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.
  2. to evaluate dilution models that have recently been adopted by the American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE),
  3. to assess the accuracy of wind tunnel modeling; and
  4. to provide guidelines for reducing the risk of reingestion of stack emissions.

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).

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.

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.

The following provides a summary of various design guidelines formulated on the basis of results obtained in the study:

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.

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.

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.

Stack exhaust speed: Increasing stack exhaust speed by a factor of 2.5 reduces concentrations near the stack by the same factor. For distant receptors (x>20 m), the effect of exhaust speed depends on the M-value (the ratio of exhaust speed to wind speed). In the low M range (1.5

ASHRAE (2003) vs ASHRAE (1999) model: The ASHRAE (1999) Dmin model is less conservative than the ASHRAE (2003) Dr model and significantly better for distant samplers (S>30m).

For the typical design situation of low M cases (2.5r model appears to be overly conservative, especially for distant samplers – it underestimates dilution by a factor of 10 for receptors located more than 30 m from the stack. For high M cases (M~10), i.e. low wind speed, the Dr model is unconservative for samplers near the stack.

Placement of fresh air intakes: The case of an emitting low building in the wake of a taller building was particularly investigated. For wind coming from the direction of the taller building:

  • intakes should not be placed on leeward wall of upwind building.
  • intakes on emitting building should be placed on its leeward wall if possible.

In addition to the design guidelines above, the following conclusions stem from this study.

  • Wind tunnel predictions of concentration were often within 10-20% and generally within a factor of 2 of the field values.
  • Some discrepancies between wind tunnel and field data occurred for the emitting building in the wake of a taller building. This may have been due to low turbulence intensity and/or the absence of large-scale turbulence in the wind tunnel for some configurations.
    • concentrations on leeward wall of tall building were consistently too large in wind tunnel, by approximately a factor of 3 on average;
    • wind tunnel concentrations measured near the stack on emitting building were too small, especially for low M cases;
    • wind tunnel and field concentrations on emitting building roof were similar for samplers far from the stack.
  • For the open fetch configurations tested, the Dmin model [ASHRAE (1999)] more accurately predicted minimum dilutions on the roof, compared to the Dr model [ASHRAE (2003)]. This demonstrates the usefulness of the two-component dilution model in which initial dilution and distance dilution are taken into account.

The results are encouraging because they demonstrate the general adequacy of the wind tunnel data to represent real design situations and the limitations of the ASHRAE models to predict real dilutions for particular building configurations and stack locations. The design guidelines provided in this report will be very helpful to the typical ventilation design engineer to tackle a multi-faceted complicated problem, for which codes and standards are either mute or extremely general to apply to particular real conditions.

Mots-clés

Cheminée, Chimney, Recirculation de l'air, Recirculation of industrial exhaust air, Choix de l'emplacement, Choice of location, Contrôle de la contamination atmosphérique, Monitoring for air contamination, Emplacement de prise d'air, Location of air inlet, Soufflerie, Wind tunnel, Laboratoire d'essai, Test laboratory, Modèle, Model

Numéro de projet IRSST

0099-0230

Numéro de publication IRSST

R-391

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