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工业厂房自然通风设计存在的问题及局限性
来源: | 作者:environment-100 | 发布时间: 1381天前 | 2057 次浏览 | 分享到:
0引言

近些年来，随着工业经济的迅速发展，企业生产能力扩大及技术改造的过程中，由于工业厂房内空气环境质量差，造成操作工人不适，进而极大地影响了生产效率的问题日益得到了重视，不少企业在项目建设过程中也逐渐把厂房内环境质量的改造作为了一项很重要的内容进行考虑。工业厂房在生产过程中不可避免地会产生大量的烟尘、水汽或散发出大量余热，而做好厂房的自然通风设计，合理组织内部气流流向，则是改善内部空气质量的有效办法；同时，自然通风作为一种被动冷却方式，可在不消耗不可再生能源的情况下降低室内温度，带走浑浊受污染的空气，改善室内热环境，是一种非常节能的技术措施。

1自然通风的影响因素及基本原理

与以风机为动力的机械通风有本质的不同，自然通风最基本的动力是风压和热压。在具有良好的外部风环境的地区如沿海地区及空旷地带，风压可作为实现自然通风的主要手段，这在我国许多建筑中事实上早已得到了广泛地应用，利用风压促进建筑的室内空气流动，改善室内的空气环境质量。当风吹向建筑物时，在迎风面上由于空气流动受阻，风速减小，使得风的动压转换为静压，在建筑物迎风面上的压力大于大气压，形成正压区，而建筑物的背风面、屋面气流环绕过程中形成负压区，为平衡该压力差，气流就会从迎风面上的门洞等流向室内，再从室内向外流向负压区。利用热压形成自然通风主要是利用建筑物内部上下空气压差所形成的热压作用，即通常所说的烟囱效应(stack effect ventilation)。热空气由于密度差而上浮，通过建筑物上部的排风口排出室外，室外密度较大的空气因此从建筑物下部的开口流入室内，进入空气被加热后再次上浮，从而形成连续不断的气流流动。热压作用与进出风口的高差有关和室内外空气的密度差有关，室内外空气密度差和进出风口高差越大，则热压作用越显著。


通常在建筑物的自然通风设计中，风压和热压的作用是同时存在的，但由于风压作用的随机性、多样性决定了一般以考虑热压作用为主。在建筑进深较小的部位多利用风压作用直接通风，而进深较大的部位多利用热压来形成自然通风效果。


2工业厂房自然通风设计问题分析


工业厂房通风设计主要目的在于通过合理的设计，形成合理的室内气流组织，以有效消除生产过程中散发的大量余热及污染物，创造良好的工作环境。由于工艺情况的复杂性、地区气候的差异性、建筑形式的不同，不同的情况需区别对待。


2.1建筑朝向及进排风口位置的选择


工业厂房的通风设计必须合理地确定建筑朝向和进排风口位置。为了得到良好的通风条件，在工厂总图布置时需仔细研究当地的风玫瑰图，在合理利用地形的前提下，尽量使厂房的主要进风面朝向夏季主导风向。但当夏季主导风向为偏西向时，需注意避免西晒的问题。若以强化自然通风为主，则需采取遮阳措施避免西晒问题；若以防西晒为主，则可采用调整窗扇开启方向的方法，利用窗面作为导风板以起到迎风的作用。按热压作用自然通风的基本原理，加大进排风口的高差有利用自然通风的形成。通常情况下，厂房的排风可采用高侧窗，而对于散发大量余热的热加工车间，为保证排风的稳定，多采用避风天窗。对于进风则多利用进风侧窗和门洞，进风侧窗的高度选择在实际的工业建筑设计中大多数并没有按地区差异有所区别对待，需要注意的是，一般情况下，对于夏热冬暖地区的工业厂房可适当降低进风侧窗的标高，尽可能多设置大门、门洞等；而对于寒冷地区的工业厂房，为防止冷风直接吹向工作地点，冬季自然通风采用上层侧窗进风，其下缘距室内地面不宜小于4m。


2.2合理组织气流通路


按热压作用工业厂房的自然通风原理，在设计过程中应尽量降低中和面的高度，因为中和面低，才可能使室外进入厂房的新鲜空气绝大部分或全部经过工作区，这对降低工作区的温度，提高自然通风的效果有显著的作用；另外，在通风量一定的情况下，降低中和面即可以减少排风天窗的开口面积，从而可以大大减少厂房土建工程的造价。所以，在工业厂房的设计过程中，应力求降低中和面，即要求下部进风窗的面积不小于排风天窗的开口面积。在实际工程设计中，经常出现的情况往往是，某些热加工厂房由于缺乏合理规划，或仅仅从工艺生产的需要单方面考虑，造成辅助设施建筑把主体厂房周边围得严严实实，使得厂房进风窗面积无法满足要求；而同时在许多设计实践中又未经合理地分析，随意加大天窗面积，造成土建投资的无谓浪费，而通风效果却不是很理想。因此，在工业厂房的工程设计中，应在不影响工艺生产需要的前提下，尽量把阻挡在厂房侧墙的辅助建筑移位，以留出足够的进风面积，保证自然通风的效果。而若厂房周边由于被阻挡地严严实实，为了通风换气需要又不得不设置全面机械通风，不但屋顶通风机的安装增加了不少工程投资，风机运转电耗也使得每年的电费支出是笔不小的数目，可见合理的自然通风设计带来的经济效益是巨大的。


2.3多跨联合厂房的自然通风设计应给与足够的重视


现如今随着工业生产规模化的需要，多跨联合厂房大有增加的趋势。这类工业厂房不但散热量较大，工艺情况复杂，而且跨数多，总宽度有的甚至达150多米以上。工业厂房工程设计中，尤其是热加工厂房或是散发污染物较多的厂房，为了有良好的自然通风效果，一般在建筑及生产工艺布局上，希望在热跨等中部留出露天跨或是天井，这样做有利用内部通风，提高厂房内区环境空气质量。然而，在笔者参与设计的大多数工业厂房项目中，往往由于工艺生产的需要，很难做到这一点。许多工程设计中的厂房由于跨数较多，尤其是多数厂房考虑到结构形式的简洁、屋面雨水排放方便等因素，往往仅在中跨厂房屋脊线处设置排风天窗或气楼，从而使得厂房进深过大，很难得到有效的自然通风换气。对于此类问题的解决办法，多数文献中也提到可采用冷热跨交替的布局，使得冷跨天窗进入的新鲜空气流经热跨的工作区，再经热跨天窗排出。然而，在笔者近几年来的工程设计实践中发现，无论从工艺布局，还是建筑设计角度看，因种种限制往往要做到如此理想的状况并不容易。实际工程设计中，笔者认为可操作的方案一般有以下两种：其一是在厂房屋面与屋脊线垂直的方向设置多条通风天窗或气楼，其长度可延伸到边跨，从而增加了通风天窗开口面积，减少了厂房进气深度，但对于如何合理组织通风气流，以及该方案的有效性等还需进一步的推敲和探讨；其二是在厂房的中部区域（内区）采用机械送风的方式直接送入一部分室外新鲜空气，送风口的设置以工作区的高度为准，风口多采用空气分布器等以保证向工作区的送风风速不致过大，排风则通过屋面天窗，该方案可视作机械辅助通风的自然通风方式。


3工业厂房自然通风应用的局限性


任何一项工程技术，在其应用中必然也有一定局限性。笔者在多年的工程设计实践中，觉得在某些情况下，工业厂房应用自然通风设计还是需要慎重、再三权衡考虑的。如寒冷地区的工业厂房，冬季采暖期为了保持车间内一定的采暖设计温度，必须考虑防止热量散失的措施，如增强厂房围护结构的密闭性等，这与自然通风的进排风要求有一定的矛盾，因此在设计过程中必须考虑进排风窗、孔可以有选择性地关闭、开启的可能性，需有相应比较可靠方便的操作机构。另外，对于工艺生产有大量焊接作业，从而有大量焊接烟尘产生的工业厂房，进风侧窗、排风天窗的设置尽管可以满足自然通风的需要，但是一般来说对于排出悬浮在“合适高度”的焊接烟尘，却往往效果不佳，因此在该类型的工业厂房中，不能简单地考虑自然通风了事，而必须采取一定的附加技术措施或考虑其它更为可行的方案，以保证厂房内良好的工作环境。


4结语


自然通风作为一种经济有效的通风方式，在工业厂房的通风设计中越来越凸显出其一定的优越性，作为一种节能的通风方式应给与足够的重视。在目前设计院所由于客观条件限制或其它种种原因如设计周期过短，以及传统的射流理论分析方法导致自然通风气流流动分析较大的误差等等，通常情况下目前对于工业厂房的自然通风设计大多数还只是基于定性的、经验的判断，对于方案的可行性、气流组织的有效性等还缺乏有针对性的分析、验证手段。而近些年来计算流体力学（Computational Fluid Dynamics)得到了长足的发展，作为一种数值模拟仿真技术，CFD方法成本低、速度快，完全可以应用于自然通风设计中进行室内空气流动情况、污染物分布的分析模拟和预测，或是对基于经验、定性分析的气流组织方案进行更加精确地判断与验证。目前对于自然通风可应用CFD技术进行数值模拟分析的软件也很多，如AIRPAK、FLOVENT、STAR-CD等，这些软件对于空气流动模型、室内空气分布情况、温度及湿度、污染物分布情况等可进行有效地分析，笔者认为在目前的厂房通风设计中为解决各种复杂多变的情况，作为设计院所同样应大力推广应用CFD技术。