厂房的自然通风

16.3.3　厂房的自然通风

厂房通风有机械通风和自然通风两种。机械通风是依靠通风机来实现通风换气的，机械通风要耗费大量的电能、设备投资及维修费用，但其通风稳定、可靠。自然通风是利用自然风力作为空气流动的动力来实现厂房的通风换气，这是一种既简单又经济的办法，但易受外界天气条件的限制，通风效果不够稳定。除个别的生产工艺有特殊要求的厂房和工段采用机械通风外，一般厂房主要采用自然通风或以自然通风为主，辅之以简单的机械通风。为有效地组织好自然通风，在剖面设计中应正确选择厂房的剖面形式，合理布置进风口、排风口的位置，使外部气流不断地进入室内，迅速排除厂房内部的热量、烟尘及有害气体，创造良好的生产环境。

1.自然通风的基本原理

单层厂房自然通风是利用空气的热压和风压作用进行的。

(1)热压作用

厂房内部各种热源排放出大量热量，提高了室内空气温度，使空气体积膨胀，密度变小而自然上升；室外空气温度相对较低，密度较大，便由外围护结构下部的门窗洞口进入室内，室内的热空气由厂房上部开的窗口(天窗或高侧窗)排至室外。进入室内的冷空气又被热源加热变轻，上升由厂房上部窗口排至室外。如此循环，就在厂房内部形成了空气流动，达到了通风换气的目的。这种利用室内外冷、热空气产生的压力差进行通风换气的方式，称为热压通风。如图16-30所示为热压通风原理。

图16-30　热压通风原理示意图

由于厂房内、外温度差所形成的这种空气压力差称为热压。热压愈大，自然通风效果就愈好。其表达式为

ΔP=g·H(RW－Rn)　　　　　　(16-5)

式中：ΔP——热压(Pa)；

　　　g——重力加速度(m/s²)；

　　　H——上、下进风口与排风口的中心距离(m)；

　　　R_W——室外空气密度(kg/m)；

　　　R_n——室内空气密度(kg/m)。

式(16-5)的物理意义是：热压值的大小与上、下进风口与排风口中心线的垂直距离和室内外空气密度差成正比。所以，在无天窗的厂房中，应尽可能提高高侧窗的位置，降低低侧窗的位置，以增大进风口与排风口的高差。而中部侧窗可以采用固定窗或便于开关的中悬窗形式。

(2)风压作用

根据流体力学的原理，当风吹向房屋时，迎风墙面空气流动受阻压力增加，超过一个大气压，迎风面形成正压区，用符号“+”表示。当风越过建筑物迎风面后，则风速加大，使建筑物顶面、背面和侧面均形成小于一个大气压的负压区，用符号“－”表示。如图16-31所示。在建筑物中，正压区的洞口为进风口，负压区的洞口为排风口。这样，就会使室内外空气进行流动。这种利用风压原理而使室内外通风的方法称为风压通风。

图16-31　风绕房屋流动形成风压示意图

一般情况下，室内自然通风的形成是热压作用和风压作用的综合结果。从组织自然通风设计的角度看，风压通风对改善室内环境的效果比较显著。但是，由于室外风速和风向经常变化，在实际通风计算时只考虑热压的作用，尽管各个风向的频率不等，但是风可以从任何方向吹来。所以，建筑设计应考虑各个风向都有进风口和排风口，合理组织气流，以达到通风换气的目的。应当指出，为了增大厂房内部的通风量，应考虑主导风向的影响，特别是夏季主导风向的影响。

2.自然通风设计的原则

(1)合理选择建筑朝向

为了充分利用自然通风，应控制厂房宽度，并使厂房纵向垂直于当地夏季主导风方向或不小于45°倾角。从减少建筑物的太阳辐射和组织自然通风的综合角度来说，选择厂房南北朝向是最合理的。

(2)合理布置建筑群

选择了合理的建筑朝向，还必须布置好建筑群，才能组织好室内通风。建筑群的平面布置有行列式、错列式、斜列式、周边式、自由式等，从自然通风的角度考虑，行列式和自由式均能争取到较好的朝向，自然通风效果良好。

(3)厂房开口与自然通风

一般来说，进风口正对出风口布置，会使气流直通，风速较大，但风场影响范围小。习惯上把进风口正对着出风口的风称为穿堂风。如果进风口、出风口错开，则风场影响范围增大。避免出风口都开在正压区一侧或负压区一侧的布置。

为了获得舒适的通风，开口的高度应低些，使气流能够作用到人身上。高窗和天窗可以使顶部热空气更快散出。室内的平均气流速度取决于风口的开口尺寸，通常取进风口面积、出风口面积相等为宜。

(4)导风设计

中轴旋转窗扇、水平挑檐、挡风板、百页板、外遮阳板及绿化均可以起到挡风、导风的作用，可以用来组织室内通风。

3.冷加工厂房的自然通风

冷加工车间内无大的热源，室内余热量较小，一般按采光要求设置的窗，其上有适当数量的开启窗扇和为交通运输设置的门，就能满足厂房内通风换气的要求。所以，在剖面设计中，以天然采光为主，在自然通风设计方面，应使厂房纵向垂直于夏季主导风向，或不小于45°倾角，并限制厂房宽度。在侧墙上设窗，在纵横贯通的端部或在横向贯通的侧墙上设置大门，室内少设或不设隔墙，以利于“穿堂风”的组织。为避免气流分散，影响“穿堂风”的流速，冷加工厂房不宜设置通风天窗，但为了排除积聚在屋盖下部的热空气，可以设置通风屋脊。

4.热加工厂房的自然通风

热加工厂房除有大量热量外，还可能有灰尘，甚至存在有害气体。所以，热加工厂房更要充分利用热压原理，合理设置进风口、排风口，有效地组织自然通风。

(1)进风口、排风口设计

根据热压原理，热压值的大小与进风口、排风口的中心线距离H成正比。所以，热加工车间进风口布置得越低越好。

我国南方、北方气候差异较大，不同地区的热加工厂房的进风口、排风口布置及构造形式也应不同。南方地区夏季炎热，且延续时间长、雨水多，冬季短、气温不低。南方地区散热量较大厂房的剖面形式，可以参考图16-32所示形式。墙下部为开敞式，屋顶设通风天窗。为防止雨水溅入室内，窗口下沿应高出室内地面60～80cm。因冬季不冷，不需调节进风口、排风口面积控制风量，所以进风口、排风口可以不设窗扇，但应设置挡雨板防止雨水飘入室内。

对于北方地区散热量很大的厂房，厂房剖面形式可以参考图16-33所示形式。由于冬季、夏季温差较大，进风口、排风口均需设置窗扇。夏季将下排窗开启，上排窗关闭。冬季将上排窗开启，下排窗关闭，避免冷风吹向人体。夏季可以将进风口、排风口窗扇开启组织通风，根据室内外气温条件，调节进风口、排风口面积进行通风。侧窗窗扇开启方式有上悬、中悬、立旋和平开四种。低侧窗宜采用平开窗或立旋窗，尤其以立旋窗为最佳选择。因为，立旋窗的开启角度可以随风向来调节，能得到最大的通风量。其他需开启的侧窗可以用中悬窗(开启角度可以达80°)，便于开关。上悬窗开启费力，局部阻力系数大，因此，排风口的窗扇也多采用中悬式。

图16-32　南方地区热加工车间剖面示意图

图16-33　北方地区热加工车间剖面示意图

(2)通风天窗的选择

无论是多跨热加工厂房或单跨热加工厂房，仅靠侧窗通风往往不能满足要求，通常还需在屋顶上设置通风天窗。通风天窗的类型主要有矩形和下沉式两种。

①矩形通风天窗

除无风速的情况以外，热加工厂房的自然通风是在风压和热压的共同作用下进行的。空气流动出现三种状态：

当风压小于热压时，不仅背风面排风口可以排气，迎风面排风口也能排气。但由于迎风面风压的影响，使排风口排气量减小，如图16-34(a)所示。

当风压等于热压时，迎风面排风口不能排气，但背风面排风口照样能排气，如图16-34(b)所示。

当风压大于热压时，迎风面的排风口不但不能排气，反而出现所谓“倒灌风”现象，如图16-34(c)所示。这时如果关闭迎风面排风口、打开背风面的排风口，则背风面排风口也能排气。风向是随时变化的，而要随着风向不断开启或关闭排风口是困难的。防止迎风面对室内排气口产生不良影响的最有效处理方法是，在迎风面距离进风口一定的地方设置挡风板。由于风的方向是不确定的，所以矩形天窗的两侧均应设置挡风板，无论风从何处吹来，均可以使排风口始终处于负压区内，如图16-35所示。设有挡风板的矩形天窗称为矩形通风天窗，也称为避风天窗。在无风时，车间内部靠热压通风；有风时，风速越大则负压区绝对值也越大，排风量也增大。挡风板至矩形天窗的距离以等于排风口高度的1.1～1.5倍为宜。

当平行等高跨上两矩形天窗排风口的水平距离L小于或等于天窗高度h的5倍时，可以不设挡风板，因为该区域的风压始终为负压，如图16-36所示。

图16-34　风压和热压共同作用下的三种气流状况示意图

图16-35　矩形通风天窗

图16-36　天窗互起挡风作用

②下沉式天窗

在屋顶结构中，一部分屋面板铺在屋架上弦上，另一部分屋面板铺在屋架下弦上，屋架上弦和下弦之间的空间构成在任何风向下都处于负压区的排风口，这样的天窗称为下沉式通风天窗。

下沉式天窗的优点是：可以使厂房的高度降低4～5m；减少了风荷载；由于不设天窗架和挡风板，屋架上的集中荷载比矩形通风天窗减少5%左右，相应地柱和基础断面将有所减少；节约建筑材料，降低造价，由于重心下降，抗震性能好。这种天窗的通风口处于负压区，所以通风稳定可靠，效果良好，布置灵活，热量排除路线短，采光均匀，因而应用比较广泛。其缺点是：屋架上、下弦受扭，屋面排水处理复杂，如设窗扇时，因受屋架形式的限制，构造复杂，同时，因屋面板下沉而使室内空间产生压抑感。

下沉式通风天窗有纵向下沉、横向下沉以及井式下沉三种布置方式。

纵向下沉天窗是沿厂房的纵向将一定宽度范围内的屋面板下沉，如图16-37所示。根据需要可以布置在屋脊处或屋脊两侧。若厂房很宽，室内散热量又大，则可以采用双列纵向下沉式天窗。

横向下沉式天窗是每隔一个柱距或若干个柱距，将整个跨宽的屋面板下沉，如图16-38所示。

图16-37　纵向下沉式天窗示意图

图16-38　横向下沉式天窗示意图

井式天窗是每隔一个柱距或若干个柱距将一定范围的屋面板下沉，形成天井形式。可以设在跨中，也可以设在跨边，形成中井式或边井式天窗，如图16-39所示。

除矩形通风天窗、下沉式通风天窗外，还有通风屋脊、通风屋顶，如图16-40所示。我国南方地区及长江流域一带，夏季气候较为炎热，这些地区的热加工车间，除采用通风天窗外，也可能采用开敞式外墙，即厂房的外墙不设窗扇而用挡雨板代替，如图16-41所示。

图16-39　井式通风天窗示意图

图16-40　通风屋顶示意图

③合理布置热源

在利用穿堂风时，热源应布置在夏季主导风向的下风位，进风口、出风口应布置在一条线上。以热压为主的自然通风热源应布置在天窗喉口下面，使气流排出路线短，减少涡流。设置下沉式天窗时，热源应与下沉底板错开布置。当有些设备(如转炉，电炉等)在生产时散发出大量的热量和烟尘时，为防止其扩散污染整个厂房，可以在这些设备上部设置排烟罩。

图16-41　开敞式厂房剖面示意图

④其他通风措施

在多跨厂房中，为有效地组织通风，可以将高跨适当抬高，增大进风口与排风口的高差。此时不仅侧窗进风，低跨的天窗也可以进风，但低跨天窗与高跨之间的距离不宜小于24～40m，以免高跨排出的污染空气进入低跨。在厂房各跨高度基本相等的情况下，应将冷跨、热跨间隔布置，并用轻质吊墙把二者分隔，吊墙距地面3m左右。实测证明，这种措施通风有效，气流可以源源不断地由冷跨流向热跨，热气流由热跨通风天窗排出，气流速度可以达1m/s左右。