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     近些年来,随着人们物质文化生活水平的不断提高和工业产品质量高品位化的需求,对工业厂房内环境质量的要求愈来愈高。而提高厂房内环境质量的重要环节,则是加强和改善厂房的自然通风设计,组织好厂房内部的进、排气流,使厂房内获得应有的新鲜空气,并带走影响工人健康和产品质量的大量余热、污浊气流和有害气体。因此,如何作好厂房的自然通风设计,不容置疑的成为工业建筑设计中一个非常重要的方面,应引起建筑师的足够关注。但是,在目前的厂房自然通风设计中,还存在着一些急待改进的问题,不同程度的影响了厂房的使用功能和内环境质量,给工业生产造成一定的损害。特别是在我国加入ＷＴＯ的今天,以钢铁工业为代表的一大批新建和扩建的大型工业厂房正在酝酿研究和规划设计之中。因此,尽快提高厂房自然通风设计水平,已成为急不可待需要解决的关键课题。笔者认为,当前在厂房自然通风设计中,应注意改进、解决诸多问题。 
1　进、排气口面积必须合理协调 
厂房自然通风是利用厂房内外空气的温度差所形成的热压作用和室外空气流动时产生的风压作用,使厂房内外空气不断交换,形成自然通风。但由于风压作用受自然条件限制,具有多变性,无风时即无风压作用,因此不宜作为厂房自然通风的动力考虑。按照有关规定,在热加工厂房自然通风的设计计算中,仅考虑热压作用,风压作用只作为一项补充因素,不参与通风计算。热加工车间在生产过程中,散发大量的余热和灰尘等污浊气体,恶化了厂房内部环境,必须通过有效地组织厂房自然通风,迅速排除余热和污浊气体而改善内环境质量。当厂房高度和生产散热量为一定时,合理协调进、排气口面积,是提高厂房自然通风效果的关键所在。图1所示为在热压作用下的厂房自然通风原理图。图中Ｆ1为进气口面积、Ｆ2为排气口面积、Δｐ1为进气压力、ΔΡ2为排气压力、中和面以上为排气区、中和面以下为进气区。 
由原理图可明显看出:厂房自然通风设计的原则应该是尽量设法降低中和面的位置。因为中和面的位置低,就意味着由室外进入厂房内的新鲜空气,绝大部分或全部都流经作业区范围。显然,这对降低作业区温度、提高作业区空气质量,即提高自然通风效果,将起着决定性作用。另外,中和面的位置愈低,则图中的ｈ2值就愈大,而ｈ2值愈大,则排气压力Δｐ2就愈大。在排气量一定的前提下,增大排气压力Δｐ2就意味着可减小排气口———天窗开口面积Ｆ2。不言而喻,减小天窗开口面积,必然对减少厂房结构断面、降低厂房土建工程投资起到较大的作用。 
由自然通风原理可知,当进、排气量为定值时,降低中和面位置的关键手段,就是合理协调进、排气口面积的比值。当进气口面积Ｆ1大于排气口面积Ｆ2时,则中和面的位置即低,反之,当排气口面积Ｆ2大于进气口面积Ｆ1时,则中和面的位置即高。当不考虑局部机械通风的影响时,由厂房进气量等于排气量的原理,即可推导出以下计算公式:ｈ1=ＨＦ22Ｆ21+Ｆ22(1)ｈ2=ＨＦ21Ｆ21+Ｆ22(2)　　由式(1)和式(2)计算可知,当进气口面积和排气口面积相等,即Ｆ1=Ｆ2时,则中和面的位置居于进、排气口中心线间距Ｈ之中,即ｈ1=ｈ2,如图1所示。当进气口面积为排气口面积的12,即Ｆ1=Ｆ22时,则中和面位置很高,此时ｈ1=45Ｈ,ｈ2=15Ｈ,如图2所示; 
当进气口面积为排气口面积的13,即Ｆ1=Ｆ23时,则如图3所示,中和面的位置更高。这种情况下,其ｈ1=910Ｈ,ｈ2=110Ｈ。有时甚至天窗的一部分也将成为进气口(即天窗口的部分高度位于进风区,如图3所示)。显然,这种情况的出现,就是组织自然通风的可悲后果了。 
由图中可见,图2和图3所示的情况,由于其ｈ2值很小,因而导致排气压力Δｐ2的值也很小,甚至出现部分天窗面积的Δｐ2为负值,此种情况下,尽管设置了高大的天窗,很大的排气口面积Ｆ2,但是由于其排气压力很低,没有充分发挥天窗的排气功能,即虽然花费了较多的天窗投资,却没有取得应有的通风效果。另外,由于中和面的位置很高,也必然降低了作业区的空气质量,这也是厂房自然通风设计所不能接受的结果。 
可见,在厂房自然通风设计中,必须合理协调进、排气口面积,力求进气口面积不小于或大于排气口面积,这应该是提高自然通风效果的极为重要和有效的技术措施。然而,在实际工程设计中,某些热加工主体厂房,由于缺乏精心的合理规划,造成公辅设施建筑和生活福利建筑,把主体厂房围得严严实实、水泄不通,使厂房失去了大片可开设进气口的宝贵位置,而厂房自然通风设计中,又未认真进行研究推敲,只是迁就于既定的建筑设计现状,不管合理与否,消极的拼命加大天窗面积,将天窗高度加大至8ｍ左右,结果导致进气口面积不足排气口面积的13,使厂房自然通风模式形成如图3所示极不合理的状况,虽然为厂房自然通风天窗增加了大量建设投资,却未获取应有的通风效果,完全可以说是得不偿失!当然,有时也并非设计原因,比如有的建设方看到国外某座纯机械通风的无窗厂房,就一孔之见的不论前提条件,片面追求无窗的做法;更有甚者有的建设方,为了简化日常管理,免去擦窗麻烦,将已建成的厂房进气窗全部封死,真可谓典型的因噎废食之举,令人不可思议。 
总之,厂房自然通风设计,绝对不能停留在只是根据既定的建筑布局,单纯的通过通风计算来决定天窗开口面积。可以说这只是消极的设计。积极的设计应该是认真地进行分析研究,反复试算、修改,合理协调进、排气口面积,力求以最低的经济投资,获取最佳的通风效果。具体而言,就是在进行厂房自然通风设计时,首先要在满足通风量需要的前提下,力求取得较低的中和面位置,即争取将进风口面积集中开设在下部作业区范围内。也就是说,要尽最大努力将堵靠在厂房侧墙部位的辅助建筑移位,为进风口让出宝贵的下部侧墙面。因某种原因实在搬不走的,则要将其下部架空,为主厂房留取进风口位置。这样做表面上看出也许要多花一些投资,但与提高厂房内环境质量相比是值得的。而且即使在经济上,最终也不见得多花钱。因为如果堵塞了厂房进气口,造成Ｆ1和Ｆ2的比例失调,中和面位置提高,势必显著降低排气压力而导致天窗面积大增,而抬高天窗所花费的投资,完全有可能高于辅助建筑下部架空的投资。 
经过上述努力,争取到最大的下部进气口面积之后,若仍不能满足进气量要求时,则可结合寒季进气的需要,开设标高4ｍ以上的第二排进气口,以达到扩大进气口面积的目的。对于散热量很大的多跨厂房而言,也许采取以上措施后,仍不能满足进气面积的需要,此时也可采用冷跨(或低温跨)天窗和高侧窗进气的措施。当然,高侧窗进气也许会出现进气短流的现象,但即使如此,也是不得已而为之的,因为毕竟还可以起到带走部分余热的作用。 
2　应尽量避免进气短流现象 
所谓进气短流,系指由进气口进入厂房内的新鲜空气,在未进入作业区范围之前,就已经被加热而上升至天窗排气口排出室外的现象。显而易见,这样的进气,没有起到提高作业区空气质量和改善作业区热环境的作用。因此,为提高厂房自然通风效果,应尽量避免这种进气短流的现象。 
前面所述的高侧窗进气,即会造成进气短流现象。除了上述特殊情况之下不得已而为之的原因之外,一般情况下是应该尽量避免的。因为花费较多的投资,设置大面积的高侧窗,而又发挥不了应有的作用是得不偿失的。这也就说:通常设置在厂房吊车轨面以上的高侧窗,没有必要设计为开启窗,采用造价低廉的固定式采光带即可。但是考虑到吊车检修时操作人员的换气需要,尚须每隔一定距离在该采光带上设置一个换气口。当然,在某种情况下,为节省投资起见,有时自然通风设计将高侧窗作为排气口考虑,此种情况下当然需做成开启式窗。但为了避免因风压作用大于热压作用时出现倒灌现象,而扰乱了厂房的自然通风组织、恶化了室内环境,因此当设计采用高侧窗作为排气口时,必须像避风天窗一样,设置挡风板装置。造成厂房进气短流现象的因素有多种,因此在进行自然通风设计中,应仔细分析、对症下药、采取有效措施,尽量避免出现这种现象。比如当厂房内的热源布置靠近厂房外墙侧时,进气必然出现短流现象,此种情况下最好的解决办法是改变厂房布置,但有时较为难办,只有采取在热源间断部位多开窗、开大窗,某种情况下,即使较高位置也应开窗,以弥补进气短流所造成的损失。 
3　对多跨热加工厂房的自然通风设计,必须采取有效的措施在大型钢铁企业中,有一些多跨热加工厂房,如热轧带钢厂的热卷库、热轧型钢厂的冷床区等等。这类厂房内不但散热量很大,而且是多跨,有的厂房宽度竟达150ｍ以上。因此是厂房自然通风设计中的老大难。由于厂房很宽,仅靠两侧外墙进气,不但进气口面积无法满足要求,而且进气深度也远远无法达到。对于厂房中部而言,无可避免地将形成全面进气短流。此种情况下,如果不采取有效措施,只是勉强通过自然通风计算求得天窗面积,再多的天窗也难以满足要求。必须广开思路、另辟新径,采取有效措施,才是自然通风设计的出路。 
3 1　在热跨中部留取空跨或天井这需要工艺设计人员的密切配合。有的工艺设计人员认为:因自然通风的原因而大动干戈、改变布局,似乎是小题大作。其实这样做不仅是有利于通风、提高内环境质量及有利于工人健康,而且可因此举加速钢卷或型材的自然冷却速度,从而缩短生产运作进程,显然这对生产工艺也是大有益处的,所以并非小题大作。在以往的个别工程中,曾采取过留天井做法的实例,并取得了较好的效果。实践证明此办法是对症下药的灵验之举,并且也是切实可行的。 
3 2　采取冷热跨交替的布局,利用冷跨(或低温跨,以下同)天窗进气在以往的工程设计中,采用这种做法的实例并不鲜见,也取得了一定的效果。但关键问题是必须做到在冷热跨之间设置距地面3ｍ左右的悬墙(见图4),这样才可以使由冷跨天窗进入的新鲜空气流经热跨的作业区,再经热跨天窗排出。该悬墙的另一个作用是防止热跨上升的热气流侵入冷跨,使冷跨天窗不是进气,而成为热跨天窗排气的补充设施了。在以往的某工程设计中,由于在冷热跨之间未设置该悬墙,效果很不理想,究其原因就是冷跨天窗未很好的起到进气作用,而成为热跨排气的补充天窗,即使偶尔进气,也必然形成进气短流。当然效果是不会好的。 
3 3　设置地道进风当无条件采取上述留天井或冷热跨交替布局时,对中部的热跨可采取地道进风的做法。即通过地道将室外新鲜空气导入厂房中部。如果在地道入口加设送风动力设施,或将地道与其附近的地下设施空间连通,形成地下低温气流送风,其效果会更佳。尽管目前尚未有实际测试数据说明地道进风的实效,但某些民用建筑在夏季利用地下空间的低温气流实施空调的良好效果,是可以间接证明这种做法的可行性的。3 4　设置空调乘凉室这类多跨热厂房,即使采取了上述某些措施,也难以完全摆脱高热的环境。因此,有必要结合其他辅属设施的需要,设置一定数量的空调乘凉室。操作人员可以利用生产间隙,间断的在此乘凉,以缓解疲劳、恢复体力。 
4　不应忽视冷加工厂房的通风换气问题在厂房自然通风设计中,存在一个误区,即一提到自然通风,就只是与热车间有关的事情。因冷加工厂房内不散发余热或仅散发很小的热量,使当前按热压作用进行自然通风设计计算的工作,失去了依据。因而也就很少有人问津冷加工厂房的通风换气问题。笔者曾对我国南方地区的一些冷加工厂房的夏季室内热环境,做过专门调查。调查中发现,重庆、武汉、湖南、太原等夏季气温较高地区的绝大多数冷加工厂房的夏季室内热环境质量很差。尽管厂房内散发的生产余热很小,但由于屋面辐射热和通风换气不良,导致闷热难当,且油污气味令人难忍。工人叫苦连天,普遍反映有头晕、烦燥、厌食等症状。而屋顶设置了采光天窗的厂房,由于部分玻璃窗扇为开启状态,起到通风换气作用,其室内热环境明显要好得多。因此,对于南方地区及北方夏热地区的冷加工厂房,除了必须设置屋面隔热层之外,设计上还必须创造良好的通风换气条件。两跨及以下厂房,可以利用高侧窗进行通风换气,多跨厂房则必须结合采光需要,设置足够的天窗,以解决通风换气及采光问题。对于规模较小的厂房,亦可采取设置通风屋脊的办法来解决通风换气问题。因为是冷加工厂房而忽视通风换气的设计是不可取的。 
5　必须注意解决通风天窗的飘雨问题近些年来,屡屡出现通风排气天窗严重飘雨的问题,给生产造成一定的损失。厂房自然通风设计,解决了厂房的通风排气问题,却带来了飘雨的弊端,这是厂房使用功能所不能接受的。因此,设计中必须认真予以解决。目前一般常用的是矩形通风天窗。在以往的设计中,矩形通风天窗或在天窗垂直口设挡雨板(图5),或在天窗水平口设挡雨片(图6),其中在水平口设挡雨片的做法,无论通风效果或防飘雨效果,均优于前者,所以在工业厂房中应用比较广泛。从直观道理上讲,这种构造的天窗是可以做到直线封闭挡住任何角度的飘雨(见图6),但实际上这只是对直线雨而言,当风雨受到某种阻力后,会形成变异的涡流风雨,此时其飘雨角可能出现0°角,甚至会出现负角度现象,即风雨呈弧线上飘。此种情况下,这种天窗的飘雨就是不可避免的了。某大型厂的厂房设计即采用了这种类型的通风天窗,在当地的一次特大风雨中,由于风雨受山阻挡之后,局部形成变异的涡流风雨,导致天窗严重飘雨,反映十分强烈。因此,这种类型的矩形通风天窗,只能用于排风量要求大、对防飘雨要求不严或无大风雨地区的工业厂房。 
近些年来,随着产品质量和厂房内环境质量要求的不断提高,有的大型厂房设计采用了如图7所示的全封闭矩形通风天窗。由图示可见,这种天窗的防飘雨性能极佳,可以说在任何风雨情况下,均不会出现飘雨现象。但这种天窗的排风局部阻力系数ξ值很大,为一般矩形通风天窗的4～5倍。但尽管如此,为了防止产品受损及提高厂房内环境质量,还是应该推广应用这种全封闭式的矩形通风天窗。特别是在有大风雨的地区,以及在防飘雨要求较严的工业厂房设计中,更应首选这种天窗。】 
在某些厂房高度较高而跨度又不大的厂房自然通风设计中,为节省投资而采用了高侧窗排风的做法。但由于设计构造不周,出现了严重飘雨现象。究其原因,其一是由于该高侧排风窗的位置不是设在厂房檐口部位,在排风窗之上还留有较高的一段实墙面(图8),因此,当大风雨的风吹向实墙面时,则受阻的风雨将在排风窗的上口形成一个威力较猛的涡流区,从而将大量的雨水旋入厂房内。其二是这种高侧排风窗与屋顶通风天窗相比,其最大的区别是通风口的下部为开敞空间,无屋面遮挡。因此,大风雨时,风雨可由下部空间直接灌入厂房内(见图8)。 
为此,建议可按下述原则进行设计及构造(见图9):(1)将高侧排风窗的位置设在紧靠厂房的檐口部位,排风窗上部严禁留有实墙面,避免产生涡流而导致飘雨。(2)将高侧排风窗的垂直挡风板加高,设计成象全封闭式矩形通风天窗的挡风板一样,挡风板上部折向屋面成倾斜状,以防止任何角度的飘雨。(3)在高侧排风窗下口部位的墙面与垂直挡风板之间,增设水平遮风板(图9),且不留设排雨水的缝隙。这样一方面可避免风雨由缝隙灌入厂房内,另一方面还可避免大量带尘雨水由缝隙下泻污染墙面及下部侧窗,对厂区外环境不利。建议设置水落管,做有组织排水处理。近些年来,通风天窗出现的类型较多,除上述几种类型外,常用的还有横向天窗、井式天窗、球形天窗等。其中球形天窗亦属全封闭式的,不会产生飘雨现象;其他几种类型天窗飘雨的部位及原因与矩形天窗类似,故均可参照本文前述的分析及改进原则予以治理。