1、工业与民用建筑通风,第二讲,目 录,自然通风的作用原理,自然通风的计算,避风天窗、屋顶通风器及风帽,生产工艺、建筑形式对自然通风的影响,自然通风的作用原理,如果建筑物外墙上的门窗孔洞两侧由于热压和风压造成压力差 ，空气就会经门窗孔洞进入室内，空气流过门窗孔洞时阻力等于孔洞内外的压差 （如图1所示），即：式中 孔洞内外的压差，Pa；孔洞局部阻力系数；空气流速，m/s；空气密度，kg/m3。 变换式（7.1）得（2）,（1）,式中 窗孔的流量系数， ， 值的大小和窗孔的构造有关，一般小于1； 其它符号意义同前。 通过窗孔的体积流量为：m3/s （3） 通过窗孔的质量流量为：式（4） 式中 孔洞的截
2、面积，m2。 上式表明，对于某一固定的建筑结构，其自然通风量的大小，取决于孔洞两侧压差的大小。,图1 建筑物外墙上孔洞示意图,7.1.1热压作用下的自然通风,1.总压差的计算当室内外空气温度不同时，在车间的进排风窗孔上将造成一定的压力差。进排风窗孔压力差的总和称为总压力差。如 2 所示为车间进、排风口的布置情况。室内外空气温度分别为 ，密度为 。设上部天窗为 ，下部侧窗为 ，窗孔外的静压力分别为 、 ，窗孔内的静压力分别为 、 。如室内温度高于室外温度，即 ，则 ,窗孔a的内外压差为 a ，天窗b的内外压差为 b , 根据流体静力学原理可得：,= (5)式中 窗孔的内外压差，Pa；两窗孔的中心
3、间距，m；重力加速度，m/s2；室内平均温度下的空气密度，kg/m3；室外空气的密度，kg/m3。,图2 热压作用下的自然通风,图3 压差沿车间高度的变化,因为当即 时， ，下部窗孔两侧室外静压大于室内静压，上部窗孔则相反，所以在密度差的作用下，下部窗孔将进风，上部天窗将排风。反之，当 时， ，上部天窗进风，下部侧窗排风，冷加工车间即出现这种情况。因为对于冷加工车间上部进风、下部排风时，污染空气被进风携带，将经过工人的呼吸区，在这种情况下，应关闭进排风窗口，停止自然通风。所以我们只讨论下进上排的热车间的自然通风。 变换式（5）得：（6） 由式（ 6）可知，进风窗孔和排风窗孔两侧压差的绝对值之和
4、与两窗孔的高差 和室内外的空气密度成正比。两者之和等于总压差即 ，它是空气流动的动力，称为热压。,2.余压和中和面的概念 为了以后方便计算，我们把室内某一点空气的压力和室外相同标高未受扰动的空气压力的差值称为该点的余压。仅有热压作用时，由于窗孔外的空气未受到室外空气扰动的影响，所以此时窗孔内外的压差即为该窗孔的余压，余压为正，该窗孔排风；余压为负，该窗孔进风；余压为零的平面叫中和面（或等压面），在中和面上既不进风，也不排风。中和面以上孔口均排风，中和面以下孔口均进风。离中和面越远，进、排风量越大。见图3。,7.1 自然通风的作用原理,因中和面上压差为零，所以，如果知道了中和面至 的距离为 ，至
5、 的距离 ，则可以求出进、排风孔的压差，即该窗孔的余压（7） （8） 式中 、 窗孔 、 至中和面的距离，m； 其它符号意义同前。 有了各窗孔的压差就可以利用式（3）和（4）求风量。 3.中和面的位置 中和面的位置直接影响进排风口内外压差的大小，影响进排风量的大小。根据空气平衡，在没有机械通风时，车间的自然进风等于自然排风，即：根据式（4）得：,7.1 自然通风的作用原理,近似认为 、 两式相等则：（9）又因为 、 代入式（9）得（10）而 m （11） 于是式（10）和式（11）联立即可求得 ，从而确定中和面位置。,7.1 自然通风的作用原理,4、车间平均温度 车间内平均温度很难准确求得，一
6、般采用下式近似计算：（12）式中 车间空气的平均温度，；上部天窗的排风温度，；室内工作区设计温度，。 5、天窗排风温度天窗排风温度和很多因素有关，如热源位置、热源散热量、工艺设备布置情况等，它们直接影响厂房内的温度分布和空气流动，情况复杂，目前尚无统一的解法。一般采用下列两种方法进行计算。,7.1 自然通风的作用原理,（1）温度梯度法计算排风温度当厂房高度小于15m，室内散热量比较均匀，且不大于16W/m3时，可以采用下式计算排风温度。（13） 式中 温度梯度，即沿车间高度方向每升高1m温度的增加植，可按表1选用；排气口中心距离地面的高度，m；其他符号意义同前。 （2）有效系数法计算排风温度当
7、车间内散热量大于116W/m3，车间高度大于15 m时，应采用有效系数法计算天窗的排风温度。即 （14） 式中 有效系数；,7.1 自然通风的作用原理,温度梯度值 （/m） 表1,7.1 自然通风的作用原理,其它符号意义同前。 有效系数 同热源占地面积、热源高度等有关。常用下式计算：（15） 式中 与热源面积对地面面积之比 有关的系数，见图4；与热源高度有关的系数，见表2；与热源辐射散热量 和总散热量 之比有关的系数，按表3选用。,7.1 自然通风的作用原理,图4 值的关系曲线,7.1 自然通风的作用原理,值 表2,7.1 自然通风的作用原理,比值,/,值 表3,7.1 自然通风的作用原理,7
8、.1.2风压作用下的自然通风,1、风压作用下的自然通风原理在风力作用下，室外气流流经建筑物时，由于受到建筑物的阻挡，将发生绕流（见图 5 ）。建筑物四周气流的压力分布将因此而发生变化：迎风面气流受到阻碍，动压降低，静压增高，侧面和背面由于产生局部涡流，因而使静压降低。这种静压增高和降低与周围气压形成的压力差称为风压。迎风面静压升高，风压大于周围气压，称为正压；背风面静压下降，风压小于周围气压，称为负压。风压为负值的区域称为空气动力阴影。见图 6。 由于正压区室外静压大于室内静压，室外空气就要通过孔洞进入室内。在负压区正相反，室内空气通过孔洞排向室外。这就形成了风压作用下的自然通风。,7.1 自
9、然通风的作用原理,图5 建筑物四周的气流分布,7.1 自然通风的作用原理,图6 双凹型天窗周围的气流分布,7.1 自然通风的作用原理,图7 热压、风压共同作用下的自然通风,7.1 自然通风的作用原理,风压的大小与作用在建筑物外表面上风速的大小、建筑物的几何形状等因素有关。风速是随高度发生变化的。三、风压、热压共同作用下的自然通风当热压、风压同时作用于某一窗孔时，窗孔的总压差则为热压差和风压差的代数和。如图7所示为热压、风压共同作用的情况。,7.1 自然通风的作用原理,从图7可以看出，窗孔a风压差和热压差叠加，总压差增大，进风量增大。窗孔b热压差和风压差均为正，总压差也增大，排风量增大。如果在b
10、窗同高度的左侧开天窗，则风压为负，热压为正，两者互相抵消，不利于排风。当风压的负值比热压还大时，就发生倒灌，不但不能排风，反而进风。所以在热压、风压同时作用时，迎风面不能开天窗，背风面不宜开下部侧窗，否则通风效果不好。但由于室外风向、风压很不稳定，实际工程中通常不考虑风压，仅按热压作用设计自然通风。,自然通风的计算,自然通风的计算目的主要是为了消除车间的余热，对于有害气体和蒸气、粉尘等还要采用机械通风才能消除。,自然通风的设计原则,1.根据工业企业设计卫生标准（GB Z12002）和当地气象条件，按照表2.2-1确定室内作业地带温度，并要符合表3的有关规定。夏季工作地点温度和室外空气温度的差值
11、，不得超过表4的规定。,7.2 自然通风的计算,夏季通风车间内的作业地带空气温度 表7.3,7.2 自然通风的计算,夏季通风车间内工作地点空气温度 表7.4,2.对于以自然进风为主的建筑物的主要进风面应该布置在夏季主导风向侧。当散发粉尘或有害气体时，在其背风测的空气动力阴影区内的外墙上，由于该位置处于通风负压区，所以应避免设置进风口。屋顶处于正压区时应避免设置排风窗。 3.利用穿堂风进行自然通风的建筑物，该建筑物的迎风面与该地夏季主导风向宜成6090，且不应小于45 4.夏季自然通风的室外进风口，其下缘距室内地面高度不应大于1.2m，为了防止进风被污染，还应考虑避开室内热源和有害气体的污染源。
12、当进风口高于2m时，应考虑对进风效率的影响，具体可查阅相关资料；在严寒地区或严寒地区用于冬季自然通风的进风口，其下缘距室内地面高度不应小于4m，如小于，应该采取工作地点吹冷风的措施。,5.自然通风也可以应用与民用建筑的厨房、卫生间、盥洗室和浴室等，当其不能满足要求时可考虑采用机械通风。对于普通建筑的卧室、起居室以及办公室等均可采用自然通风。 6.散发热量的工业建筑，其自然通风量应根据热压作用进行计算。当其不能满足要求时，应辅以机械通风。反之，当室内有机械通风时，应考虑其对自然通风效果的影响。 7.夏季自然通风应采用流量系数大、便于操作和维修的风口；利用天窗排风的工业建筑，选用的避风天窗应便于开
13、关和维修。 8. 除天窗能稳定排风或夏季室外平均风速小于或等于1m/s地区可采用一般天窗外，对夏热冬冷和夏热冬暖地区的室内散热量大于23w/m3和其他地区的水内散热量大于35 w/m3以及不允许天窗气流倒灌时，均采用避风天窗。,自然通风计算,1.假设条件由于车间内工艺设备布置，设备散热等情况很复杂，须采用一些假设条件才能进行计算。 整个车间的温度均一致，车间的余热量不随时间变化； 通风过程是稳定的，影响自然通风的因素不随时间变化； 车间内同一水平面上各点的静压相等，静压沿高度方向的变化符合流体静力学规律； 车间内空气流动时不受任何物体的阻挡； 不考虑局部气流的影响，热射流、通风气流到达排风口前
14、已经消散； 进、排风口为方形或长方形孔口。,自然通风的计算,2.已知条件和设计目的 （1）已知条件 车间内余热量Q、工作区设计温度 、室外空气温度 、车间内热源的几何尺寸、分布情况。 （2）设计目的 确定各窗孔的位置和面积、计算自然通风量、确定运行管理方法。 3.设计计算步骤 计算消除余热所需的全面通风量，用下式计算（16）,式中 车间余热量，kW；空气定压比热，kJ/(kg)；车间排气温度，；室外空气温度，。 确定窗孔位置及中和面位置； 查取物性参数，如空气密度、空气比热、窗孔流量系数等； 计算各窗孔的内外压差，用式（7）和式（8）计算； 分配各窗孔的进、排风量，计算各窗孔的面积。,【例 1
15、 】已知某车间的余热量 =650kW， =0.5，室外空气温度 =32，室内工作区温度 =35。车间如图7.8所示， ，如果不考虑风压的作用，求所需的各窗孔面积。 【解】（1）求消除余热所需的全面通风量 排风温度： kg/s（2）确定窗孔位置及中和面位置进、排风窗孔位置见图7.8，设中和面位置在 的 处，即,（3）查取物性参数 查得 kg/m3 kg/m3 kg/m3 （4）计算各窗孔的内外压差 同理 m2,图8,避风天窗、屋顶通风器及风帽,避风天窗,车间的天窗按通风的功能分为普通天窗和避风天窗两类，在风的作用下，普通天窗迎风面的排风窗孔会发生倒灌。为了使天窗能稳定的排风，不发生倒灌，可以在天
16、窗上增设挡风板，或者采取其他措施，保证天窗的排风口在任何情况下都处于负压区，可以正常排风。不管风向如何变化都能正常排风的天窗称避风天窗。避风天窗的形式很多，下面介绍几种常用的形式。,1.矩形天窗如图9所示为矩形天窗的示意图。天窗为上悬式，因为在迎风面的天窗可能发生倒灌现象，所以在天窗两侧增设挡风板。不论室外风向如何变化，天窗均处于负压，能保证正常排风。挡风板可以采用钢板、木板、石棉板、玻璃钢等。挡风板下端应有支架固定在屋顶上，高度应大于天窗高度的510%，下端距屋顶应有1020cm的距离，便于排水和排除积雪。 2.曲、折线型天窗图10所示为曲、折线型天窗，把矩形天窗的竖直板改成曲线型板和折线型
17、就成为曲、折线型天窗。这种天窗当风吹过时产生的负压比矩形天窗大，排风能力也大。但结构复杂，固定较麻烦。,图9 矩形天窗,图10 曲、折线型天窗 （a）折线型天窗 （b）曲线型天窗,3.下沉式天窗 图11、12、13所示为下沉式天窗。这种天窗是让屋面部分下沉形成的，不象前述两种要用板材重新做挡板。对于横向下沉式，当风向为横向时排风效果不如纵向好。同理对于纵向下沉式，当风向为纵向时不如横向排风效果好。而天井式不论风向如何都能达到良好地排风，但其结构较复杂。天窗的局部阻力系数是衡量避风效果好坏的重要指标。局部阻力系数大，避风效果差，局部力系数小，避风效果好。几种常用避风天窗的局部阻力系数值 见表4。
18、,图11 下沉式天窗（横向）,图12 下沉式天窗（天井）,图13 下沉式天窗（纵向）,屋顶通风器,避风天窗虽然采取了各种措施保证排风口处于负压区，但由于风向不定，很难保证不倒灌。而且采用避风天窗使建筑结构复杂，安装也不方便。屋顶通风器就可克服以上缺点，见图14。它是由外壳、防雨罩、蝶阀及喉口部分组成。外壳用合金镀锌板，板厚 =1.0mm喉口和车间内相连,当室内温度大于室外空气温度时，在热压的作用下，车间内热气流通过喉口进入屋顶通风器，从排气口排出。另一方面由于室外风速的作用，在排气口处造成负压，把车间内有害气体抽出。,该屋顶通风器是全避风型，无论风向怎样发生变化，也都能达到良好的排风效果。其特
19、点是：重量轻（采用镀锌钢板），施工方便（在工厂制造，运到现场组装），可以更换。,风帽,风帽是装在排风管末端和需要加强全面通风的车间的屋顶上，充分利用风压的作用加强自然通风排风能力的一种装置。目前常用风帽的形式主要有圆形风帽（图7.15）、锥形风帽（图7.16）、球形风帽（图7.17）各种风帽都由有机材料（塑料和玻璃钢）和无机材料（钢板）制造的，前者防腐，寿命短，后者防腐性能差，但是耐阳光辐射，寿命长。,图7.14 屋顶通风器示意图,图15 伞形风帽,图16 圆形风帽,图17 锥形风帽,圆形风帽适用于一般的机械通风系统。锥形风帽适用于除尘系统及非腐蚀有毒系统。玻璃钢制锥形风帽可用于腐蚀性有毒系统
20、。球形风帽适用于自然通风系统，球体造型，美观牢固。,生产工艺、建筑形式对自然通风的影响,实际工程中，自然通风量的大小与工业厂房形式、工艺布置密切相关，处理好它们之间的协调关系才能取得较好的自然通风效果，否则，不但造成经济上的浪费，而且还直接影响工人的劳动条件。所以，确定车间的设计方案时，通风、工艺和建筑应该密切配合，对涉及到的问题要综合考虑。,建筑形式的选择,1.为了增大进风面积，增加进风量，以自然通风为主的热车间应尽量采用单跨车间，主要进风侧不得加辅助建筑物； 2.热车间宜采用避风天窗，端部应予封闭； 3.夏季自然通风的进风窗，其下沿距地面不应高于1.2m；冬季自然通风的进风窗，其下沿一般不
21、低于4m，防止冷风对人体的影响；,4.尽量利用穿堂风以加强自然通风，但通过人呼吸区的空气必须是清洁的； 5.为了降低工作区温度，冲淡有害物浓度，厂房宜采用双层结构，如图 18所示。车间主要有害物源设在二楼，四周楼板做成格子形，空气由底层经格子形楼板直接进入二层，可以大大提高自然通风效果。,工艺布置,1、工作区应尽可能布置在靠外墙的一侧，这样可使室外新鲜空气首先进入工作区，有利于工作区降温，如图7.19所示； 2、以热压为主的自然通风厂房，热源应尽量布置在天窗下方或下风侧，如 20所示，热源散热能以最短距离排出。减小热气流的污染范围；,图18 双层厂房的自然通风,图19 工作区的布置情况,图20
22、 热源布置在下风侧,3、对于多跨车间应将冷、热跨间隔布置，以加强自然通风； 4.散热量大的热源（如加热炉、热料等）应布置在房外面夏季主导风向的下风处。 5.车间内较大的工艺设备不宜布置在自然通风进风窗孔附近，否则由于设备的阻挡，自然进风量减小。,各厂房之间的协调关系,当室外风吹过厂房时，迎风的正压区和背风的负压区都要延伸一定的距离，延伸距离的大小，和风速及建筑物的形状、高度有关。风速越大，建筑物越高，压力区延伸距离就越大。如果在正压区有一低矮的厂房，则该厂房天窗就不能正常排风。为了使低矮厂房能正常进风和排风，厂房与厂房之间应保持一定的距离。,7.4 生产工艺、建筑形式对自然通风的影响,图21和图22所示为避风天窗和风帽排风时的情况，尺寸应符合表5的规定，才能使低矮厂房正常进风和排风。,排气天窗和风帽与相邻的较高建筑物外墙距离 表5,注： 2.3时厂房的相关尺寸可不受限制,7.4 生产工艺、建筑形式对自然通风的影响,图21 避风天窗与相邻较高建筑物距离,图22 风帽与相邻较高建筑物距离,习 题,1.自然通风的特点是什么？主要适用什么场合？其动力是什么？ 2.余压的概念，余压与进风和排风的关系。3.什么是中和面？其位置如何确定？4.如何用温度剃度法来计算车间的排风温度？5.风帽的作用、种类和适用范围是什么？,Thank you,
