模块三
自然通风

【基本内容】自然通风原理；热压作用下自然通风的设计与校核计算方法、步骤；避风天窗与风帽的构造与作用；建筑形状、工艺布置对自然通风的影响。

【学习目标】掌握热压、风压作用下的自然通风原理、余压概念；了解热压作用下自然通风的设计与校核计算方法、步骤；了解避风天窗与风帽的构造与作用；了解建筑形状、工艺布置对自然通风的影响。

自然通风：是指利用建筑物内外空气的密度差引起的热压或室外大气运动引起的风压来引进室外新鲜空气达到通风换气作用的一种通风方式。

自然通风的作用：利用室内外气流交换，降低室温和排除湿气，保证房间正常气候条件与新鲜洁净的空气；房间有一定空气流动，可加强人体的对流和蒸发散热，改善人们的工作和生活条件。

自然通风的特点：不需动力，经济；但进风不能预处理，排风不能净化，污染周围环境；且通风效果不稳定。

自然通风的应用：自然通风不消耗机械动力，是一种经济的通风方式，所以应用十分广泛，对于产生大量余热的车间，采用自然通风可以得到很大的换气量。

采用自然通风时，应该从总图布置、通风设计、建筑形式、工艺设置等等几个方面进行综合考虑，才可能使设计达到预期目的，有一个良好的有组织自然通风，改善空气环境，达到卫生设计标准。

本项目主要阐述热压和风压作用下的自然通风的基本原理以及设计原则、设计计算方法和设计注意事项。

项目一 自然通风的工作原理

通风是在压差推动下的空气流动。根据压差形成的机理，自然通风可以分为热压作用下的自然通风和风压作用下的自然通风。

在建筑物中，只要建筑开口两侧存在压力差Δ p ，就会有空气流过开口。

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Δ p ，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Δ p ，即：

式中：∆ p ——窗孔两侧空气的压力差（pa）；

v ——空气流过窗孔时的流速（m/s）；

ρ ——空气的密度（kg/m ³ ）。

ζ ——窗孔的局部阻力系数，其值与窗孔的构造有关。

由式（3-1）得

式中： µ ——窗孔的流量系数， µ = ， µ 值一般小于1。

流过窗孔的空气体积流量为：

式中： L ——通过窗孔的空气体积流量（m ³ /s）；

F ——窗孔的面积（m ² ）。

流过窗孔的空气质量流量为 G = L ρ =

式中： G ——通过窗孔的空气质量流量（kg/s）。

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。

1.热压作用下的自然通风

1.1 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。有一建筑物如图3.2所示，在外墙一侧的不同高度上设有窗孔 a 和 b ，二者高差h；假设窗孔外的静压分别为 和 ，假设窗孔内的静压分别为 。用 和 分别表示窗孔 a 和 b 的内外压力差；室内外的空气温度和密度分别为 和 ，由于 ，所以 。如果先将上窗孔 b 关闭，仅开启下窗孔 a ，则下窗孔两侧空气在压力差 作用下流动，最终使得 p _a = ，即室内外压力差为零，空气停止流动。这时上窗孔 b 两侧必然存在压力差 ，根据流体静力学原理，这时窗口 b 的内外压力差为：

从上式可以看出，当∆ p _a =0时，只要 ρ _n < ρ _w （即 t _n < t _w ），则∆ p _b >0。此时只要开启窗孔 b 空气便会从内向外排出。随着室内空气的向外流动，室内静压渐渐降低，窗孔 a 内外两侧的压力差∆ p _a 将从最初等于零变为小于零。这时，室外空气就会在窗孔 a 内外两侧压力差的作用下，从窗孔 a 流入室内空气量等于从窗孔 b 排到室外的空气量时，室内静压才保持为某个稳定值。由于窗孔 a 进入风量，∆ p _a <0；窗孔 b 排风，∆ p _b >0。

式3-4 可改写为：

由上式可以看出，进口窗孔与排风窗孔两侧压力差的绝对值之和与两窗孔的高度差h和室内外的空气密度差 ρ _w − ρ _a 有关，我们把（ ρ _w − ρ _a ）gh成为热压。如果室内外温度一定，提高热压作用效果的途径是增加进排风窗孔之间的垂直高度。实际上，如果只有一个窗孔也会形成自然通风，这时窗孔的上部排风，下部进风，相当于两个窗孔连在一起。反之，当 t _w < t _n 时， ρ _w < ρ _n ，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。

1.2 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3.3。如果以窗孔 a 为基准面，由式3-4可知，当室内外空气的温度一定时，上下两个窗孔的余压差与高度差h呈线性比例关系。因此，在热压作用下，余压沿着车间高度的变化如图3.3所示。余压值从进风窗孔的负值增大到排风窗孔的正值。在0-0平面上，余压等于零，我们把这个平面称为中和面。中和面上的窗孔是没有空气流动的。如果将中和面作为基准面，则各窗孔的余压为：

式中： p _ya 、 p _{y b} ——窗孔 a 、 b 的余压，Pa；

p _{y 0} ——中和面的余压（ p _{y 0} =0）；

h ₁ 、 h ₂ ——窗孔 a 、 b 至中和面的距离，m。

从式中可以看出，某窗孔余压的绝对值与中和面至该窗孔的距离有关。在0-0中和面以上为正；在0-0面以下余压为负。

1.2.1 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：

式中： G ——车间全面换气量，kg/s；

Q ——车间的纵欲热量，kJ/s；

t _p ——车间上部的排风温度，℃；

t _j ——车间的进风温度，℃， t _j = t _w ；

c _p，a ——空气比定压热容，取 c _p，a =1.01 kJ/（kg·℃）。

室外计算温度 t _w 根据《采暖通风与空气调节设计规范》规定，夏季通风室外计算温度，应采用历年最热月14时的月平均温度的平均值；冬季通风室外计算温度，应采用累年最冷月平均温度。

1.2.2 车间平均温度

车间内平均温度很难准确求得，一般采用下式近似计算：

1.2.3 天窗（车间）排风温度 t _p

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。

1.2.3.1 温度梯度法计算排风温度

对于某些特定的车间可按排风温度与夏季通风室外计算温度差的允许值确定，对大多数车间要保证 t _n − t _w ≤5℃， t _p − t w 应不超过10~12℃对当厂房高度小于15m，室内散热量比较均匀，且不大于116W/m ³ 时，可以采用下式计算排风温度。

式中： t _n ——工作地点温度，℃；

∆ t _h ——温度梯度，℃ /m，见表3.1；

H ——排风天窗中心距地面高度，m。

1.2.3.2 有效系数法计算排风温度

当车间内散热量大于116 W/m ³ ，车间高度大于15m时，应采用有效系数法计算天窗的排风温度。热射流，在上升过程中不断卷入周围的空气，热射流温度逐渐下降，当热射流到达屋顶时，其中一部分又沿四周外墙向下回流而返回作业地带或在作业地带上部又重新被热射流卷入。返回作业地带的那部分循环气流，把车间总热量的一部分又带回到作业地带而影响着作业地带的温度，这部分的热量称为有效余热量。如果车间总余热量为Q，则有效余热量即为mQ，m值称为有效热量系数。

式中：m——有效系数。

在排风温度相同的情况下，有效热量系数越大，进入作业地带的有效余热量越大。

有效热量系数m值同热源占地面积、热源高度等有关，常用下式进行计算：

式中：m ₁ ——由热源占地面积和车间地板面积比值确定系数；

m ₂ ——由热源高度确定系数；

m ₃ ——由热源的辐射散热量和总热量比值确定系数。

m在常规运算中表示实际进入工作区并影响该处温度的热量与总热量的比值，概略计算时间时可按车间内热源占地面积 f 和车间地面面积F的比值来估值，见表3.2。

各窗孔的室内外压差和窗孔面积计算各窗孔的室内外压差时，需要先假设中和面的位置，然后根据 p _ya 及 p _{y b} 的表达式计算各窗孔的余压。以图3.3 为例，在热压作用下，进风及排风窗孔的面积分别为：

式中： G _a ——窗孔 a 的进风量，kg/s；

G _b ——窗孔 a 的排风量，kg/s；

ζ _a ——窗孔 a 的局部阻力系数；

ζ _b ——窗孔 a 的局部阻力系数；

ρ _w ——室外空气密度，kg/m ³ ；

ρ _p ——排风温度下的空气密度，kg/m ³ ；

ρ _np ——室内平均温度 t _np 下的空气密度，kg/m ³ 。

室内平均温度 t _np 由下式确定：

如果取 ζ _a = ζ _b ， ρ _w = ρ _p ，由风量平衡方程 G _a = G _b 可得：

由此可见，进排风窗孔面积平方的比值与它们到中和面的距离成反比。即当中和面向上移，排风窗孔的面积增大，进风窗孔的面积减小；反之，当中和面向下移，则排风窗孔的面积减小，进风窗孔的面积增大。由于热车间通常都是采用上部天窗排风，天窗的造价比侧窗高，因此，中和面的位置不宜取得太高，以免使需要的天窗面积过大，一般中和面的位置为 左右。

2.风压作用下的自然通风

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3.4。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3.5。

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。

3.风压、热压共同作用下的自然通风

一般情况下，室内自然通风的形成，既有热压通风的因素，也有风压通风的原因。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。

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3.7所示为热压、风压共同作用的情况。

综合图3.6及3.2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。

4.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，对于有害气体和蒸汽、粉尘等还要采用机械通风才能消除。

4.1 自然通风的设计原则

①根据《工业企业设计卫生标准》（GB Z1—2002）和当地气象条件，确定室内作业地带温度，并要符合有关规定。

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60°~90°，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。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23 w/m ³ 和其他地区的水内散热量大于35 w/m ³ 以及不允许天窗气流倒灌时，均采用避风天窗。

4.2 自然通风计算

4.2.1 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。

①整个车间的温度均一致，车间的余热量不随时间变化。

②通风过程是稳定的，影响自然通风的因素不随时间变化。

③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。

④车间内空气流动时不受任何物体的阻挡。

⑤不考虑局部气流的影响，热射流、通风气流到达排风口前已经消散。

⑥进、排风口为方形或长方形孔口。

4.2.2 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 t _p 、室外空气温度 t _w 、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。

4.3.3 设计计算步骤

①计算消除余热所需的全面通风量，用下式计算。

②确定窗孔位置及中和面位置。

③查取物性参数，如空气密度、空气比热、窗孔流量系数等。

④计算各窗孔的内外压差。

⑤分配各窗孔的进、排风量，计算各窗孔的面积。

项目二 避风天窗、屋顶通风器及风帽

为了不发生倒灌，可以在天窗上增设挡风板，或者采取其它措施，保证天窗排风口在任何风向下都处于负压区，这种天窗称为避风天窗。

1.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。

目前常用的避风天窗有以下几种形式：矩形天窗、下沉式天窗、曲（折）线型天窗。

1.1 矩形天窗

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5%~10%，下端距屋顶应有10~20 cm的距离，便于排水和排除积雪。

1.2 曲、折线型天窗

曲、折线型天窗是指把矩形天窗的竖直板改成曲线型板和折线型就成为曲、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。

1.3 下沉式天窗

这种天窗是让屋面部分下沉形成的，不像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 ζ 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 ζ 值见表3.3。

2.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3.10。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，板厚为1.0mm的喉口和车间内相连，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。

3.风帽

在普通风帽的外围增设一周挡风圈。风帽的作用在于使排风口处和风道内产生负压，防止室外倒灌和防止雨水或污物进入风道或室内。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、锥形风帽、球形风帽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。

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。

球形风帽适用于自然通风系统，球体造型，美观牢固。

4.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，对涉及的问题要综合考虑。

4.1 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。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。

4.2 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。

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，热源散热能以最短距离排出。减小热气流的污染范围。

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。

4.3 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。

复习思考题

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？ 7dWYLZ94272StYS02hSR7ziOGUTDSTjkyU+lc5Z/ltx9f7oC2tjlkSPV2S5Ejar9