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【基本内容】工业有害物散发量；全面通风量；通风房间空气量平衡与热平衡；全面通风气流组织；置换通风。
【学习目标】了解工业有害物散发量的确定方法；掌握全面通风量的确定方法；掌握通风房间空气量平衡与热平衡的意义、方法和应用；掌握气流组织方式特点和应用；理解影响全面通风气流组织的因素；了解置换通风的原理、基本方式及应用。
全面通风也称稀释通风，它主要是对整个车间进行通风换气，将经过适当处理的新鲜的空气送入室内，并不断地把污浊空气排出室外，使室内空气中的温度、湿度、有害物浓度符合卫生标准的要求。全面通风分为全面送风和全面排风两种，可以是自然通风，也可以是机械通风。
当车间内有害物源分散，工人操作点多且分散，采用局部排风不能达到要求时，应采用全面通风。
全面通风量的大小与单位时间内车间散发有害物的多少成正比，要确定车间全面通风量，就必须先确定车间有害物的散发量。
物质燃烧时散发的气体量可以根据化学反应方程式来计算求得；各种工业燃烧炉不严密处漏出的气体量一般是按照燃烧过程产生的烟气量的3%~8%计算。
但是由于产生过程的多样性，粉尘、有害气体和蒸汽的扩散机理很复杂，难以用理论公式计算，所以在实际工程中只能通过现场测定、参考经验数据来确定（具体方法详见有关设计手册和资料）。
在锅炉运行时，由于锅炉及其附属设备、管道表面温度高于环境温度，部分热量向外界散热，形成炉体散热损失，其大小取决于锅炉表面温度、表面积以及环境空气温度。
2.1.1 估算法（见表4.1）
表4.1 工业锅炉散热量估算表
2.1.2 计算法
2.1.2.1 炉壁散热量
炉壁散热包括对流散热和辐射散热两部分，可按传热学的基础公式来计算。
每平方米壁炉的对流散热量为：
式中：∂ d ——对流放热系数，W /（m 2 •℃），对垂直的壁面： δ d =2 .55（ t b − t n ） 0.25 ；对水平的壁面： δ d =3. 25（ t b − t n ） 0.25 ；
t b ——炉壁的外表面的温度，℃；
t n ——室内空气温度，℃。
每平方米壁炉的辐射散热量为：
式中： T b ——炉壁的外表面的绝对温度，K；
——加热炉周围物体表面的绝对温度，K；可近似认为
=
T
n
；
C——辐射系统，对于一般的工业炉，C=5.34 W/（m 2 ·K 4 ）。
为了简化计算，根据式（4-1）、（4-2）做出了线算图，如图4.1。
已知壁炉外表面温度，可利用图4.1求出每平方米壁炉的总散热量。该图是在车间温度为30℃下画出来的。
炉壁总散热量为：
式中： F ——壁炉的外表面积，m 2 。
2.1.2.2 炉口的散热量
当炉门打开时，散入室内的辐射热量为：
式中：C——辐射系数，可近似认为绝对黑体的辐射系数，即C=5.75 W/m 2 ·K 4 ；
T r ——炉膛内烟气的绝对温度，K。
图4.1 壁炉散热量线算图
由于
比
小得多，可忽略不计，因此公式（4-4）可改写为：
式中： F k ——炉口的面积，m 2 。
根据公式（4-5）做出了图4.2，已知炉内温度，根据该图可查出单位面积炉口的辐射散热量。
在一般情况下，由于炉口尺寸小、炉壁厚，部分辐射会被炉壁吸收。因此炉口的实际辐射散热量为：
式中：k——炉口的折减系数。
k值的大小和炉口尺寸（边长或直径）与炉口的炉壁厚度之比有关。k值越小，说明炉口壁面所吸收的辐射热越大。
折减系数可按图4.3确定，该图的横坐标的炉口尺寸（边长或直径）与炉壁厚度之比，对于矩形炉壁，应首先按炉口的长和宽（和）分别求出折减系数再取其平均值，即：
如果炉门经常不开启，在一个小时内，炉口的平均辐射散热量为：
式中： τ ——在一个小时内炉口的开启时间，min。
加热炉总散热量为：
图4.2 炉口散热量线算图
图4.3 折减系数图值计算图
电动设备是指电动机及其所带动的工艺设备。电动机在带动工艺设备运转时向车间内散发的热量主要由两部分组成，即：电动机本身由于温度升高而散入车间内的热量以及电动机所带动的设备散出的热量。
当工业设备及电动机都放在室内时：
当工艺设备在室内，而电动机不在室内时：
当工艺设备不在室内，只有电动机在室内时：
式中： N ——电动设备的安装功率，kW；
η ——电动机效率，可由产品样本查得，或见表4.2；
n 1 ——利用系数（安装系数），系电动机最大时耗功率与安装功率值比，一般可取0.7~0.9，可用于反映安装功率的利用程度；
n 2 ——同时使用系数，即房间内电动机同时使用的安装功率与总安装功率，根据工艺过程设备的使用情况而定，一般可取0.5~0.8；
n 3 ——负荷系数，每小时的平均时耗功率与设计最大时耗功率之比，它反映了平均负荷达到最大负荷的程度，一般可取0.5左右，精密机床取0.15~0.4。
表4.2 电动机效率
对于设保温密闭罩的电热设备，可按下式计算：
式中： n 4 ——排风带走热量的系数，一般取0.5；
其他意义与前面相同。
计算公式同（4-12），其中系数的值根据实际使用情况而定，对于以给出实测的时耗功率值的电子计算机可取1.0，一般仪表取0.5~0.9。
已被加热的材料或成品，放在车间内冷却或由其他车间送来继续加工时（如铸造、锻造车间的铸件或锻件），此热金属材料的散热量需单独计算。
2.5.1 连续成批生产时固态金属材料的冷却散热量
式中： Q ——固态金属材料由温度 t 1 冷却到 t 2 所散发出的热量，kJ/h或kW；
G ——每小时冷却的金属材料质量，kg/h；
t 1 ——金属开始冷却时的温度，℃；
t 2 ——金属冷却时终了时的温度，℃，小件可等于室温。
2.5.2 液态金属冷却时散热量
在炼钢车间或铸造车间，金属材料最初属于液态，首先由液态冷却到熔点，放出溶解热，金属材料由液态变成固态。然后从熔点开始在固态下放热，冷却到室温，在这个过程中其总散热量为：
式中： G ——金属材料的质量，kg；
C Y ——液态金属的比热，kJ/（kg·℃）；
t 1 ——金属冷却时的初始温度，℃；
t r ——金属的熔点温度，℃；
i ——金属的溶解热，kJ/kg；
t 2 ——金属冷却时终温，℃。
2.6 蒸汽锻锤的散热量
蒸汽锻锤打压金属时，蒸汽的热能有一部分先转变为机械能，锻打之后又转变为热能散入车间。可近似的认为蒸汽捶打的散热量等于进入链锤蒸汽的焓与链锤排出蒸汽之差，因此蒸汽链锤的散热量为：
式中： G ——链锤的蒸汽消耗量，kg/s；
i j ——进入链锤时蒸汽的焓，kJ/kg；
i p ——排出蒸汽的焓，kJ/kg，可以近似认为链锤排出蒸汽的工作压力为49 kPa。
在某些生产过程中，如电焊、玻璃吹制等，燃料燃烧所产生的热量直接散入空间，这些热量也是车间热量的一部分。燃料燃烧所产生的热量可按下式计算：
式中： G ——燃烧的消耗量，m 3 /s；
A ——燃烧的理论发热量，kJ/m 3 ，常用的气体燃料A值见表4.3；
η ——燃料的燃烧效率，气体燃料 η =1.0。
表4.3 燃烧的理论发热量
在进行车间热平衡计算，确定车间的得热量时，应与工艺密切配合，首先要了解生产过程、收集与工艺相关的资料，在此基础上，才能使设计计算更加准确。
2.7.1 冬季散热量
①按最小负荷班的工艺设备散热量计入得热。
②不经常散发的散热量可不计算。
③经常而不稳定的散热量，应采用小时平均值。
2.7.2 夏季散热量
①按最大负荷班的工艺设备散热量计入得热。
②经常而不稳定的散热量，应按照最大值考虑得热。
③白班不经常的散热量较大时，应予以考虑。
生产车间内的散湿主要由以下几方面组成。
式中： W ——散湿量，kg/h；
F ——蒸发表面积，m 2 ；
β ——水面蒸发系数，kg/（m 2 ·h·Pa）； β = α +0.0 00 13 ν ；
α ——水蒸气扩散系数，kg/（m 2 ·h·Pa）；
ν ——蒸发水面空气流速（m/s）；
P Zb ——在蒸发水面温度下的饱和空气水蒸气分压力Pa；
P qi ——室内空气中的水蒸气分压力，Pa；
B ——标准大气压，Pa。
在周围气温度15~30℃时不同水温下的扩散系数，查表4.4。
表4.4 水蒸气扩散系数
对于长期积存在地面上的水分，蒸发所需热量是取自空气的绝热过程（即室内空气全热量没有得失），最终的稳定水温等于室内空气的湿球温度，故其蒸发量为：
式中：α k ——空气对水表面的换热系数，一般可取4.07~4.42W/（m 2 •℃）；
t gq ——室内空气的干球温度，℃；
t s ——室内空气的湿球温度，℃；
F ——蒸发水表面面积，m 2 ；
r ——水的汽化潜热（kJ/kg），在0℃时， r =2 501（kJ/kg）；在20℃时， r =2 453（kJ/kg）。
确定时参照相关工艺资料或工艺手册，具体酌情确定。
详见模块八项目二空调房间冷（热）、湿负荷部分的湿负荷计算中人体散湿量的计算。
全面通风量是指为了使房间内的空气环境满足生产和生活的需要，符合规范规定的卫生标准，用于稀释通风房间的有害物浓度或排除房间内的余热、余湿所需的通风换气量。
式中： L ——全面通风量，m 3 /s；
k——安全系数，它的确定考虑到有害物的特性、毒性、有害物源分布及其散发的不均匀性、室内空气气流组织形式和通风的有效性等等，一般在3~10范围内使用；
x ——有害物散发量，g/s；
y p ——室内空气中有害物的最高允许浓度，g/m 3 ；
y s ——送风中含有的有害物浓度，g/m 3 。
式中： G ， L ——全面通风量，kg/s、m 3 /s；
Q ——室内余热（指显热）量，kJ/s；
C p ——空气的定压比热容，可取1.01，kJ/（kg·℃）；
ρ ——空气的密度，kg/m 3 ；
t p ——排风温度，℃；
t s ——送风温度，℃。
式中： W ——余湿量，g/s；
d p ——排风含湿量，g/kg干空气；
d s ——送风含湿量，g/kg干空气。
注意：当通风房间同时存在多种有害物时，如其危害不同，一般情况下，应分别计算，然后取其中的最大值作为房间的全面换气量。但是，当房间内同时散发数种危害相同的有害物时，如各种溶剂（苯及其同系物、醇、醋酸酯类）的蒸气，或数种刺激性气体（三氧化硫、二氧化硫、氯化氢、氟化氢、氮氧化合物）时，由于这些有害物对人体的危害在性质上是相同的，在计算全面通风量时，应把它们看成是一种有害物质，房间所需的全面换气量应当是分别消除每一种有害气体危害所需的全面换气量之和。
当房间内有害物质的散发量无法具体计算时，全面通风量可根据经验数据或通风房间的换气次数计算。通风房间的换气次数n（次/h）为通风量 L （m 3 /h）与通风房间体积 V （m 3 ）的比值，即：
【例3.1】 某车间内同时散发苯和甲醇，散发量分别为60mg/s、50mg/s，求所需的全面通风量。
解：查相关资料得车间内最高允许浓度为苯y p 1=40 kg/m 3 ，甲醇y p 2=50mg/m 3 。送风中采用的是新鲜空气，其中不含有这两种有机溶剂蒸汽，故取安全系数k=6。
由于苯和甲醇都属于麻醉气体，其危害相同，全面通风量为各自所需之和，即：
L = L 1 + L 2= 9+ 6=15m 3 /s
在通风房间内，无论采取哪种通风方式，都必须保证空气质量的平衡，即在单位时间内进入室内的空气质量与同一时间内排出的空气质量保持相等。其结果是保持通风房间的压力保持常压。
式中： G jj ——机械进风量，kg/s；
G zj ——自然进风量，kg/s；
G jp ——机械排风量，kg/s；
G zp ——自然排风量，kg/s。
在未设有组织自然通风的房间中，当机械进、排风风量相等时，室内外压力相等，压差为零。当机械进风量大于机械排风量时，室内压力升高，处于正压状态，反之，室内压力降低，处于负压状态。由于通风房间不是非常严密的，当其压力处于正压或负压状态时，室内的部分空气会通过房间不严密的缝隙或窗户、门洞等排出或进入室内，我们把这种通风形式称为无组织进风。
因此在工程设计中，我们根据通风房间的工艺要求和特性，可以通过控制送、排风量来保证房间的压力要求，如为了满足通风房间或邻室的卫生条件要求，通过使机械送风量略大于机械排风量、让一部分机械送风量从门窗缝隙自然渗出的方法，使洁净度要求较高的房间保持正压，以防止污染空气进入室内；或通过使机械送风量略小于机械排风量，使一部分室外空气通过从门窗缝隙自然渗入室内补充多余的排风量的方法，使污染程度较严重的房间保持负压，以防止污染空气向邻室扩散。但是处于负压的房间，负压不应过大，否则会导致不良后果，室内负压引起的危害见表4.5。
表4.5 室内负压引起的危害
通风房间的空气热平衡，是指为保持通风房间内温度不变，必须使室内的总得热量等于总失热量。即：
式中：∑ Q d ——总得热量，kW；
∑ Q s ——总失热量，kW。
室内的总的热量包括：生产设备、产品、采暖散热设备、人体、送风、太阳辐射等辐射量。
室内的总失热量包括：围护结构、冷材料、排风、水分蒸发等吸收热量。
室内的温度和压力的稳定，依赖于热平衡和空气平衡。在实际生产中，通风形式比较复杂，通风系统的平衡问题非常复杂，是一个动态平衡过程，室内温度、送风温度、送风量等各种因素都会影响这个平衡。如果上述条件发生变化，可以按照下列方法进行相应的调整。
①如冬季根据平衡求得送风温度低于规范的规定，可直接将送风温度提高至规定的数值。
②如冬季根据平衡求得送风温度高于规范的规定，应将送风温度降低至规定的数值，相应提高机械进风量。
③如夏季根据平衡求得送风温度高于规范的规定，可直接降低送风温度进行送风，使室内温度有所降低。
在满足室内卫生条件的前提下，进行车间通风系统设计时，为节省能量，可采取以下措施。
①减少排风量。
②机械进风系统在冬季应采用较高的送风温度。
③空气再循环使用。
④采用既有送风又有排风的局部通风装置。
⑤设置热回收装置。
所谓气流组织，就是合理的选择和布置送、排风口的形式、数量和位置，合理的分配各风口的风量，使送风和排风能以最短的流程进入工作区或排出，从而以最小的风量获得最佳的效果。
在进行气流组织设计时，应按照以下原则进行设计。
（1）清洁空气必须先经过人的呼吸区
（2）车间内污染空气必须及时排出
（3）车间内气流分布均匀
（4）机械送风系统室外进风口的布置
①选择空气洁净的地方。
②进风口应低于排风口，并设置在排风口上风处。
③进风口底部应高出地面2m，在设有绿化带时，不宜低于1m。
（5）机械送风系统的送风方式
①放散热或同时放散热、湿和有害气体的房间，当采用上部或下部同时全面排风时，送风宜送至工作地带。
②放散粉尘或密度比空气大的蒸汽和气体、而不同时放散热的车间及辅助建筑物，当从下部地带排风时，宜送至上部地带。
③当固定工作地点靠近有害物质放散源，且不可能安装有效的局部排风装置时，应直接向工作地点送风。
（6）风量的分配
①有害物和蒸气的密度比空气轻，或虽比室内空气重，但建筑内散发的显热全年均能形成稳定的上升气流时，宜从房间上部区域排出。
②当散发有害气体和蒸气的密度比空气重，建筑物内散发的显热不足以形成稳定的上升气流而沉积在下部区域时，宜从房间上部区域排出总风量的1/3且不小于每小时一次换气量，从下部区域排出总排风量的2/3。
③当人员活动区有害气体与空气混合后的浓度未超过卫生标准，且混合后气体的相对密度与空气密度接近时，可只设上部或下部区域排风。
④送排风量因建筑物的用途和内部环境的不同而不同。
置换通风起源于北欧，1978年德国柏林的一家铸造车间首先使用了置换通风装置。现在置换通风广泛应用于工业建筑、民用建筑和公共建筑，北欧的一些国家50%的工业通风系统、25%的办公通风系统采用了置换通风系统，我国的一些建筑工程开始采用了置换通风系统，并取得了令人满意的效果。
置换通风属于下送风的一种，气流从位于侧墙下部的送风口水平低速送入室内，在浮升力的作用下上升至工作区，吸收人员和设备负荷形成热气流。在上升过程中，热气流不断卷吸周围空气，流量逐渐增加。热力分层高度将整个空间分为上下两区，下区空气由下向上呈单向“活塞流”，沿高度方向形成明显的温度梯度和污染物浓度梯度；上区空气循环流动，污染物浓度较大，温度趋于均匀一致。
置换通风的基本特征是垂直方向会产生热力分层现象。
①污染物质比环境空气温度高或密度小。
②供给空气比建筑物环境空气温度低。
③层高大的房间，例如房间层高大于3m。
浮升力作为驱动力的置换通风在下列情形效率较低。
①天花板的高度低于2.3m。
②房间空气扰动（湍流）强烈。
③污染物比环境空气冷或密度大。
通过分析，我们得到如下结论。
①置换通风是一种高舒适性的空调系统。
②置换通风是一种节能的空调方式。
③热力分层的产生，存在垂直方向的温度梯度，需要在人员活动区控制温度梯度，一般应保持在3℃以内，温差太大则降低了舒适性；同时要保证一定的送风量，使热力分层“分界高度”大于人员活动区，保证人员处于清洁区。
④置换通风送风温度不能太低的限制，使得送风量增大，输运空气管路增大，输运动力增加，不利于经济性。
⑤置换通风的冷源一般考虑中央冷水机组。
⑥从经济性方面考虑，置换通风更适用于大中型空调系统。
⑦在层高大于3m时，置换通风的优点更明显。置换通风不适用于层高小于2.5m的房间。
最初的置换通风末端装置仅考虑让新鲜空气平稳、均匀的送入室内，送风速度低、温差小，故送风末端体积较大，相应的末端装置有圆柱形、半圆柱形、1/4圆柱形、扁平形及平壁形等几种。末端装置一般落地安装。随着空调技术的发展，根据新的建筑特点和功能开发了地板送风、座椅下送风的末端装置。
在民用建筑中置换通风末端装置一般均为落地安装。当某地高级办公大楼采用夹层地板时，置换通风末端装置可在地面上。在工业厂房中由于地面上有机械设备及产品零件的运输，置换通风末端装置可架空布置。
地平安装时该末端装置的作用是将出口空气向地面扩散，使其形成空气湖；架空安装时该末端装置的作用是引导出口空气下降到地面，然后再扩散到全室并形成空气湖；落地安装是使用最广泛的一种形式。1/4圆柱形可布置在墙角内，易与建筑配合。半圆柱形及扁平形用于靠墙安装。圆柱形用于大风量的场合并可布置在房间的中央。
1.确定全面通风量时，什么时候采用分别稀释各有害物空气量之和？什么时候取其中的最大值？
2.进行热平衡计算时，计算稀释有害气体的全面通风耗热量时，采用什么温度？而计算消除余热、余湿的全面通风耗热量时，采用什么温度？
3.通风设计空气平衡和热平衡的意义是什么？
4.某车间同时散发CO和
，
=100mg/s，
=60mg/s，试计算该车间所需的全面通风量。由于有害物及通风空气分布不均匀，取安全系数K=6。
5.已知某车间内生产设备散热量为 Q 1 =80 kW，维护结构散热量为70 kW，车间上部天窗排风量 L zp =2.5m 3 /s，局部机械排风量 L jp =3.0m 3 /s，自然进风量 L zj =1m 3 /s，车间工作区温度为20℃，天窗排气温度为28℃，外界空气温度 t w =-12℃。求：（1）机械进风量 G jj ；（2）机械送风温度 t jj ；（3）加热机械进风所需的热量 Q jj 。
6.车间的通风量为10 000m 3 /h，车间的通风容积为200m 3 ，求该车间的换气次数。
7. 置换通风的主要特点是什么？主要适用什么场合？