潘博 PAN Bo

（中色科技股份有限公司，洛陽 471000）

0 引言

工業(yè)廠房的自然通風效率在工業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，不僅能夠改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高員工的工作舒適度，還能有效降低能源消耗，減少對環(huán)境的負面影響，由于廠房通常擁有較大的空間體積和復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其自然通風系統(tǒng)設(shè)計面臨著一系列挑戰(zhàn)，如何在保障生產(chǎn)效率的同時最大化自然通風效果成為亟待解決的問題。目前，國內(nèi)外已有一些研究關(guān)注工業(yè)廠房自然通風效率的提升方法，但仍存在知識空缺和技術(shù)瓶頸。本文旨在通過系統(tǒng)性的研究與分析，將從環(huán)境科學、建筑工程和能源管理等多個學科領(lǐng)域綜合考察，明確當前工業(yè)廠房自然通風系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀以及存在的問題，通過多方面的比較，識別出通用的優(yōu)化策略和個性化的改進方案，在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，我們將探討智能化控制系統(tǒng)在工業(yè)廠房自然通風中的應用，以實現(xiàn)更精準、高效的通風管理。

1 項目概述

某工業(yè)廠房項目位于某市郊區(qū)，整體建筑分為辦公區(qū)、生產(chǎn)廠房和倉庫三個區(qū)域，呈現(xiàn)出多功能的設(shè)計布局。辦公區(qū)占地面積約450 平方米，分為上下兩層，層高為3.5米。建筑四周采用磚墻結(jié)構(gòu)，為整個廠房提供了堅實的外部支撐。辦公區(qū)的設(shè)計注重舒適性，特別是夏季需求考慮到了空調(diào)系統(tǒng)，以確保員工在高溫天氣下能夠有舒適的工作環(huán)境。根據(jù)業(yè)主的要求，冬季則不考慮采暖問題。這樣的設(shè)計不僅考慮了季節(jié)性的氣溫變化，也體現(xiàn)了對能源的合理利用。生產(chǎn)廠房及倉庫占地面積分別為470 平方米，屋頂采用人字形結(jié)構(gòu)，最高層高為9 米，最低層高為8 米。屋頂表面設(shè)置大量采光帶，約占總屋面面積的40%。這樣的設(shè)計不僅能夠充分利用自然光源，減少對電力的依賴，同時也提供了更為通透的工作環(huán)境。倉庫區(qū)域不考慮空調(diào)，而生產(chǎn)廠房則在夏季需求中引入了降溫性工業(yè)空調(diào)，以保障作業(yè)人員在合理的氣溫下高效工作。整個項目的設(shè)計充分考慮了建筑的結(jié)構(gòu)和功能，以滿足不同區(qū)域的使用需求。磚墻結(jié)構(gòu)為建筑提供了穩(wěn)固的支持，而辦公區(qū)和生產(chǎn)廠房的空調(diào)系統(tǒng)則為員工提供了舒適的工作環(huán)境。采光帶的設(shè)置既考慮了能源的可持續(xù)利用，也為室內(nèi)提供了良好的自然光照。整個設(shè)計在追求效益和可持續(xù)性之間取得了平衡，展現(xiàn)了對現(xiàn)代工業(yè)廠房設(shè)計的理性和全面考慮。

2 工業(yè)廠房提高通風效率的三種方案

2.1 方案一：智能化通風系統(tǒng)的整合方案

智能化通風系統(tǒng)的整合方案的核心在于前沿技術(shù)的引入，使得通風系統(tǒng)不再是簡單的機械設(shè)備，而是融合了先進的傳感器技術(shù)、自動化控制以及數(shù)據(jù)分析算法。在具體實施的過程中，通過在廠房內(nèi)外部署溫濕度傳感器、氣流監(jiān)測器等智能感知設(shè)備，實時獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，主動式的信息收集方式，為整個通風系統(tǒng)提供了全面而精準的運行基礎(chǔ)，基于實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能夠準確分析廠房內(nèi)外的氣象條件，實現(xiàn)自動化的通風設(shè)備調(diào)控，在這一布置方案下，當溫度升高或污染物濃度超標時，系統(tǒng)能夠迅速響應，自動開啟通風口，調(diào)整風機的轉(zhuǎn)速，以確保室內(nèi)空氣的清新和舒適，主動調(diào)控的方式使得通風系統(tǒng)能夠更加靈活地適應復雜多變的生產(chǎn)環(huán)境需求。圖1 為智能化通風系統(tǒng)的布局。

圖1 智能化通風系統(tǒng)的布局

通過連接到云平臺，管理人員可以隨時隨地通過手機應用或網(wǎng)絡(luò)界面遠程監(jiān)測通風系統(tǒng)的運行狀況，高度可視化的管理手段，不僅提高了系統(tǒng)的實時監(jiān)控效果，還為遠程調(diào)整通風參數(shù)提供了便利，使得工廠管理層能夠更加主動地應對突發(fā)情況，確保通風系統(tǒng)的高效運行，并且智能化通風系統(tǒng)的整合方案在提高工業(yè)廠房自然通風效率方面展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢，通過主動感知、智能決策和遠程監(jiān)控等技術(shù)手段的有機整合，工業(yè)廠房通風系統(tǒng)不僅更加智能高效，同時也更具適應性和靈活性。

智能化通風系統(tǒng)的整合方案致力于引入前沿技術(shù)，融合傳感器技術(shù)、自動化控制和數(shù)據(jù)分析算法，以提高通風系統(tǒng)的智能性。該方案成本投入較高，約為200 萬元，但通過實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)能夠智能調(diào)控通風設(shè)備，達到較高的通風效果（8 次/小時），并在能源消耗方面保持中等水平（300 千瓦/小時）。這種高成本、高效能、中等能源消耗的特性使其適用于對通風效果要求較高、愿意投資更多資金的工業(yè)廠房。

2.2 方案二：屋頂通風與隔熱材料應用的整合方案

屋頂通風與隔熱材料應用的整合方案注重利用建筑結(jié)構(gòu)和材料科技，以最大程度地提升通風效果，同時優(yōu)化室內(nèi)溫度，創(chuàng)造更為宜人的工作環(huán)境。工業(yè)廠房屋頂通風的布局如圖2 所示。具體而言，屋頂通風的整合將焦點置于利用屋頂空間，通過巧妙設(shè)計通風口和通風道，使得自然風能夠順暢流入和流出廠房，主動引導自然風流的設(shè)計，有效地改善了室內(nèi)空氣流通，減少了局部死角的積聚，為通風效率提供了有力的支持。

圖2 屋頂通風

在這個整合方案中，隔熱材料的應用起到了關(guān)鍵作用，通過在建筑結(jié)構(gòu)中引入高效隔熱材料，有效減緩了室內(nèi)外溫差的傳導速度，隔熱效果既有助于降低夏季室內(nèi)溫度，又能在冬季有效保溫，創(chuàng)造了一個更為穩(wěn)定的工作氛圍。隔熱材料的運用不僅僅關(guān)系到室內(nèi)舒適度，更影響了通風系統(tǒng)的負荷，通過降低溫度波動，通風設(shè)備在運行時消耗的能量相應減少，從而提高了通風系統(tǒng)的能效。圖3為工業(yè)廠房用彩鋼隔熱巖棉板。

圖3 工業(yè)廠房用彩鋼隔熱巖棉板

該整合方案的獨特之處在于對屋頂通風與隔熱材料的協(xié)同設(shè)計，通風系統(tǒng)與隔熱材料相輔相成，互為支持。該整合方案注重建筑結(jié)構(gòu)和材料科技的利用，以提升通風效果并優(yōu)化室內(nèi)溫度。該方案成本投入相對較低，約為100萬元，且在能源消耗方面表現(xiàn)較為優(yōu)越，僅為200 千瓦/小時。通過屋頂通風布局和隔熱材料的協(xié)同設(shè)計，系統(tǒng)實現(xiàn)了較高的通風效果（7 次/小時）。這種低成本、低能源消耗、高效能的特性使其適用于注重經(jīng)濟效益和能源節(jié)約的工業(yè)廠房。

2.3 方案三：建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)的整合方案

將通風系統(tǒng)融入到廠房的整體建筑設(shè)計中，通過巧妙的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)備配置，旨在最大化地利用自然風力，提高通風效果。一般而言，建筑結(jié)構(gòu)的通風系統(tǒng)著眼于合理設(shè)計通風口和通風道，將其納入建筑布局中，使得自然風能夠順暢地進入和流通于廠房內(nèi)，主動引導風流的設(shè)計巧妙地兼顧了通風效率和建筑穩(wěn)定性，為整合方案奠定了基礎(chǔ)。實際設(shè)計階段，通過靈活調(diào)整這些通風設(shè)備的開合程度，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的氣象條件和生產(chǎn)需求智能地調(diào)整通風方向和強度，實時調(diào)控的機制不僅使得通風系統(tǒng)更具適應性，還能夠在各種情況下維持室內(nèi)的舒適環(huán)境，提高工作效率。圖4 為整體廠房置換通風流態(tài)圖。

圖4 整體廠房置換通風流態(tài)圖

在整合方案中，通過引入先進的監(jiān)測傳感器和智能控制單元，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測室內(nèi)外的溫濕度、氣流速度等參數(shù)，從而更加精準地調(diào)整通風設(shè)備，主動感知的方式不僅提高了系統(tǒng)的智能化水平，也使得通風系統(tǒng)能夠更加主動地適應環(huán)境變化，保持最佳的通風狀態(tài)。

將通風系統(tǒng)融入到廠房整體建筑設(shè)計中的方案著眼于通過巧妙結(jié)構(gòu)布局和設(shè)備配置最大化地利用自然風力，提高通風效果。該方案成本投入適中，約為150 萬元，能源消耗水平為250 千瓦/小時，通風效果為5 次/小時。通過引入先進的監(jiān)測傳感器和智能控制單元，系統(tǒng)實現(xiàn)了實時監(jiān)測和智能調(diào)整，具有中等成本、中等能源消耗和通風效果的特點。這種方案適用于對通風效果和成本均有一定要求的工業(yè)廠房。

3 工業(yè)廠房自然通風效率整合方案的比較

工業(yè)廠房自然通風效率整合方案的優(yōu)劣勢比較如表1 所示。智能化通風系統(tǒng)方案具有最高的通風效率，每小時通風量達到2138.23 立方米，歸因于系統(tǒng)實時監(jiān)測和智能決策的能力，使得通風系統(tǒng)能夠更靈活地調(diào)整通風量以適應不同需求。

表1 工業(yè)廠房自然通風效率整合方案的優(yōu)劣勢

計算空氣密度：使用理想氣體狀態(tài)方程，計算空氣的密度。該方程為：ρ=，其中，P 是壓力，R 是氣體常數(shù)，T 是絕對溫度。

計算空氣體積流量：空氣體積流量Q 可以通過噴嘴截面積A 乘以送風速度V 得到：Q=A·V

計算熱功率：使用熱功率方程，將冷負荷Qc和空氣密度ρ 引入：Qc=ρ·Q·c·Δt，其中，c 是空氣比熱，Δt 是溫差。

計算出風口的實際風速：利用補風量L 與空氣體積流量Q 的關(guān)系式：L=Q·Δt，解出V。

屋頂通風與隔熱材料整合方案具有中等水平的通風效率，每小時通風量為1572.31 立方米，主要是受到隔熱材料對通風效果的一定影響，導致相對較低的通風量。建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)具有最高的通風效率，每小時通風量達到2533.91 立方米，得益于整合設(shè)計對建筑結(jié)構(gòu)和通風系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)了較好的通風效果。

工業(yè)廠房自然通風效率整合方案的效益比較如表2所示。

3.1 能源利用效率

能源利用效率方面，智能化通風系統(tǒng)相對較高的電量消耗，達到152.3 千瓦時，主要是由于系統(tǒng)的智能化調(diào)控和實時監(jiān)測需要一定的電力支持。屋頂通風與隔熱材料整合方案具有較低的電量消耗，僅為11.72 千瓦時，主要是是因為整合方案中采用了隔熱材料，降低了能源消耗。建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)相對較低的電量消耗，為124.8 千瓦時，整合設(shè)計通過建筑結(jié)構(gòu)的合理布局和通風設(shè)備的智能化控制，有效地減少了電力消耗。

3.2 經(jīng)濟效益

在經(jīng)濟效益方面，智能化通風系統(tǒng)整合方案投入產(chǎn)出比為0.4，即每投入1 萬元能夠帶來0.4 萬元的節(jié)約成本，在經(jīng)濟效益方面，智能化通風系統(tǒng)相對較高。屋頂通風與隔熱材料整合方案投入產(chǎn)出比為0.53，較智能化系統(tǒng)稍高，但整體經(jīng)濟效益相對較低。建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)投入產(chǎn)出比為0.6，是三種方案中投入產(chǎn)出比最高的，顯示出整體較好的經(jīng)濟效益。

3.3 排污效果

在夏季工況下，研究考察了不同通風系統(tǒng)下不同高度水平面油霧濃度平均值的垂直分布。如圖5 所示，可以觀察到點劃線表示的是原有通風工況，而虛線表示的是新型通風工況。紅色垂直線代表了NIOSH 的油霧暴露健康限值，而紅色水平線則代表呼吸區(qū)高度為1.5m。從圖中清晰可見，在夏季新型通風工況下，呼吸區(qū)高度甚至約2.5m 以下的空間均處于安全健康區(qū)域。相反，在夏季原有通風工況中，約5.5m 以下的區(qū)域均落在油霧暴露危險區(qū)域。與之相對比，原有通風系統(tǒng)中送風系統(tǒng)以下油霧分布相對均勻，但在循環(huán)風風管附近形成了懸浮帶，阻礙了油霧繼續(xù)上浮，導致靠近動力排風裝置位置的油霧濃度反而較低。

總體而言，智能化通風系統(tǒng)在通風效率和經(jīng)濟效益上表現(xiàn)出色，但在能源利用效率上略遜一籌，屋頂通風與隔熱材料整合方案在能源利用效率上具有優(yōu)勢，但通風效率和經(jīng)濟效益相對較低，在夏季的排污效率得到了全面提升，并且建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)在通風效率和經(jīng)濟效益上均取得了較好的綜合表現(xiàn)。選擇適當?shù)恼戏桨感枰C合考慮這些指標以滿足特定的工業(yè)廠房需求。因此，最終結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，選擇方案三作為工業(yè)廠房自然通風改造標準。

4 建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)整合方案設(shè)計原則

4.1 兼顧能源利用的智能化通風系統(tǒng)優(yōu)化

在工業(yè)廠房自然通風效率的改造的過程中，可以通過引入先進的智能控制技術(shù)，實現(xiàn)通風系統(tǒng)的實時監(jiān)測和智能調(diào)控，通過主動化的管理方式可以根據(jù)不同的氣象條件、室內(nèi)溫濕度等因素，自動調(diào)整通風設(shè)備的運行狀態(tài)，最大程度地提高通風系統(tǒng)的效率。

一方面，通過在廠房內(nèi)外設(shè)置溫濕度、氣流速度等多種傳感器，實時采集大量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以更精準地了解環(huán)境狀況。為智能決策提供了充足的信息基礎(chǔ)，使得通風系統(tǒng)能夠更準確地適應變化多端的工作環(huán)境，實現(xiàn)高效通風的同時最小化能源浪費，在智能化通風系統(tǒng)的優(yōu)化中，著眼于能源利用效率的提升至關(guān)重要。另一方面，通過合理設(shè)計通風口和通風道的布局，確保自然風流能夠順暢地進入和流通于廠房內(nèi)。結(jié)合建筑的朝向和周邊環(huán)境，調(diào)整通風系統(tǒng)的參數(shù)，使其更好地適應不同的氣象條件，綜合性的設(shè)計可以進一步提高通風系統(tǒng)的整體性能，充分發(fā)揮其在提升工業(yè)廠房舒適度和效率方面的作用。

4.2 兼顧經(jīng)濟效益的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在工業(yè)廠房自然通風效率優(yōu)化的過程中，可以通過合理設(shè)計廠房建筑結(jié)構(gòu)，優(yōu)化通風系統(tǒng)的布局，基于科學的建筑設(shè)計原理，考慮建筑朝向、窗戶設(shè)置以及通風口的分布，以最大化地引導和利用自然風流，減少對機械通風設(shè)備的依賴，降低能源消耗，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與通風效率的雙贏。此外，通過科學布局通風設(shè)備，確保其在廠房內(nèi)的分布均勻，能夠覆蓋整個空間，使得通風效果更為全面，合理設(shè)置通風口和通風道的尺寸，使其能夠適應不同的季節(jié)和氣象條件，實現(xiàn)通風效果的靈活調(diào)整，靈活性有助于最大化適應廠房內(nèi)外部環(huán)境的變化，提高通風系統(tǒng)的適應性和效率。除此之外，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以考慮智能化調(diào)控技術(shù)的應用，實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)的實時監(jiān)測和遠程控制，確保通風控制系統(tǒng)能夠更加智能地適應不同的氣象條件，自動調(diào)整通風設(shè)備的運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的自適應性，進而提高整體效益。通過科學設(shè)計、合理布局通風系統(tǒng)，結(jié)合屋頂通風、隔熱材料的應用，以及智能化調(diào)控技術(shù)的引入，既能夠?qū)崿F(xiàn)通風效果的最大化，又能夠降低能源消耗，達到經(jīng)濟效益的雙贏。

4.3 根據(jù)工業(yè)廠房氣流特性設(shè)置屋頂通風

提高工業(yè)廠房自然通風效率的有效策略需要根據(jù)工業(yè)廠房氣流特性設(shè)置屋頂通風，需要充分認識工業(yè)廠房內(nèi)部氣流的動力學特性，了解其熱量積聚、濕度分布等情況，通過科學合理的建筑設(shè)計，設(shè)置屋頂通風系統(tǒng)。首先，通過合理設(shè)置通風口和通風道，確保屋頂通風系統(tǒng)能夠覆蓋整個廠房內(nèi)部，以獲得全面的通風效果。其次，通過科學的空氣動力學原理，設(shè)計出適宜的通風口形狀，使得氣流能夠順暢地進入和流通于廠房內(nèi)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)工業(yè)廠房的具體情況，確定通風口的數(shù)量，以實現(xiàn)在不同季節(jié)和氣象條件下的靈活調(diào)整。最后，通過引入智能傳感器和控制單元，實現(xiàn)對屋頂通風系統(tǒng)的實時監(jiān)測和遠程控制，確保系統(tǒng)能夠更加智能地適應不同的氣象條件，實現(xiàn)自動調(diào)整通風口的開合，從而提高系統(tǒng)的自適應性和整體效率。通過深入了解氣流動力學特性，科學設(shè)計通風系統(tǒng)，充分考慮通風口形狀、數(shù)量和智能調(diào)控等因素，能夠最大限度地優(yōu)化廠房內(nèi)部空氣流通，提高工作環(huán)境的舒適性，實現(xiàn)能源的有效利用。這一策略不僅符合可持續(xù)發(fā)展的理念，還為工業(yè)廠房提供了創(chuàng)新和高效的通風解決方案。

4.4 綠化與防塵技術(shù)結(jié)合

綠化與防塵技術(shù)的結(jié)合是提高工業(yè)廠房自然通風效率的創(chuàng)新策略，通過引入綠植覆蓋、采用防塵技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)廠房內(nèi)外的環(huán)境協(xié)同優(yōu)化，不僅有助于提高通風效果，改善室內(nèi)外環(huán)境，還能夠創(chuàng)造更為健康、宜人的工作場所。同時可以有效減少粉塵對通風系統(tǒng)的影響，延長設(shè)備壽命，提高系統(tǒng)的可持續(xù)性和經(jīng)濟效益。首先，通過科學合理的防塵措施，如設(shè)立風簾、使用空氣凈化設(shè)備等，可以有效減少粉塵對通風系統(tǒng)的影響，主動的防塵技術(shù)不僅有助于維護通風設(shè)備的正常運行，還能夠提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，減少對員工健康的潛在危害。其次，選擇適應當?shù)貧夂虻木G植，如耐旱、耐寒的植物，以確保其能夠在各種環(huán)境條件下生長良好，合理布置綠植，使其既能夠發(fā)揮阻擋風沙的作用，又不影響通風口和通風道的正常通風效果，確保這一設(shè)計理念不僅提高了廠房周邊的生態(tài)環(huán)境，還促進了通風系統(tǒng)的協(xié)同運作。最后，采用可持續(xù)的防塵技術(shù)，如利用生態(tài)護坡、草坪覆蓋等，有助于減少土壤侵蝕和揚塵，通過科學的地形設(shè)計，合理設(shè)置地面植被，既能夠降低室外粉塵對廠房的侵害，又有助于維持周邊土壤的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

綜上所述，提高工業(yè)廠房自然通風效率是保障廠房工作環(huán)境以及工人健康的重要措施，良好的自然通風效果還能夠為生產(chǎn)帶來更高的生產(chǎn)效益。本文通過對比智能化通風系統(tǒng)的整合方案、屋頂通風與隔熱材料應用的整合方案以及建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)的整合方案的優(yōu)劣勢，從經(jīng)濟效益、通風效率以及能源利用率上分析不同整合方案的優(yōu)劣，選擇了建筑結(jié)構(gòu)通風系統(tǒng)的整合方案作為工業(yè)廠房自然通風改造標準。