提高工業廠房自然通風效率的有效方法研究

潘博 PAN Bo

（中色科技股份有限公司，洛陽 471000）

0 引言

工業廠房的自然通風效率在工業生產中起著至關重要的作用，不僅能夠改善室內空氣質量，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部結構，其自然通風系統設計面臨著一系列挑戰，如何在保障生產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，國內外已有一些研究關注工業廠房自然通風效率的提升方法，但仍存在知識空缺和技術瓶頸。本文旨在通過系統性的研究與分析，將從環境科學、建筑工程和能源管理等多個學科領域綜合考察，明確當前工業廠房自然通風系統的設計現狀以及存在的問題，通過多方面的比較，識別出通用的優化策略和個性化的改進方案，在此基礎上結合現代信息技術，我們將探討智能化控制系統在工業廠房自然通風中的應用，以實現更精準、高效的通風管理。

1 項目概述

某工業廠房項目位于某市郊區，整體建筑分為辦公區、生產廠房和倉庫三個區域，呈現出多功能的設計布局。辦公區占地面積約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構，為整個廠房提供了堅實的外部支撐。辦公區的設計注重舒適性，特別是夏季需求考慮到了空調系統，以確保員工在高溫天氣下能夠有舒適的工作環境。根據業主的要求，冬季則不考慮采暖問題。這樣的設計不僅考慮了季節性的氣溫變化，也體現了對能源的合理利用。生產廠房及倉庫占地面積分別為470 平方米，屋頂采用人字形結構，最高層高為9 米，最低層高為8 米。屋頂表面設置大量采光帶，約占總屋面面積的40%。這樣的設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境。倉庫區域不考慮空調，而生產廠房則在夏季需求中引入了降溫性工業空調，以保障作業人員在合理的氣溫下高效工作。整個項目的設計充分考慮了建筑的結構和功能，以滿足不同區域的使用需求。磚墻結構為建筑提供了穩固的支持，而辦公區和生產廠房的空調系統則為員工提供了舒適的工作環境。采光帶的設置既考慮了能源的可持續利用，也為室內提供了良好的自然光照。整個設計在追求效益和可持續性之間取得了平衡，展現了對現代工業廠房設計的理性和全面考慮。

2 工業廠房提高通風效率的三種方案

2.1 方案一：智能化通風系統的整合方案

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

圖1 智能化通風系統的布局

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絡界面遠程監測通風系統的運行狀況，高度可視化的管理手段，不僅提高了系統的實時監控效果，還為遠程調整通風參數提供了便利，使得工廠管理層能夠更加主動地應對突發情況，確保通風系統的高效運行，并且智能化通風系統的整合方案在提高工業廠房自然通風效率方面展現了顯著的優勢，通過主動感知、智能決策和遠程監控等技術手段的有機整合，工業廠房通風系統不僅更加智能高效，同時也更具適應性和靈活性。

智能化通風系統的整合方案致力于引入前沿技術，融合傳感器技術、自動化控制和數據分析算法，以提高通風系統的智能性。該方案成本投入較高，約為200 萬元，但通過實時監測環境參數，系統能夠智能調控通風設備，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構和材料科技，以最大程度地提升通風效果，同時優化室內溫度，創造更為宜人的工作環境。工業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計，有效地改善了室內空氣流通，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鍵作用，通過在建筑結構中引入高效隔熱材料，有效減緩了室內外溫差的傳導速度，隔熱效果既有助于降低夏季室內溫度，又能在冬季有效保溫，創造了一個更為穩定的工作氛圍。隔熱材料的運用不僅僅關系到室內舒適度，更影響了通風系統的負荷，通過降低溫度波動，通風設備在運行時消耗的能量相應減少，從而提高了通風系統的能效。圖3為工業廠房用彩鋼隔熱巖棉板。

圖3 工業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同設計，通風系統與隔熱材料相輔相成，互為支持。該整合方案注重建筑結構和材料科技的利用，以提升通風效果并優化室內溫度。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較為優越，僅為200 千瓦/小時。通過屋頂通風布局和隔熱材料的協同設計，系統實現了較高的通風效果（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濟效益和能源節約的工業廠房。

2.3 方案三：建筑結構通風系統的整合方案

將通風系統融入到廠房的整體建筑設計中，通過巧妙的結構布局和設備配置，旨在最大化地利用自然風力，提高通風效果。一般而言，建筑結構的通風系統著眼于合理設計通風口和通風道，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，主動引導風流的設計巧妙地兼顧了通風效率和建筑穩定性，為整合方案奠定了基礎。實際設計階段，通過靈活調整這些通風設備的開合程度，系統能夠根據不同的氣象條件和生產需求智能地調整通風方向和強度，實時調控的機制不僅使得通風系統更具適應性，還能夠在各種情況下維持室內的舒適環境，提高工作效率。圖4 為整體廠房置換通風流態圖。

圖4 整體廠房置換通風流態圖

在整合方案中，通過引入先進的監測傳感器和智能控制單元，系統能夠實時監測室內外的溫濕度、氣流速度等參數，從而更加精準地調整通風設備，主動感知的方式不僅提高了系統的智能化水平，也使得通風系統能夠更加主動地適應環境變化，保持最佳的通風狀態。

將通風系統融入到廠房整體建筑設計中的方案著眼于通過巧妙結構布局和設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。通過引入先進的監測傳感器和智能控制單元，系統實現了實時監測和智能調整，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廠房。

3 工業廠房自然通風效率整合方案的比較

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

表1 工業廠房自然通風效率整合方案的優劣勢

計算空氣密度：使用理想氣體狀態方程，計算空氣的密度。該方程為：ρ=，其中，P 是壓力，R 是氣體常數，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。建筑結構通風系統具有最高的通風效率，每小時通風量達到2533.91 立方米，得益于整合設計對建筑結構和通風系統的協同優化，實現了較好的通風效果。

工業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，智能化通風系統相對較高的電量消耗，達到152.3 千瓦時，主要是由于系統的智能化調控和實時監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。建筑結構通風系統相對較低的電量消耗，為124.8 千瓦時，整合設計通過建筑結構的合理布局和通風設備的智能化控制，有效地減少了電力消耗。

3.2 經濟效益

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

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，呼吸區高度甚至約2.5m 以下的空間均處于安全健康區域。相反，在夏季原有通風工況中，約5.5m 以下的區域均落在油霧暴露危險區域。與之相對比，原有通風系統中送風系統以下油霧分布相對均勻，但在循環風風管附近形成了懸浮帶，阻礙了油霧繼續上浮，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，智能化通風系統在通風效率和經濟效益上表現出色，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勢，但通風效率和經濟效益相對較低，在夏季的排污效率得到了全面提升，并且建筑結構通風系統在通風效率和經濟效益上均取得了較好的綜合表現。選擇適當的整合方案需要綜合考慮這些指標以滿足特定的工業廠房需求。因此，最終結合企業生產實際，選擇方案三作為工業廠房自然通風改造標準。

4 建筑結構通風系統整合方案設計原則

4.1 兼顧能源利用的智能化通風系統優化

在工業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，實現通風系統的實時監測和智能調控，通過主動化的管理方式可以根據不同的氣象條件、室內溫濕度等因素，自動調整通風設備的運行狀態，最大程度地提高通風系統的效率。

一方面，通過在廠房內外設置溫濕度、氣流速度等多種傳感器，實時采集大量數據，系統可以更精準地了解環境狀況。為智能決策提供了充足的信息基礎，使得通風系統能夠更準確地適應變化多端的工作環境，實現高效通風的同時最小化能源浪費，在智能化通風系統的優化中，著眼于能源利用效率的提升至關重要。另一方面，通過合理設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。結合建筑的朝向和周邊環境，調整通風系統的參數，使其更好地適應不同的氣象條件，綜合性的設計可以進一步提高通風系統的整體性能，充分發揮其在提升工業廠房舒適度和效率方面的作用。

4.2 兼顧經濟效益的建筑結構優化

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

4.3 根據工業廠房氣流特性設置屋頂通風

提高工業廠房自然通風效率的有效策略需要根據工業廠房氣流特性設置屋頂通風，需要充分認識工業廠房內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計，設置屋頂通風系統。首先，通過合理設置通風口和通風道，確保屋頂通風系統能夠覆蓋整個廠房內部，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，在此基礎上根據工業廠房的具體情況，確定通風口的數量，以實現在不同季節和氣象條件下的靈活調整。最后，通過引入智能傳感器和控制單元，實現對屋頂通風系統的實時監測和遠程控制，確保系統能夠更加智能地適應不同的氣象條件，實現自動調整通風口的開合，從而提高系統的自適應性和整體效率。通過深入了解氣流動力學特性，科學設計通風系統，充分考慮通風口形狀、數量和智能調控等因素，能夠最大限度地優化廠房內部空氣流通，提高工作環境的舒適性，實現能源的有效利用。這一策略不僅符合可持續發展的理念，還為工業廠房提供了創新和高效的通風解決方案。

4.4 綠化與防塵技術結合

綠化與防塵技術的結合是提高工業廠房自然通風效率的創新策略，通過引入綠植覆蓋、采用防塵技術，實現工業廠房內外的環境協同優化，不僅有助于提高通風效果，改善室內外環境，還能夠創造更為健康、宜人的工作場所。同時可以有效減少粉塵對通風系統的影響，延長設備壽命，提高系統的可持續性和經濟效益。首先，通過科學合理的防塵措施，如設立風簾、使用空氣凈化設備等，可以有效減少粉塵對通風系統的影響，主動的防塵技術不僅有助于維護通風設備的正常運行，還能夠提高室內空氣質量，減少對員工健康的潛在危害。其次，選擇適應當地氣候的綠植，如耐旱、耐寒的植物，以確保其能夠在各種環境條件下生長良好，合理布置綠植，使其既能夠發揮阻擋風沙的作用，又不影響通風口和通風道的正常通風效果，確保這一設計理念不僅提高了廠房周邊的生態環境，還促進了通風系統的協同運作。最后，采用可持續的防塵技術，如利用生態護坡、草坪覆蓋等，有助于減少土壤侵蝕和揚塵，通過科學的地形設計，合理設置地面植被，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定性。

5 結語

綜上所述，提高工業廠房自然通風效率是保障廠房工作環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帶來更高的生產效益。本文通過對比智能化通風系統的整合方案、屋頂通風與隔熱材料應用的整合方案以及建筑結構通風系統的整合方案的優劣勢，從經濟效益、通風效率以及能源利用率上分析不同整合方案的優劣，選擇了建筑結構通風系統的整合方案作為工業廠房自然通風改造標準。