提高工业厂房自然通风效率的有效方法研究

潘博 PAN Bo

（中色科技股份有限公司，洛阳 471000）

0 引言

工业厂房的自然通风效率在工业生产中起着至关重要的作用，不仅能够改善室内空气质量，提高员工的工作舒适度，还能有效降低能源消耗，减少对环境的负面影响，由于厂房通常拥有较大的空间体积和复杂的内部结构，其自然通风系统设计面临着一系列挑战，如何在保障生产效率的同时最大化自然通风效果成为亟待解决的问题。目前，国内外已有一些研究关注工业厂房自然通风效率的提升方法，但仍存在知识空缺和技术瓶颈。本文旨在通过系统性的研究与分析，将从环境科学、建筑工程和能源管理等多个学科领域综合考察，明确当前工业厂房自然通风系统的设计现状以及存在的问题，通过多方面的比较，识别出通用的优化策略和个性化的改进方案，在此基础上结合现代信息技术，我们将探讨智能化控制系统在工业厂房自然通风中的应用，以实现更精准、高效的通风管理。

1 项目概述

某工业厂房项目位于某市郊区，整体建筑分为办公区、生产厂房和仓库三个区域，呈现出多功能的设计布局。办公区占地面积约450 平方米，分为上下两层，层高为3.5米。建筑四周采用砖墙结构，为整个厂房提供了坚实的外部支撑。办公区的设计注重舒适性，特别是夏季需求考虑到了空调系统，以确保员工在高温天气下能够有舒适的工作环境。根据业主的要求，冬季则不考虑采暖问题。这样的设计不仅考虑了季节性的气温变化，也体现了对能源的合理利用。生产厂房及仓库占地面积分别为470 平方米，屋顶采用人字形结构，最高层高为9 米，最低层高为8 米。屋顶表面设置大量采光带，约占总屋面面积的40%。这样的设计不仅能够充分利用自然光源，减少对电力的依赖，同时也提供了更为通透的工作环境。仓库区域不考虑空调，而生产厂房则在夏季需求中引入了降温性工业空调，以保障作业人员在合理的气温下高效工作。整个项目的设计充分考虑了建筑的结构和功能，以满足不同区域的使用需求。砖墙结构为建筑提供了稳固的支持，而办公区和生产厂房的空调系统则为员工提供了舒适的工作环境。采光带的设置既考虑了能源的可持续利用，也为室内提供了良好的自然光照。整个设计在追求效益和可持续性之间取得了平衡，展现了对现代工业厂房设计的理性和全面考虑。

2 工业厂房提高通风效率的三种方案

2.1 方案一：智能化通风系统的整合方案

智能化通风系统的整合方案的核心在于前沿技术的引入，使得通风系统不再是简单的机械设备，而是融合了先进的传感器技术、自动化控制以及数据分析算法。在具体实施的过程中，通过在厂房内外部署温湿度传感器、气流监测器等智能感知设备，实时获取环境参数数据，主动式的信息收集方式，为整个通风系统提供了全面而精准的运行基础，基于实时监测的数据，该系统能够准确分析厂房内外的气象条件，实现自动化的通风设备调控，在这一布置方案下，当温度升高或污染物浓度超标时，系统能够迅速响应，自动开启通风口，调整风机的转速，以确保室内空气的清新和舒适，主动调控的方式使得通风系统能够更加灵活地适应复杂多变的生产环境需求。图1 为智能化通风系统的布局。

图1 智能化通风系统的布局

通过连接到云平台，管理人员可以随时随地通过手机应用或网络界面远程监测通风系统的运行状况，高度可视化的管理手段，不仅提高了系统的实时监控效果，还为远程调整通风参数提供了便利，使得工厂管理层能够更加主动地应对突发情况，确保通风系统的高效运行，并且智能化通风系统的整合方案在提高工业厂房自然通风效率方面展现了显著的优势，通过主动感知、智能决策和远程监控等技术手段的有机整合，工业厂房通风系统不仅更加智能高效，同时也更具适应性和灵活性。

智能化通风系统的整合方案致力于引入前沿技术，融合传感器技术、自动化控制和数据分析算法，以提高通风系统的智能性。该方案成本投入较高，约为200 万元，但通过实时监测环境参数，系统能够智能调控通风设备，达到较高的通风效果（8 次/小时），并在能源消耗方面保持中等水平（300 千瓦/小时）。这种高成本、高效能、中等能源消耗的特性使其适用于对通风效果要求较高、愿意投资更多资金的工业厂房。

2.2 方案二：屋顶通风与隔热材料应用的整合方案

屋顶通风与隔热材料应用的整合方案注重利用建筑结构和材料科技，以最大程度地提升通风效果，同时优化室内温度，创造更为宜人的工作环境。工业厂房屋顶通风的布局如图2 所示。具体而言，屋顶通风的整合将焦点置于利用屋顶空间，通过巧妙设计通风口和通风道，使得自然风能够顺畅流入和流出厂房，主动引导自然风流的设计，有效地改善了室内空气流通，减少了局部死角的积聚，为通风效率提供了有力的支持。

图2 屋顶通风

在这个整合方案中，隔热材料的应用起到了关键作用，通过在建筑结构中引入高效隔热材料，有效减缓了室内外温差的传导速度，隔热效果既有助于降低夏季室内温度，又能在冬季有效保温，创造了一个更为稳定的工作氛围。隔热材料的运用不仅仅关系到室内舒适度，更影响了通风系统的负荷，通过降低温度波动，通风设备在运行时消耗的能量相应减少，从而提高了通风系统的能效。图3为工业厂房用彩钢隔热岩棉板。

图3 工业厂房用彩钢隔热岩棉板

该整合方案的独特之处在于对屋顶通风与隔热材料的协同设计，通风系统与隔热材料相辅相成，互为支持。该整合方案注重建筑结构和材料科技的利用，以提升通风效果并优化室内温度。该方案成本投入相对较低，约为100万元，且在能源消耗方面表现较为优越，仅为200 千瓦/小时。通过屋顶通风布局和隔热材料的协同设计，系统实现了较高的通风效果（7 次/小时）。这种低成本、低能源消耗、高效能的特性使其适用于注重经济效益和能源节约的工业厂房。

2.3 方案三：建筑结构通风系统的整合方案

将通风系统融入到厂房的整体建筑设计中，通过巧妙的结构布局和设备配置，旨在最大化地利用自然风力，提高通风效果。一般而言，建筑结构的通风系统着眼于合理设计通风口和通风道，将其纳入建筑布局中，使得自然风能够顺畅地进入和流通于厂房内，主动引导风流的设计巧妙地兼顾了通风效率和建筑稳定性，为整合方案奠定了基础。实际设计阶段，通过灵活调整这些通风设备的开合程度，系统能够根据不同的气象条件和生产需求智能地调整通风方向和强度，实时调控的机制不仅使得通风系统更具适应性，还能够在各种情况下维持室内的舒适环境，提高工作效率。图4 为整体厂房置换通风流态图。

图4 整体厂房置换通风流态图

在整合方案中，通过引入先进的监测传感器和智能控制单元，系统能够实时监测室内外的温湿度、气流速度等参数，从而更加精准地调整通风设备，主动感知的方式不仅提高了系统的智能化水平，也使得通风系统能够更加主动地适应环境变化，保持最佳的通风状态。

将通风系统融入到厂房整体建筑设计中的方案着眼于通过巧妙结构布局和设备配置最大化地利用自然风力，提高通风效果。该方案成本投入适中，约为150 万元，能源消耗水平为250 千瓦/小时，通风效果为5 次/小时。通过引入先进的监测传感器和智能控制单元，系统实现了实时监测和智能调整，具有中等成本、中等能源消耗和通风效果的特点。这种方案适用于对通风效果和成本均有一定要求的工业厂房。

3 工业厂房自然通风效率整合方案的比较

工业厂房自然通风效率整合方案的优劣势比较如表1 所示。智能化通风系统方案具有最高的通风效率，每小时通风量达到2138.23 立方米，归因于系统实时监测和智能决策的能力，使得通风系统能够更灵活地调整通风量以适应不同需求。

表1 工业厂房自然通风效率整合方案的优劣势

计算空气密度：使用理想气体状态方程，计算空气的密度。该方程为：ρ=，其中，P 是压力，R 是气体常数，T 是绝对温度。

计算空气体积流量：空气体积流量Q 可以通过喷嘴截面积A 乘以送风速度V 得到：Q=A·V

计算热功率：使用热功率方程，将冷负荷Qc和空气密度ρ 引入：Qc=ρ·Q·c·Δt，其中，c 是空气比热，Δt 是温差。

计算出风口的实际风速：利用补风量L 与空气体积流量Q 的关系式：L=Q·Δt，解出V。

屋顶通风与隔热材料整合方案具有中等水平的通风效率，每小时通风量为1572.31 立方米，主要是受到隔热材料对通风效果的一定影响，导致相对较低的通风量。建筑结构通风系统具有最高的通风效率，每小时通风量达到2533.91 立方米，得益于整合设计对建筑结构和通风系统的协同优化，实现了较好的通风效果。

工业厂房自然通风效率整合方案的效益比较如表2所示。

3.1 能源利用效率

能源利用效率方面，智能化通风系统相对较高的电量消耗，达到152.3 千瓦时，主要是由于系统的智能化调控和实时监测需要一定的电力支持。屋顶通风与隔热材料整合方案具有较低的电量消耗，仅为11.72 千瓦时，主要是是因为整合方案中采用了隔热材料，降低了能源消耗。建筑结构通风系统相对较低的电量消耗，为124.8 千瓦时，整合设计通过建筑结构的合理布局和通风设备的智能化控制，有效地减少了电力消耗。

3.2 经济效益

在经济效益方面，智能化通风系统整合方案投入产出比为0.4，即每投入1 万元能够带来0.4 万元的节约成本，在经济效益方面，智能化通风系统相对较高。屋顶通风与隔热材料整合方案投入产出比为0.53，较智能化系统稍高，但整体经济效益相对较低。建筑结构通风系统投入产出比为0.6，是三种方案中投入产出比最高的，显示出整体较好的经济效益。

3.3 排污效果

在夏季工况下，研究考察了不同通风系统下不同高度水平面油雾浓度平均值的垂直分布。如图5 所示，可以观察到点划线表示的是原有通风工况，而虚线表示的是新型通风工况。红色垂直线代表了NIOSH 的油雾暴露健康限值，而红色水平线则代表呼吸区高度为1.5m。从图中清晰可见，在夏季新型通风工况下，呼吸区高度甚至约2.5m 以下的空间均处于安全健康区域。相反，在夏季原有通风工况中，约5.5m 以下的区域均落在油雾暴露危险区域。与之相对比，原有通风系统中送风系统以下油雾分布相对均匀，但在循环风风管附近形成了悬浮带，阻碍了油雾继续上浮，导致靠近动力排风装置位置的油雾浓度反而较低。

总体而言，智能化通风系统在通风效率和经济效益上表现出色，但在能源利用效率上略逊一筹，屋顶通风与隔热材料整合方案在能源利用效率上具有优势，但通风效率和经济效益相对较低，在夏季的排污效率得到了全面提升，并且建筑结构通风系统在通风效率和经济效益上均取得了较好的综合表现。选择适当的整合方案需要综合考虑这些指标以满足特定的工业厂房需求。因此，最终结合企业生产实际，选择方案三作为工业厂房自然通风改造标准。

4 建筑结构通风系统整合方案设计原则

4.1 兼顾能源利用的智能化通风系统优化

在工业厂房自然通风效率的改造的过程中，可以通过引入先进的智能控制技术，实现通风系统的实时监测和智能调控，通过主动化的管理方式可以根据不同的气象条件、室内温湿度等因素，自动调整通风设备的运行状态，最大程度地提高通风系统的效率。

一方面，通过在厂房内外设置温湿度、气流速度等多种传感器，实时采集大量数据，系统可以更精准地了解环境状况。为智能决策提供了充足的信息基础，使得通风系统能够更准确地适应变化多端的工作环境，实现高效通风的同时最小化能源浪费，在智能化通风系统的优化中，着眼于能源利用效率的提升至关重要。另一方面，通过合理设计通风口和通风道的布局，确保自然风流能够顺畅地进入和流通于厂房内。结合建筑的朝向和周边环境，调整通风系统的参数，使其更好地适应不同的气象条件，综合性的设计可以进一步提高通风系统的整体性能，充分发挥其在提升工业厂房舒适度和效率方面的作用。

4.2 兼顾经济效益的建筑结构优化

在工业厂房自然通风效率优化的过程中，可以通过合理设计厂房建筑结构，优化通风系统的布局，基于科学的建筑设计原理，考虑建筑朝向、窗户设置以及通风口的分布，以最大化地引导和利用自然风流，减少对机械通风设备的依赖，降低能源消耗，实现经济效益与通风效率的双赢。此外，通过科学布局通风设备，确保其在厂房内的分布均匀，能够覆盖整个空间，使得通风效果更为全面，合理设置通风口和通风道的尺寸，使其能够适应不同的季节和气象条件，实现通风效果的灵活调整，灵活性有助于最大化适应厂房内外部环境的变化，提高通风系统的适应性和效率。除此之外，在建筑结构优化中，可以考虑智能化调控技术的应用，实现对建筑结构通风系统的实时监测和远程控制，确保通风控制系统能够更加智能地适应不同的气象条件，自动调整通风设备的运行状态，提高系统的自适应性，进而提高整体效益。通过科学设计、合理布局通风系统，结合屋顶通风、隔热材料的应用，以及智能化调控技术的引入，既能够实现通风效果的最大化，又能够降低能源消耗，达到经济效益的双赢。

4.3 根据工业厂房气流特性设置屋顶通风

提高工业厂房自然通风效率的有效策略需要根据工业厂房气流特性设置屋顶通风，需要充分认识工业厂房内部气流的动力学特性，了解其热量积聚、湿度分布等情况，通过科学合理的建筑设计，设置屋顶通风系统。首先，通过合理设置通风口和通风道，确保屋顶通风系统能够覆盖整个厂房内部，以获得全面的通风效果。其次，通过科学的空气动力学原理，设计出适宜的通风口形状，使得气流能够顺畅地进入和流通于厂房内，在此基础上根据工业厂房的具体情况，确定通风口的数量，以实现在不同季节和气象条件下的灵活调整。最后，通过引入智能传感器和控制单元，实现对屋顶通风系统的实时监测和远程控制，确保系统能够更加智能地适应不同的气象条件，实现自动调整通风口的开合，从而提高系统的自适应性和整体效率。通过深入了解气流动力学特性，科学设计通风系统，充分考虑通风口形状、数量和智能调控等因素，能够最大限度地优化厂房内部空气流通，提高工作环境的舒适性，实现能源的有效利用。这一策略不仅符合可持续发展的理念，还为工业厂房提供了创新和高效的通风解决方案。

4.4 绿化与防尘技术结合

绿化与防尘技术的结合是提高工业厂房自然通风效率的创新策略，通过引入绿植覆盖、采用防尘技术，实现工业厂房内外的环境协同优化，不仅有助于提高通风效果，改善室内外环境，还能够创造更为健康、宜人的工作场所。同时可以有效减少粉尘对通风系统的影响，延长设备寿命，提高系统的可持续性和经济效益。首先，通过科学合理的防尘措施，如设立风帘、使用空气净化设备等，可以有效减少粉尘对通风系统的影响，主动的防尘技术不仅有助于维护通风设备的正常运行，还能够提高室内空气质量，减少对员工健康的潜在危害。其次，选择适应当地气候的绿植，如耐旱、耐寒的植物，以确保其能够在各种环境条件下生长良好，合理布置绿植，使其既能够发挥阻挡风沙的作用，又不影响通风口和通风道的正常通风效果，确保这一设计理念不仅提高了厂房周边的生态环境，还促进了通风系统的协同运作。最后，采用可持续的防尘技术，如利用生态护坡、草坪覆盖等，有助于减少土壤侵蚀和扬尘，通过科学的地形设计，合理设置地面植被，既能够降低室外粉尘对厂房的侵害，又有助于维持周边土壤的稳定性。

5 结语

综上所述，提高工业厂房自然通风效率是保障厂房工作环境以及工人健康的重要措施，良好的自然通风效果还能够为生产带来更高的生产效益。本文通过对比智能化通风系统的整合方案、屋顶通风与隔热材料应用的整合方案以及建筑结构通风系统的整合方案的优劣势，从经济效益、通风效率以及能源利用率上分析不同整合方案的优劣，选择了建筑结构通风系统的整合方案作为工业厂房自然通风改造标准。