《热压作用下通风与空气调节》

图3.1　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pa和pb，假设窗孔内的静压分别为。用Δpa和Δpb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tn、ρn和tw、ρw，由于tn＞tw，所以ρn＜ρw。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Δpa作用下流动，最终使得pa=，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：

图3.2　热压作用下的自然通风

从上式可以看出，当Δpa=0时，只要ρn＜ρw（即tn＜tw），则Δpb＞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Δpa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，Δpa＜0；窗孔b排风，Δpb＞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ρw-ρa有关，我们把（ρw-ρa）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tw＜tn时，ρw＜ ρn，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：pya、pyb——窗孔a、b的余压，Pa；

　　　py0——中和面的余压（py0=0）；

　　　h1、h2——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。

图3.3　压差沿车间高度的变化

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；

　　　tp——车间上部的排风温度，℃；

　　　tj——车间的进风温度，℃，tj=tw；

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

室外计算温度tw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tp

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(www.xing528.com)

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tn-tw≤5℃，tp-tw应不超过10～12 ℃对当厂房高度小于15 m，室内散热量比较均匀，且不大于116W/m3时，可以采用下式计算排风温度。

式中：tn——工作地点温度，℃；

　　　Δth——温度梯度，℃/m，见表3.1；

　　　H——排风天窗中心距地面高度，m。

表3.1　温度梯度Δth

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/m3，车间高度大于15 m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：m1——由热源占地面积和车间地板面积比值确定系数；

　　　m2——由热源高度确定系数；

　　　m3——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。

表3.2　根据热源占地面积估算m值

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pya及pyb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：Ga——窗孔a的进风量，kg/s；

　　　Gb——窗孔a的排风量，kg/s；

　　　ζa——窗孔a的局部阻力系数；

　　　ζb——窗孔a的局部阻力系数；

　　　ρw——室外空气密度，kg/m3；

　　　ρp——排风温度下的空气密度，kg/m3；

　　　ρnp——室内平均温度tnp下的空气密度，kg/m3。

室内平均温度tnp由下式确定：

如果取ζa=ζb，ρw=ρp，由风量平衡方程Ga=Gb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。