浅谈节能在厂房通风中的应用

关键词： 能耗 离不开 通风 建筑

通风是建筑中能耗中的重要组成部分。在一般的民用建筑中, 通风空调的用电量占了建筑能耗的三分之一, 而照明能耗也占了大约30%左右。现代建筑离不开通风系统, 厂房正常的生产环境更离不开工业通风, 对于工业建筑来说, 除去厂房设备的用电, 通风能耗占很重要的部分。现代社会讲求节能, 如何降低厂房通风的能耗, 在目前这个节能环保的大环境下, 显得尤为重要。现以某万吨级船厂各不同车间的工程实例, 讨论节能在厂房通风中的应用。

1 厂房通风的特点和要求

工业建筑一般为大跨度厂房, 具有室内空间大, 污染源种类较多, 污染物发生量大, 分布相对集中, 通风需求量大等特点, 对于部分特殊工艺的厂房, 又需要有专业的送排风系统。因此对于厂房通风中的节能设计, 必须从正确选择通风方式的方面着手结合实际情况进行考虑。

2 三种通风方式的特点和节能应用

通风方式一般分为自然通风、机械辅助通风、完全机械通风三种形式。自然通风的换气量很大, 不消耗电能, 是一种最经济, 最有效的通风方式。在一些污染源或人员相对集中厂房, 除了整体自然通风外, 还加上局部送排风设备, 形成机械通风与自然通风相结合的设计。机械通风能精确地调节室内环境, 对进出空气进行有效处理, 部分无法采用自然通风的厂房, 必须采用完全的机械通风设计。无论是哪种通风方案, 节能在其中都是不可忽视的因素。

2.1 自然通风

自然通风是尽可能采用的最节能的通风方式。它是利用室内外温度差或风力作用实现换气的一种通风方式。自然通风的动力主要是热压与风压。

根据流体力学的方程:

加强自然通风的方法主要是从温度差与高度差这两方面考虑, 当室内外空气参数确定的时候, 温差因素基本固定, 则高度差就是从设计方面增强自然通风的主要手段。因此在一般厂房的通风设计上, 除了厂房下部有侧窗外, 上部都会有气楼或气窗的设计。

船厂的分段车间代表了大多数使用自然通风的车间。分段车间平面轴线尺寸为9 6 m×2 2 5 m, 总高度2 5 m, 其中气楼高度2m。墙面板及屋面板采用冷压彩钢板, 屋面钢板下采用玻璃棉隔热。车间的室内负荷主要以人员及设备为主, 室外负荷以辐射及墙体屋面热传导为主。由于室内空间较大, 若采用机械通风, 则会消耗大量的能量, 充分利用厂房的高差和较大的侧窗面积来实现自然通风是比较经济的做法。厂房侧墙沿长度方向几乎通长地设有侧窗, 每跨的屋面也设有气楼, 目的就是为了提高自然通风换气量。只要通风量足够, 就能够保证室内空气参数满足人员及设备的要求。这是大多数冷加工车间所采用的自然通风设计方案。

2.2 混合通风

对于厂房车间来说, 人员的活动区域较大, 而污染源的部位相对集中和固定, 采用局部排风措施与自然通风设计相结合, 是厂房车间常用的通风方式。混合通风能充分结合自然通风节能、通风量大, 以及机械通风针对性强、效率高的优点, 达到单一通风系统无法实现的目的, 在节能与通风效果上, 都有较好的效果。

以船体车间为例, 船体车间长为262m, 宽为90m, 分成3跨, 每跨30m。建筑结构与分段车间相类似, 主要的通风形式也一样, 以自然通风为主。然而, 厂房的中间跨部位只有屋面的气楼, 两侧没有直接与外界相连的侧窗, 单纯依靠自然通风的话, 由侧窗进气口进入厂房内的新鲜空气, 在未进入中跨作业区范围之前, 就已经被加热而上升至天窗排气口排出室外, 形成进气短流现象, 这样的进气, 没有起到提高作业区空气质量和改善作业区热环境的作用。因此, 为提高厂房通风效果, 在车间设备布局上进行了调整以增强通风的效果。

大部分冲压、开孔等设备, 均布置在靠近两侧墙的位置, 以便获得较好的通风及采光效果。而材料堆放区等人员活动较少的地方, 则安排在中间跨的位置。另外, 等离子切割机等设备被安排在中间跨的位置。这是因为, 等离子切割机是热量产生较大的设备, 而切割机的焊枪附近自带有局部排风降温的设备, 及时把焊枪切割部位产生的热量通过排风机排到车间上部。由于排风机的抽吸作用, 在设备的下方形成局部负压区域, 对两侧的新风有吸引作用, 有效地加强中间跨区域的自然通风效果。

其他车间的通风也采用类似的局部通风措施。对于人员密集部位, 安装局部送风设备;热量及污染物的发生源, 往往有抽风机等局部排风措施, 直接将废气排出室外。改善室内工作区域环境参数的同时, 最大限度地减少通风能量的消耗。

2.3 机械通风

自然通风缺点是风压动力小, 受室内外条件影响大, 而机械通风虽然耗能大, 但优点是可以精确地调控室内环境。因此, 对于某些有特殊要求的厂房, 则必须采用机械通风的方式, 对进入及排出的空气进行处理, 以保证车间作业环境的正常和减少对室外环境的影响。机械通风设计主要的根据是室内外的空气参数、工艺要求、环保要求等, 以具体的工程实例。

船厂的喷砂车间是典型的要求完全依靠机械通风的厂房。其子车间喷漆房进行的是单个船体分段的最后一步工序——喷漆。完全的机械通风一般用于特殊工艺的厂房, 室内作业环境恶劣, 空气质量差, 有大量污染物形成, 对排风质量有要求, 无法进行自然通风的厂房才需要采用。

以喷漆房为例加以说明完全机械通风系统。

喷漆房平面尺寸为60m×33m, 高14m。建筑结构与普通车间类似, 围护结构主要是彩钢墙板, 屋面是彩钢屋面, 屋面板下采用玻璃棉隔热, 沿长度方向每隔15米设有透明采光瓦。但其通风系统与普通冷加工车间完全不同。当两侧柔性门关闭时, 车间内部形成完全密闭空间, 防止车间内有毒的喷雾污染室外环境。全车间完全采用机械通风方式, 送风与排风分别由两套独立的风机系统完成, 送风系统承担热湿负荷, 维持室内参数稳定, 排风系统处理室内污染空气, 使其达到环保标准后排放。

喷漆房的内部作业人员需要专用的防护服及呼吸供应系统。车间整体的通风采取上送下排, 空气单向流动, 全新风系统, 新风系统负责室内的热湿负荷。喷漆工艺所带来的是大量的湿负荷, 热湿比ε相对较小, 在焓湿图上的热湿比线较平。对于湿负荷较大的车间, 送风设计不能采用露点送风方式, 新风必须采取冷却除湿再二次加热的处理过程, 保证送风状态点与室内空气状态点满足热湿比的要求。

喷漆车间的漆雾是污染环境的有毒气体, 在排出室外时必须进行净化处理。污染物主要是有机漆雾, 采用VOG-360L型有机废气净化装置, 通过过滤与吸附后进行高空排放。吸附床中起吸附作用的主要材料是活性炭, 当活性炭吸附达到一定程度时要进行脱附处理。脱附操作时, 流经吸附床的气体成为有机废气, 流经催化燃烧机, 使有机物燃烧分解, 达到排放要求后进行高空排放。脱附再生后的活性炭能够继续担当吸附作用。

3 对设计方面的改进

通过工程实例的实践, 本人认为在厂房的机械通风设计在节能方面还能得到改进。

喷漆房原空气处理过程如图1实线部分。

新风处理系统是一台组合式风柜。风柜的空气处理过程依次为, 过滤、冷却除湿、回热交换、二次加热, 风机段设在风柜的末端。

室外空气W经过冷却除湿后, 达到露点状态L, 经过等湿升温达到送风状态点O后送入室内, 室内空气N经过净化处理后直接排到室外, 不参与回风过程。冷却除湿与再热是空气处理的主要过程, 两者结合方能使送风状态达到远离露点线的设计要求。

空气要经过降温与升温两个相反的过程, 这本身是一个相当耗费能量的过程, 尤其是制冷的功要比制热的功消耗得多。

在喷漆房的新风处理过程中, 再热过程主要是由回热交换来实现。采用回热交换是考虑节能的需要, 主要设备是转轮式全热交换器, 主要部件是一个转轮, 新风与回风从相反方向穿过转轮, 两者不发生混合, 只是通过转轮进行热交换。新风的温度经过回热交换后能达到室内送风状态点, 若回热不足将开启二次电加热设备进行热量补充, 以回风的热量代替二次加热量能节约大量的能量, 尤其是减少由电能直接转化成热能导致的能量级别的降低。

在本工程中, 回风的是直接从空调机房内部吸入, 经过热交换后就直接排到室外去了, 在原设计的排风管上包有保温材料, 这就说明“回风”排到室外的时候也是具有相当的冷量。经冷却后的空气直接排到室外是对冷量极大的浪费, 这样使用全热交换器的做法, 只是减少了要抵消冷量的加热量, 却没有起到回收冷量的作用, 其节能效果大打折扣, 应该把冷却后的空气回收并加以利用。

如图1虚线所示。经过简单改装后的送风系统, 把经过回热交换器的回风引入到新风吸入端, 使新风状态点从W点降到W’点, 再经过冷却除湿与回热升温处理。此时冷却除湿所需降低的焓值, 由原来的W-L变为W’-L, 减少了冷却除湿部分的负荷。把“回风”的冷量回收, 能有效地利用冷量, 从而更有效地节能。

4 对通风发展想法

工业通风要满足节能、环保、健康的要求, 有两个方面的矛盾必须要解决。

一是通风能耗与照明能耗的矛盾。要节约照明方面的能耗, 就要求增加自然采光量, 而增加采光量, 必然导致室内辐射热负荷的增加。要解决这一矛盾, 主要方法是减少辐射热, 提高围护结构保温性能。使用透光性好、导热系数小的采光板, 把窗户玻璃更换为Low-E低辐射玻璃, 采用局部照明的方法等等, 都是目前降低通风与照明能耗的方法。

二是健康要求与节能要求的矛盾。要满足室内人员健康与卫生要求, 新风量必然要大, 而新风量的增大, 则会造成通风系统新风负荷的增大。对于民用建筑, 为了同时满足健康与节能的要求, 还规定了最少新风量这个内容, 但对于本工程的工业厂房来说, 这对矛盾比较容易解决。主要原因是, 厂房的内部跨度较大, 净空较高, 比较容易做自然通风的设计, 自然通风是满足健康需求的、最节能的方案。一般大空间的车间, 均采用自然通风或机械辅助通风的设计。另外一个原因就是, 厂房产生的废气, 利用价值低, 不适合作为一次或二次回风使用。因此厂房的机械通风大多采用全新风设计。

节能与环保是一个发展趋势, 在降低工业能耗的方案中, 减少工业通风能耗是很关键的一点, 在今后通风的发展中, 如何降低能耗, 满足使用要求, 将成为很重要的一部分。这需要结合建筑、照明、设备、新型材料等方面从设计、施工、运行、使用进行综合考虑和解决节能的问题, 建筑通风才会有新的发展和质的飞越。

摘要：本文通过某船厂不同车间的工程实例, 分别就厂房不同的通风方式, 讲述节能在通风系统中的节能设计和应用。最后对机械通风的设计方案作出改进建议, 并对通风节能的未来发展提出自己的看法。

关键词：节能,自然通风,机械通风