东风设计研究院有限公司南方公司 510800
摘要：工业建筑中的汽车厂房单体面积大，生产人员密度小，自动化程度高以及工艺设备及生产线较为复杂。而且考虑对大气环境的影响，国家对工业项目能耗指标的管控也越来越严格。针对这样的现状，作为工业建筑中耗能大户的空调系统，在新建厂房设计及改造的空调系统设计中，如何尽量投入较少的初投资和运行费用，达到更舒适有效的效果。本文以实际工程项目为实例，简要陈述了局部送风系统的设计思路，并总结了既有项目在空调系统设计中的经验教训。
关键词：局部送风 喷口送风
1．背景概述
工业建筑中的汽车厂房项目，由于单体面积较大，单位面积的生产人员密度值较公共建筑小很多。而且随着工业程度自动化的推进，车间内工作人员数量还在逐年下降。考虑气候环境的影响，国家对工业项目能耗指标的管控也越来越严格，企业因此感受到了很大的节能降耗的压力，针对这样的现状，作为工业建筑中耗能大户的空调系统，如何在新建厂房设计及改造的空调系统设计中，尽量投入较少的初投资和运行费用，达到更舒适有效的效果。这是本文想要讨论的前提背景。
表1 车间人员密度
.png)
由上表可以看出，与公共建筑相比汽车工业厂房内人员密度非常低，如果按整个车间设置整体空调系统，初投资及运行费用将会呈几倍增加。以广州某汽车厂铸造车间为例进行项目初投资及运行费用对比，比较结果见下表：
表2 车间不同空调系统形式初投资及运行费用比较.png)
2．局部送风设计相关标准及思路
2.1 工业企业设计卫生标准的要求
根据《工业企业设计卫生标准》（GBZ 1-2010）之规定[1]：
6.2.1.10 高温、强热辐射作业，应根据工艺、供水和室内微小气候等条件采用有效的隔热措施，如水幕、隔热水箱或隔热屏等。工作人员进场停留或靠近的高温地面或高温壁板，其表面平均温度不应＞40℃，瞬间最高温度也不宜＞60℃。
6.2.1.11 当高温作业时间较长，工作地点的热环境参数达不到卫生要求时，应采取降温措施。
a）采用局部送风降温措施时，气流达到工作地点的风速控制设计应符合以下要求：
--带有水雾的气流风速为3m/s~5m/s，雾滴直径应＜100μm；
--不带水雾的气流风速，劳动强度Ⅰ级的应控制在2m/s~3m/s，Ⅱ级的控制在3m/s~5m/s，Ⅲ级的控制在4m/s~6m/s。
b）设置系统式局部送风时，工作地点的温度和平均风速应符合表1的规定：
表3 工作地点的温度和平均风速.png)
2.2 系统式局部送风的设计思路
由于我国夏热冬暖及夏热冬冷地区近30座城市的夏季通风室外计算温度≥33℃，占全国主要200个气象台站的15%，还有近40座城市夏季通风室外计算温度为32℃，占20%，而这些城市车间内工作地点气温上限定位35℃时，自然通风可资利用的热压仅2℃~3℃空气密度差，个别城市为1℃。可见，仅借热压达到良好的有组织自然通风是困难的。设计应充分估计“工人为观察、操作和管理生产过程而经常或定时停留的地点”，当工作地点超过35℃时，应采取局部送风的降温措施[2]。
置于工作地点的辐射照度，可由工艺提供或有类似车间测定获得，亦可按下式计算：
qWP=5.76¢WP¢FO[（273+tR）/100]4 （1-1）
式中 qWP-工作地点的辐射照度（W/m2）；
5.76-绝对黑体辐射系数[W/（m2.K4）]；
¢WP-工作地点只辐射热源距离的系数；
¢FO-炉门遮挡系数；
tR-辐射热源温度（℃）。
用局部送风增加局部工作地点的风速或者同时降低局部工作地点的空气温度，以改善局部工作地点的环境[2]。
常用的局部送风装置有风（吊）扇、喷雾风扇和系统式局部送风三种装置。其中系统式式局部送风作为有效的降温方式在汽车厂房中运用最多，我们这里主要讨论系统式的局部送风装置。对于工艺设备散热参数的收集实际实施较为困难，在方案设计甚至是施工图设计阶段，汽车厂房类型的建设方考虑工艺设备资料的不完善或者保密性的要求，基本无法提供较为全面准确的工艺设备发热量技术资料，在施工图阶段设计方经常都是按既有项目进行估算。
（1）系统式局部送风的设计
（2）设计系统式局部送风时，应符合下列要求：
1）系统式局部送风系统，不应与进气通风系统合并；
2）不得将有害物质或者热气流吹向人体；
3）送风气流宜从人体的前侧或前侧上方倾斜吹到头、颈和胸部，或从上向下垂直送风；
4）送到人体上的有效气流宽度，宜采用1m；对于室内散热量＜23（W/m2）的轻作业者，可采用0.6m。
选用送风口（或“喷头”）时，应视工作地点大小以及工人活动范围而定。当工作场地较大时，宜采用大型送风口或者旋转送风口；当工作地点㐉时，亦可采用带有简括短管的圆形送风口。旋转送风口带有倒流叶片，且风口与风管间采用可转动的活动连接，故可任意调节气流方向。
球形可调风口是一种喷管式送风口。高速气流通过喷口对指定方向和地点送风，球喷射方向可以方便的调节。
球形可调风口的局部阻力系数ξ=1.9（包括出口动压损失）。其性能详见下表：
表4 球形送风口性能表
.png)
一些常用送风口的紊流系数α见下表：
表5 紊流系数α值
.png)
（3）系统式局部送风的计算
系统式局部送风计算，首先应根据卫生要求，确定工作地点所需要的温度和风速，然后利用空气自由射流的运动规律，求出送风口的出口风速、送风量、送风口尺寸以及送风温度。
考虑到设置局部送风系统的目的是要在工作地点造成一定的风速和空气温度，但在自由射流的边界处其气流速度等于零，其温度已经接近于室内空气温度，这部分气流实际上已经不可能起到局部送风的作用。所以在计算局部送分系统时，并不采用射流的全部宽度，而只是应用气流的中间部分（成为有效部分），即其边界风速vx=0.2vs（vs为该断面的轴心速度）以内的气流。表1中要求达到的温度和风速是指有效部分的平均温度和平均风速，不是指整个射流断面上的平均温度和风速。在这种情况下不能再直接饮用流体力学中有关公式。局部送风系统用的计算公式经换算后，在下表中列出。
表6 系统式局部送风射流计算公式.png)
3．结合具体工程案例分析局部送风设计
3.1 广州某汽车厂铸造车间工位送风施工图设计
广州某汽车厂铸造车间，单层丁类生产厂房，车间内建筑面积约为15200m2，主体屋架下弦标高为FL+8.700m。按辐射照度等级来划分应为Ⅲ级。原车间到2010年扩建43.5m后总工位送风数（即生产员工分布数量）约为132个。
在车间西侧设有一个制冷站房，设置两套螺杆式空气源冷水机组，单套冷水机组制冷量为Ql=495kW。南侧设有一个制冷站房，设置两套水冷螺杆式冷水机组，单套冷水机组制冷量为Ql=702kW。两个站房联合为车间供给7/12℃的冷冻水，车间内设置14套全新风空气处理机组，总新风送风量为L=19.9万m3/h，总制冷量为Ql=1440kW。由于车间下部空间有限，局部区域又有天车运行，因此空调机组均布置于FL+5.00~13.20m左右的专用空调平台上。
空调末端采用可调式球形风口送风口，单个风口平均送风量约为1500m3/h，球形风口的接风管尺寸为Ø390mm，出风口尺寸为Ø260mm。风口的安装高度约为FL+2.80~3.50m之间。车间工位送风系统布置见下图所示：
图1 某铸造车间局部送风系统布置
.png)
本项目含扩建部分于2010年投入运行至今已有7年，这期间与业主有过多次交流。经验与教训总结如下：
由于业主生产工艺布局不断调整，导致末端风口位置数量变化较多，后期业主直接跟施工单位联系现场修改了工位送风点，没有反馈到设计方配合主风管尺寸，导致部分风系统局部阻力过大，各环路阻力损失偏差很大。风系统远端风口风量很小，远端现场工人反馈风感及冷感均非常微弱。在广州7~8月室外环境最炎热的时期，新风风柜的处理效果也较差，由此频繁接到一线工人的投诉。
现场施工单位自行修改的风口在支风管接风口的位置未做相关保温，沿途冷损失较大，风口处的出风温度已经达到26℃，经吹出口与室内空气混合升温，到人活动的高度1.80m后已经达到28~30℃了，冷感非常弱。
以上问题严格来说不算是设计问题，但是最终都需要设计方配合解决。因此在业主的二期铸造车间方案设计阶段，设计方采用了几种措施来避免再次出现以上状况：一是在业主提出的工位送风点数量上再留有一定余量，对于靠近发热源较大的工艺设备附近的工位点，考虑设置2处风口。二是增大单个风口的工位送风量，由原设计的单个风口风量1500m3/h提升到3500~4000m3/h。业主反馈有明显改善。三是在工艺设备比较复杂，空调风管走管困难的区域，一次侧设计空调风管时尽量多预留一些风压，以免管路阻力损失超过设备所能提供的压损，造成远端风口无风。
3.2 广州某汽车厂焊装车间工位送风施工图设计
广州某汽车厂焊装车间，建筑面积约为28550㎡。建筑类别为丁类。此项目为改造项目，是将原有的仓库一期和部分的仓库二期改造为焊装车间，车间的外部墙体及屋顶部分基本保持原有结构不变。车间主体屋架下弦中心线标高分别为FL+8.00m和FL+9.30m。车间部分区域设置了钢平台，局部区域实际使用来说有上下两层工艺生产线。
其中有车间内设置工位局部送风的区域面积约为19550㎡。空调冷源由贴建于车间东侧的涂焊制冷站房提供7/15℃的冷冻水。车间设置两个空调平台用于放置组合式空气处理机组，供设置10套空气处理机组，单套设备送风量为L=4.5万m3/h，单套设备制冷量为Ql=390kW。合计总空调送风量为L=45万m3/h。总制冷量为Ql=3900kW。10套组合式风柜共为约290个工位送风点服务。末端采用可调式球形喷口送风口，单个风口平均送风量约为1550m3/h，球形风口的接风管尺寸为Ø400mm，出风口尺寸为Ø260mm。风口的安装高度约为FL+2.80~3.50m之间。车间工位送风系统布置见下图所示：
项目于2016年竣工，目前运行状况良好。目前未收到业主使用部门的投诉反馈。主要在于设计时充分考虑了冷量余量，同时冷冻水是由车间贴建的专用制冷站房提供，避免了一个站房带几个车间制冷系统，造成冷冻水分配不均的情况出现。
3.3 广州某汽车厂冲压车间工位送风施工图设计
广州某汽车厂冲压车间，为新建单层戊类工业厂房，边柱柱顶标高分别为 17.800m、20.680 m。建筑面积约为25576㎡。
图2 某焊接车间局部送风系统布置
.png)
其中有车间内设置工位局部送风的区域面积约为22600㎡。空调冷源由贴建于综合动力站房提供7/12℃的冷冻水。冲压车间空调系统共由11个系统组成，11套组合式风柜供为约182个工位送风点服务。空调机组置于室外辅房屋面，或者车间柱间平台下方。合计总空调送风量为L=23.5万m3/h。总制冷量为Ql=2653kW。末端接球形喷口送风口（风管上装调节阀或调节阀与喷口一体式），单个风口平均送风量约为1550m3/h，球形风口的接风管尺寸为Ø400mm，出风口尺寸为Ø260mm。风口的安装高度约为FL+3.60m。车间工位送风系统布置见下图所示：
图3 某冲压车间局部送风系统布置
.png)
该项目于2012年竣工，由于车间都有冲压天车运行通过，所以空调系统的球形风口送风大部分只能布置在柱边，导致风口到工位点的距离在8~14m之间，后期与工艺配合，调整了天车的运行轨道，部分风管可引到工位点附近，效果有明显改善，对于距离工位点较远的区域，喷口送风在达到工位点时已经与室内热空气充分混合升温，仅能让作业点工人感受到风感，凉感效果不明显。这也是由冲压车间的工艺现状决定的，目前无更好的设计思路。
参考文献：
[1]工业企业设计卫生标准（GBZ 1-2010）.中华人民共和国卫生部发布.2010-01-22发布，2010-08-01实施
[2]许居鹓，陆哲明，邝子强.机械工业采暖通风与空调设计手册.上海：同济大学出版社.2007