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摘要：在我国国民生活水平大幅提升的同时，社会对纸张的需求量也出现了持续性上涨，现代造纸业迅速扩展，其生产车间的空间规模也在不断扩大。由于造纸过程中会释放大量热能，为了给工人营造适合的作业环境会消耗大量能源降低室内热量。因此，在造纸工业厂房中，通风与节能设计也是一项非常重要的工作，通风和节能设计的合理性直接关系到造纸车间工人的工作环境和生产效率。

关键词：造纸工业；厂房设计；通风；节能

根据2023年统计数据来看，我国造纸行业的营业收入已经突破1.5万亿，在全球范围内，无论是发达国家还是工业强国，均已发展起体系完整的造纸产业，纸张及纸板的使用量已经成为评估一个国家总体经济能力的关键指标。现代的造纸产业已彻底转型，成为技术含量高、资本与资源集中度高的产业，具有非常明显的规模效应。中国造纸协会的数据显示，我国排名前十的纸张和纸板制造商的年产量占到了整个行业产量的将近一半，平均产量达到了600万吨/年，标志着我国造纸行业已经从过去的“小而分散”转变为了“规模大、技术强”的规模化产业。当前我国的造纸产量大约占全球总产量的26%，连续多年居于世界首位，确立了我国作为造纸强国的地位。然而，在资源的供应与使用、工厂内部环境控制以及通风节能等方面，与世界上其他造纸先进国家相比仍有一定的差距。因此，一定要做好造纸工业厂房的设计工作，统筹优化车间内部环境，对厂房通风节能措施进行不断调整。

一、案例概况

（一）建筑结构情况

该项目是钢结构的造纸工业厂房，采用了门式钢架的结构形式，具体尺寸为长度171m、宽度72m，总建筑面积达到1.3m2，檐高9.4m，总造价为1300万人民币。该厂房位于具有典型亚热带季风气候的盆地区域，夏季户外温度经常达到35至40℃，以前相邻的钢筋混凝土结构厂房内部炎热难耐，员工经常出现中暑现象。由于周围场地开阔，没有遮挡物，加之地块条件的限制，工厂的布局只能偏东西向，导致厂房在横向上较长，西侧日晒时间较长，覆盖面积大。

（二）通风设备情况

该厂房的西侧设有一条10m宽的走廊，东侧与办公大楼相邻，而南侧则紧挨着另一栋建筑物，两者之间的距离大约为0.9m，厂房配备了机械排烟系统，并在屋顶安装了通风设备。工厂安装了共7台风机，每台的风量达到25000m3/h，总风量接近800000m3/h，每台风机的功率为2.2KW，在屋顶共设置了57台送风机，它们各自的风量也是25000m3/h，单台功率为3.67KW。厂房按南北方向划分为20个柱间距，东西方向为15个柱间距。西侧的每个间距都装有尺寸为5.5米乘1.5米的推拉窗。整个厂房内共配置了13条生产线，每一条的动力都是由安装好的电机驱动，具体各生产线电机的功率详见表1。

二、造纸工业厂房结构通风节能具体措施

（一）做好自然通风设计，合理组织气流通路

当风朝向建筑物吹时，迎风侧因空气流动遭到阻碍而出现风速下降，风力中的动能因此转化为静能，使该侧建筑面的压力超过周围大气压，形成正压区，在建筑物的背风侧及屋顶，气流绕流造成负压区。为了消除压差，空气将会从正压区的开口如门窗流入室内，然后从室内流向负压区以形成气流循环。本项目位于海边，四周开阔无遮挡，为利用风压进行自然通风提供了极佳的条件。在夏季主要的风向是东南风，工厂在其主迎风侧即东南面，根据生产流程的布局，设计了尽可能多的平台门和低部窗户，最大限度地利用来自东南方向的优质动风能，促进工厂内部空气的循环。在建筑内部，热空气因其密度较低而上升至建筑顶端，并通过顶部排风设施排至室外，室外的冷空气由于密度较高，通过建筑底部的进风口进入室内。这些新鲜空气在受热后密度减小，进而上升，形成持续的空气流动循环。同时，设计工业厂房时要合理利用热压效应，按照厂房的方位和朝向来规划进风口的布局，尽量放低中和面，保证厂房底部的通风门或窗的面积至少与顶部排风设施的面积持平，让大部分或所有的从室外流进的空气都会穿过员工的作业区。

（二）改善围护结构的热工性能，减少建筑耗能

1.保温材料的运用

在选择钢结构外围保护所用的隔热保温材料过程中，玻璃棉、岩棉、聚苯乙烯挤塑泡沫板等都是可以列入选择范围的材料。选择时除了要考量这些材料本身的特点，比如其隔热保温效果、抗火性能、防水能力和吸音特性外，还需要综合考虑使用环境的特定要求，如安装的具体位置、周围环境的温度和湿度情况、以及所需承受的力学负荷等。该项目的屋顶采用了100mm厚的建筑用玻璃纤维保温棉（密度为16kg/m³）作为保温材料。该材料利用交错排列的玻璃纤维将空气划分成众多的封闭小空间，有效减少空气流动，以此实现出色的保温效果。

2.双层彩钢板墙体和双层屋面板的构造应用

考虑到本厂房由于场地条件受限，且主要朝向为东西方向，因此西晒的情况较为明显。为了降低彩钢板墙体吸热后对室内温度的直接影响，采用了双层彩钢板墙体的设计方案，在两层彩钢板之间，通过钢檩条创建了一个宽度为700mm的空气隔热空间。外层采用WS-315型号的隐形螺钉固定的彩色波浪状彩钢板，内层则选用了厚度为0.5mm的灰白色铝锌合金覆盖的彩钢波纹板。静态空气的热导率低不利于厂房内热量的传递，两层钢板间形成的空气对流能在一定程度上起到隔热作用。通过遮阳百叶之缝隙导出外层彩钢板接受的热量，能显著降低太阳辐射对室内气候的不利影响。

该项目的屋顶构造采取以下方式：最外层为0.6mm厚的YX-360型银白色镀铝锌隐缝彩钢屋面板，其下是100mm厚的玻璃纤维保温棉，以及250mm高的镀锌钢檩条，而最内层则是0.5mm厚的灰白色镀铝锌彩钢板。这样的结构设计通过保温棉与内层板之间的间隔空间，借助檩条创造的250mm空隙，形成了有效的隔热保温层，既增强了保温性能，也美化了吊顶。

3.屋面材料的选择

厂房的屋顶板是承受太阳辐射最直接的部分，如果能大量反射太阳光或通过其他方式降低其表面温度，将有效减少室内温度的上升。常见的降温措施包括使用白色或浅色涂层的屋面板，或者涂覆能高效反射热辐射的隔热涂料，还可以在屋顶安装喷水系统，通过在高温时自动或手动喷水来降低屋面温度。本项目采用的是配有采光和通风功能的坡屋顶通风器，有效结合了通风与采光的优点。通过设置跨间的采光和通风装置，能够在日间有效地让自然光进入室内，降低照明器具的能量消耗及其运作产生的热量，也减轻了设备购置以及能源费用等各种成本，但是标准采光板的保温性能不佳，太阳直射会增加室内温度。采用隔热型采光板可以缓解这个问题，尽管可能会稍微降低透光性，但考虑到本项目地处高温的夏季地区且厂房两侧设有较多采光窗，故选用了具有更好隔热性的双层隔热采光板，透光率为60%。

（三）外遮阳措施的应用

外部遮阳装置是安装在厂房围护外侧的设备，能有效阻止阳光的直接照射，避免太阳光直接透过外围进入室内。考虑到太阳能主要通过热辐射的形式传递，这些外部遮阳设施能够在太阳辐射接触到透明结构前阻断它们。并且这些遮阳设备与厂房围护之间的空气流通作用有助于排走热量，有效避免热能传送到室内环境中。采用内遮阳方法是指在太阳光射入室内后才进行遮挡，这种情况下窗帘与玻璃之间容易形成热岛效应，并且窗帘并不能在室内形成完全密闭的状态，让热量会在室内四散，而有关外国数据指出，使用外遮阳系统的隔热性能可比内部遮阳提升至70%。考虑到中国南方的日照强烈和雨水丰富的气候条件，南方古建筑普遍使用宽阔的屋檐，这样的设计不仅有效阻挡阳光还能防雨。该项目利用双墙结构形成的凸出屋檐和配备雨披的站台门，在外层墙体较高位置的窗户外侧，安装了型号为132S的铝合金遮阳百叶，其叶片与水平线成30度夹角，既保证了室内的光照和通风，又起到了良好的遮阳和隔热作用，这些遮阳百叶横跨13.5m宽、2.7m高的区域，在安装时考虑到当地风压，加强了支架结构的稳固性，而那些未被百叶遮盖的东西向窗户，设计成了内凹形式，有效避免了直射阳光照入厂房内部。

三、通风系统节能改进措施

经过实地考察，发现造纸厂房的车间的通风状况欠佳，夏季的时候室内温度最高时甚至会攀升至40℃以上。为了给员工提供舒适的工作条件，车间部分工位增设了送风设施，虽然暂时缓解了该问题，但通风系统的电力消耗较大，每年在排风系统上的支出费用较大。因此，企业计划对车间的通风系统进行升级改造。根据《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2015）可知，在该沿海地区，冬天室外设计通风温度定为4.3℃，夏天则设定为32.3℃，而按照《供热空调设计手册》第二版的指导，能够计算出电动设备释放的热量以及相应的通风量需求。工厂车间内部作业区的温度大约为40℃。根据《供热空调设计手册》中的数据，温差△tn取0.9，而排气口中心到地面的垂直高度为9米，因此计算出的排风温度t为46.3℃。

自然通风的进风口和排风口面积，可以通过以下公式来计算：

在上述公式中，Fj表示自然通风的进风口面积（单位为m2），Fp代表排风口面积（单位为m2），Gj和Gp分别指的是进风量和排风量（单位为kg/h），hj和hp则是指进风口和排风口相对于中和层的高度差（单位为m）。设定中和面的高度为6m，因此排风口相对中和面的高度差hp为3米，h值为4.8m。在夏季通风时，pwf室外空气密度（单位为kg/h）对本项目而言为1.157kg/h；而排风温度条件下的空气密度记为pnp（同样单位为kg/h）。经过计算可得厂房内设备的散热量是181KW，而达到散热要求所必须得通风量是46633kg/h。

采用前述公式来计算自然通风的进风口和排风口的面积，各生产线的具体计算数据列于表2中。

表2 各条生产线自然通风进风口面积、排风口面积及设备参数

厂房内每小时的排风量总计达900，070m3，对应的每小时引入的新鲜空气量为720，060m3。设有六套规格为10的自然通风设施，尺寸为宽8，000mm，长18，000mm，高5，000mm。每米长度的有效通风区域为7.2m2，据此计算，单个通风装置的有效通风面积为129.6m3。为了优化散热效果，天窗被合理地安排在设备散热较为集中的机头区域，考虑到厂房内部设备的噪声水平较低，必要时可将西、北、南三面的外窗全数敞开，以此增强自然通风效果，且这些外窗上方装有防雨的雨棚，可以让厂房内部在雨天也能保持通风。具体到可开启窗口的有效面积，西面为81m2，南面为84 m2，北面则是33 m2，总计的有效开启面积完全满足自然通风所需的进风窗面积。因为该造纸厂房的东侧未设开放式窗户，随意还是设置了13台顶部送风装置，并撤去了余下的排气系统，结合空气流向的实际情况来进行设计，送风设备底部配置直径800mm的风口。经此调整，工厂通风性能显著增强，节能效益达到176.88 kW的峰值，同时通风系统整体能耗降低78.8%。

结束语：

由于造纸过程中会释放出大量的热能，严重影响了厂房内的工作环境，且给运行的机械设备及工作人员带来较大负面作用，因此，要对厂房进行科学合理的通风节能设计，以此来改善厂房内环境，并提高生产效率，降低因维持厂房内温度所产生的能源消耗成

参考文献：

[1]王宝新. 置换通风舒适性能及节能潜力研究概况分析[J]. 工程与建设，2023，37（03）：808-810.

[2]安怡帆. 工业厂房全面通风排污系统间歇运行策略的优化研究[D]. 西安建筑科技大学，2023.

[3]王曦. 造纸厂房中暖通空调系统设计方法的研究与探讨[J]. 中国造纸，2022，41（S1）：146-148.

[4]岳阳，张海涛. 金光纸业产业基地项目厂房TPO屋面系统设计与节点技术[J]. 中国建筑防水，2021，（08）：31-33+37.

[5]董昭恒. 热环境优化导向下旧厂房办公类改造策略研究[D]. 山东建筑大学，2020.