人因工程学的应用

摘要：通过建立通风量的数学模型，对居民住宅进行科学的通风设计，从理论上强化居民住宅的自然通风途径，同时，分析了自然通风在节约能源以及改善建筑物夏季室内热环境方面所起的作用，为居民住宅的自然通风设计提供了一种思路。

关键字：自然通风 建筑物 热压 风压

中图分类号：TK284.8 文献标识码：A 文章编号：

人类活动大部分时间是在自己的住宅中度过。住宅是人们生活环境的重要组成部分，住宅内环境包括居室的配置、微小气候、日照、采光、空气清洁等。而通风量对室内住宅的影响尤其重要，通风量影响了空气湿、温度和有害物浓度，同时不断把不污浊空气排到室外，使室内地带的空气环境符合卫生标准的要求。因此有必要进行居民住宅的通风设计，以改善室内空气品质，满足人们的健康舒适要求。

室内污染物

在民用建筑中污染物主要有：室内装潢材料、家具清洁材剂等挥发物，人类生理活动中呼出的CO2 及产生的不良气味，室内燃烧设备产生的有害物，特别是厨房中产生的各种有害物以及吸烟产生的烟雾等，甚至空调通风系统本身也是污染源。通风的目的不仅要使空气中已知的污染物的浓度达到公认的权威机构所确定的有害浓度指标以下，并且要使处于室内的绝大多数人对空气品质没有表示不满意的。

2、必要通风量

通风的目的除了稀释有害物外，还可以起到消除室内余热余湿的作用。比如在过渡季用室外新风消除建筑物余热，就是一种很普遍的做法，所需要的通风量可按下式分别计算：

消除余热所需要的通风量：G1= Kg/s 1-1

消除余湿所需要的通风量：G2= Kg/s 1-2

稀释有害物所需要的通风量：G3= Kg/s 1-3

算式中 Q—室内余热量（KW）；tp—排风温度（ºＣ）；ｔｊ—进风温度（ºＣ）；

ＣＰ—空气定压比热﹝ｋＪ／（ｋｇ•Ｋ﹞；Ｗ—空气余湿量（ｇ／ｓ）；

ｄｐ—排风含湿量（ｇ／ｋｇ）；ｄｊ—进风含湿量（ｇ／ｋｇ）；

Ｍ—室内有害物质散发量（ｍg/s）;Cy—室内空气中有害物质的最高允许浓度（mg/m3）;

Cj—进风中有害物质的浓度（mg/m3）;ρ—空气密度（kg/m3）;

计算出G1，G2，G3后，取其中的最大值作为设计的通风量。当通风系统和空调系统组合在一起时，需要注意的是上面所说的通风量是指的是从室外引入的新风量GJ,并不等于总通风量G，如图1-1.只有当回风量Gh为零时，Gj才等于总通风量G。

图1-1 空调通风系统的新风稀能力分析

如果通风是为了稀释室内的有害物质，而且空调箱中不带过滤器，则当系统处于稳定状态时，应当有如下平衡关系式：

Gj Cj +rGCY+ρM=GCy1-4

公式中 r―回风比，r=Gh/G;G―总风量（kg/s）; Gj―进风量（kg/s）。

由于G(1-r)=Gj ，所以Gj=ρM/（Gy-Cj），于式1-3完全相同。由于通风的目的仅仅是为了稀释有害物质的浓度，因此回风就毫无意义。在这种情况下，不必为了回风而消耗风机动力，除非室内外温差很大，直接用室外冷风会引起不舒适感觉时，方可考虑利用一部分回风。

热压作用的自然通风

有一个自然通风的建筑物，如右图1-2所示，在护栏结构的不同高度上设有窗口1和2，两孔高度差为h，即两孔中心距为h。

图1-2建筑物自然通风示意图

设窗孔内静压力分别为P1’P2’, 窗孔内静压力分别为P1P 2,室内外的空气温度和密度分别为tnt w和ρn ρw。设tn > t w,则：1-1断面和2-2断面的能量方程为：

P1’﹣P1+ρwV12/2+gh(ρw -ρn)= P2’- P 2+ ρn V22/2+ξρw V12/2,

即：ΔP1 +ρw V12/2+gh(ρw -ρn)= ΔP2+ ρn V22/2+ξρw V12/2,

式中：ΔP1—窗孔1的内外压差，Pa； V1—1-1断面空气流速，m/s；

ΔP2—窗孔内外压差，Pa；V2—2-2断面空气流速，m/s；

ξ—空气流经1-1断面处局部阻力系数。

1-1断面为突然扩大损失，因此，局部阻力系数ξ=1,2-2断面的空气流速为0，则有：

ΔP1+ gh(ρw -ρn)= ΔP2（1）

再列1-1断面和2-2断面的连续性方程：ρwµ1A1=ρnµ2A2

式中：A1—窗孔1的面积，m2；A2—窗孔2的面积，m2；

µ1—窗孔1的流量系数，通常取0.60~0.62；µ2—窗孔2的流量系数，通常取0.60~0.62。

由于µ1=µ2，所以上式为： ρwA1=ρnA2（2）

由式（1）和式（2）可得：

ΔP1=ρnA2 gh(ρw -ρn)/ (ρwA1 2-ρnA22),

ΔP2=ρnA2 gh(ρw -ρn)/ ρnA2 gh(ρw -ρn)+ gh(ρw -ρn)。

自然通风量L=

3、风压作用下的自然通风

室内气流与建筑物相遇时，将发生绕流，使建筑物四周气流的压力分布发生变化。迎风面气流受阻，动压降低，静压升高；侧面和背风面由于局部产生局部涡流，静压降低。建筑物四周的风压分布与风向和建筑物的几何形状有关。风向一定时，建筑物结构上各点风压的计算公式可用下式表示：Pf=Kνw2ρw/2Pa

式中K—空气的动力系数; νw—室外空气的流速(m/s)。

要计算风压下的自然通风量，除了掌握建筑物周围形成的空气流型的特性资料外，还需要了解风速和风向。虽然有一定的资料可供参考，但在计算时还要在通常条件的基础上作一定的假设。如果筹建一栋长方形的建筑物，风向与建筑物的一面垂直，则气流流量的近似值可由下式求出：

L=0.5ΚAV

式中:L—经过建筑物的空气流量,m3/s;Κ—取决进排气口净面积比的系数;

A—进气口的面积，m2;V—风速，m/s；

风压作用下k值可通过排气口面积/进气口面积比，查表获得。

当风向偶成45°时，则k值减少50%，一个可选用的方案就是使用风压差的数据，这样，当进气口面积为A,阻力为R，压力差为ΔP时，空气流量L为：L=AΔP0.5/R=0.827AΔP0.5.

当几个孔口并联时：L=0.827ΔP0.5∑A,

当两个孔口串联时：L=0.827（ΔP1+ΔP2）0.5[A1A2/(A12+A22)]。

4、理论分析

4.1为了增大进风面积，对于以自然通风为主的余热量大的场所，应采用单跨建筑形式。

4.2为了提高自然通风的降温效果，应尽量降低进风侧离地面的高度。在南方炎热地区，该高度可取0.6~0.8m，在集中采暖地区，冬季自然通风的进风窗应设在4m以上。

4.3建筑物的主要进风面一般应与夏季主导风向成60°~90°角，同时应尽量避免大面积西晒外墙和玻璃窗。不宜讲过多的附属建筑布置在它的四周，特别是在它的迎风侧。

5、结语

现今如何实现人类社会的可持续发展，能源节约是重中之重。我国是一个发展国家，人均用电量仅为美国的1/4,加拿大的1/7。工农业的迅速发展给电力供应带来了沉重的压力，因此，节约能源变得更重要。作为建筑节能的手段，自然通风为建筑物的合理布局及建筑结构的不断改进，必将发挥其作用，达到节约能源、减少投资、提高经济效益的目的。

参考文献：

[1]陈益武，郭加荣. 全面通风量影响因素分析

[2]史瑞秀. 自然通风的计算及理论分析.太原科技，2000.

[3]吴硕贤，夏清.室内环境与设备（第二版）北京：中国建筑工业出版社，2004。