通風(fēng)管道橫截面形狀對(duì)比和研究——全面介紹

1、通風(fēng)管道橫截面形狀對(duì)比和研究摘要： 風(fēng)管系統(tǒng)是空調(diào)及通風(fēng)工程中最重要的一個(gè)組成部分，通常情況下風(fēng)管橫截面有三種形狀：矩形,圓形和扁圓形。在1960年以前，由于制作工藝簡(jiǎn)單，所需安裝空間較小，絕大部分通風(fēng)系統(tǒng)都采用矩形風(fēng)管。隨著大型螺旋圓形風(fēng)管成型機(jī)研制成功，大量工程實(shí)例證明無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性還是其他工程參數(shù)，圓形風(fēng)管都遠(yuǎn)好于矩形風(fēng)管。本文將對(duì)這些研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并企圖將比較的重點(diǎn)放在對(duì)風(fēng)管系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較上，同時(shí)由于在通常情況下更新費(fèi)用占總費(fèi)用比例較小，這部分的費(fèi)用在本次討論將被忽略。關(guān)鍵詞： 圓形風(fēng)管 矩形風(fēng)管 經(jīng)濟(jì)性比較 風(fēng)管系統(tǒng)1.背景風(fēng)管系統(tǒng)是空調(diào)及通風(fēng)工程中最重要的一個(gè)組成部分，它的功能

2、主要是將調(diào)節(jié)后的空氣按設(shè)計(jì)流量盡可能高效率的傳送到末端設(shè)備。通常情況下風(fēng)管橫截面有三種形狀：矩形,圓形和扁圓形。矩形風(fēng)管的制作通常是通過(guò)對(duì)四塊鋼板的鉚接來(lái)完成。圓形風(fēng)管則是將一百三十七毫米寬的鋼板放在螺旋成型機(jī)繞制而成。扁圓形風(fēng)管則比較少見，它一般是對(duì)圓形風(fēng)管進(jìn)行擠壓形成. 在1960年以前，由于制作工藝簡(jiǎn)單，所需安裝空間較小，絕大部分通風(fēng)系統(tǒng)都采用矩形風(fēng)管。隨著大型螺旋圓形風(fēng)管成型機(jī)研制成功，大量工程實(shí)例證明無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性還是其他工程參數(shù)，圓形風(fēng)管都遠(yuǎn)好于矩形風(fēng)管。因此在國(guó)外，特別是歐洲，圓形風(fēng)管的使用率都變得越來(lái)越普及，見表一。中國(guó)目前的圓形風(fēng)管使用比率據(jù)筆者不完整的調(diào)查僅占百分之十百分之二

3、十之間。因此在中國(guó)國(guó)情之下對(duì)圓形風(fēng)管與矩形風(fēng)管的工程對(duì)比研究已成為一個(gè)刻不容緩的課題。 表一：圓形風(fēng)管逐年所占的市場(chǎng)分額：國(guó)家及地區(qū)19601965197019751980198519902000北歐515406070808590德國(guó)55101520252550法國(guó)510203040505065英國(guó)510152025353555從經(jīng)濟(jì)分析的角度來(lái)講，一棟建筑物內(nèi)的風(fēng)管系統(tǒng)在其整個(gè)使用壽命中所有的費(fèi)用可分為1、初投資：包括設(shè)計(jì)費(fèi)用，材料及安裝費(fèi)用，空間費(fèi)用，調(diào)試費(fèi)用，等等。2、運(yùn)行費(fèi)用：包括人員工資，能源，維護(hù)費(fèi)用。3、更新費(fèi)用：包括維修及更換破舊部件費(fèi)用。近幾年國(guó)外的研究結(jié)果（Scandiac

4、onsult(1992), Bouwman(1992), Malmstrom et al (2001), Malmstrom et al (2002)）表明，在諸多參數(shù)圓形風(fēng)管系統(tǒng)比矩形風(fēng)管系統(tǒng)表現(xiàn)更為優(yōu)異，本文將對(duì)這些研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并企圖將比較的重點(diǎn)放在對(duì)風(fēng)管系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較上，同時(shí)由于在通常情況下更新費(fèi)用占總費(fèi)用比例較小，這部分的費(fèi)用在本次討論將被忽略。 2 初投資部分：圓型風(fēng)管系統(tǒng)所需初投資比矩形風(fēng)管要低的部分原因如下： · 圓型風(fēng)管更容易制造和運(yùn)輸。 · 圓型風(fēng)管的組件和配件都已被高度標(biāo)準(zhǔn)化。 · 從結(jié)構(gòu)上講，圓形風(fēng)管更能承受壓力而不變形，矩形風(fēng)管因此

5、需要更多的螺栓，· 鉚釘，支撐梁等加強(qiáng)措施。 · 在相同的水力直徑下，制造圓型風(fēng)管所需要的金屬量要小于矩形風(fēng)管，矩形風(fēng)管的長(zhǎng)寬比越大，則金屬耗量越高。 · 圓形風(fēng)管的吊架構(gòu)造比矩形風(fēng)管的安裝簡(jiǎn)單，通風(fēng)與空調(diào)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范GB502432002同時(shí)指出，對(duì)于長(zhǎng)邊尺寸大于400mm的矩形風(fēng)管吊· 架間距為4m，而對(duì)螺旋圓形風(fēng)管間距則延長(zhǎng)到5m。 · 測(cè)量圓形風(fēng)管的風(fēng)量所需測(cè)量點(diǎn)小于矩形風(fēng)管，因此進(jìn)行風(fēng)管系統(tǒng)平衡時(shí)，調(diào)試費(fèi)用也將小于矩形風(fēng)管。 · 圓形風(fēng)管能顯著減少低頻噪聲傳入室內(nèi)，因此可以減少消聲設(shè)備 Scandiaconsult(1

6、992)為一個(gè)大房間的通風(fēng)系統(tǒng)分別用圓形風(fēng)管和矩形風(fēng)管做了兩個(gè)設(shè)計(jì)方案，并比較系統(tǒng)的壓力損頭及相關(guān)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)，見圖1（注意：經(jīng)濟(jì)分析以當(dāng)年的北歐市場(chǎng)價(jià)格為基準(zhǔn)進(jìn)行）。計(jì)算結(jié)果表明，在相同的末端設(shè)備條件下，整個(gè)安裝費(fèi)用，圓形風(fēng)管僅為矩形風(fēng)管的一半，同時(shí)圓形風(fēng)管的材料費(fèi)用為矩形風(fēng)管的80%。全壓損失（Pa）: 150.0 全部安裝費(fèi)用：0.51R 全部材料費(fèi)用：0.8M （A）全壓損失（Pa）: 165.4 全部安裝費(fèi)用：R 全部材料費(fèi)用：M （B）圖1：Scandiaconsult(1992) 風(fēng)管設(shè)計(jì)方案比較 （A）圓形風(fēng)管 （B）矩形風(fēng)管對(duì)風(fēng)管系統(tǒng)的所占空間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析是一件比較困難的事情，

7、因?yàn)檫@取決于建筑物的結(jié)構(gòu)和用途。一般來(lái)說(shuō)，采用矩形風(fēng)管的最主要的一個(gè)原因是矩形風(fēng)管能節(jié)約空間，但實(shí)際上，對(duì)于長(zhǎng)寬比接近的矩形風(fēng)管而言，它所占有的實(shí)際面積要大于圓形風(fēng)管，這主要是因?yàn)榫匦物L(fēng)管需要法蘭來(lái)聯(lián)結(jié)，而法蘭邊的高度通常大于20mm，見圖2（A）。而現(xiàn)代螺旋風(fēng)管可以來(lái)用標(biāo)準(zhǔn)話的柔性聯(lián)結(jié)，見圖2（B），這種方法不僅不需要多余空間，而且更加易于安裝。因此對(duì)于長(zhǎng)寬比接近1的矩形風(fēng)道，圓形風(fēng)管的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)法替代的。（A）（B）圖2：Scandiaconsult(1992) 風(fēng)管連接方案比較 （A）矩形風(fēng)管 （B）圓形風(fēng)管對(duì)于有著大長(zhǎng)寬比的矩形風(fēng)管，則可以采用幾根圓形風(fēng)管進(jìn)行替代，見圖3，這種替代方案可

8、以使風(fēng)量的控制變得更加簡(jiǎn)單。同時(shí)安裝費(fèi)用也將大幅減小。雖然材料費(fèi)用可能會(huì)有所增加，但Jagemer（1991）的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，在此方案下，初投資總額幾乎和矩形風(fēng)管是一樣的。 圖3：一550mmX150mm的矩形風(fēng)管為兩D=200mm的圓形風(fēng)管替代方案3. 運(yùn)行費(fèi)用在通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的最大部分為能源消耗。能源費(fèi)用包括加熱或冷卻空氣及將這些空氣傳送到末端的設(shè)備所消耗的能源。如果整個(gè)風(fēng)管系統(tǒng)被良好地進(jìn)行了保溫，則風(fēng)管漏風(fēng)量成為多余能源消耗的一個(gè)重要來(lái)源。對(duì)于風(fēng)管系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)是循環(huán)動(dòng)力的提供者，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓一般不會(huì)超過(guò)650Pa。除去空氣處理機(jī)組的末端設(shè)備的壓力損失，整個(gè)風(fēng)管系統(tǒng)可利用的壓

9、頭大約為200300Pa。因此，風(fēng)管系統(tǒng)應(yīng)盡量避免有大的壓頭損失。同時(shí)，漏風(fēng)量也直接影響到風(fēng)機(jī)的功率選擇，根據(jù)風(fēng)機(jī)定理，風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)量的三次方成正比，即如果風(fēng)管漏風(fēng)率為6%，風(fēng)機(jī)功率將增加20%，螺旋圓形風(fēng)管的漏風(fēng)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于矩形風(fēng)管。 3.1 漏風(fēng)率 風(fēng)管的漏風(fēng)綠可由下式進(jìn)行計(jì)算：（1）fref= 面積漏風(fēng)率 qvl= 漏風(fēng)量 A= 風(fēng)管表面積 K= 漏風(fēng)常數(shù)pref= 風(fēng)管與外界的壓差在歐洲，根據(jù)漏風(fēng)常數(shù)，風(fēng)管的氣密性被劃分為四個(gè)等級(jí)（A,B,C,D）。表2給出了相應(yīng)等級(jí)所允許的最大漏風(fēng)常數(shù)。 Class AKA=0.027×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65Clas

10、s BKB=0.009×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65Class CKC=0.003×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65Class DKD =0.001×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65表2：歐洲風(fēng)管系統(tǒng)氣密性等級(jí)劃分與圓形風(fēng)管相比，矩形風(fēng)管需要的螺栓與鉚釘連結(jié)要多得多，因此不可避免地漏風(fēng)量也要大得多。圖4為比利時(shí)的一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示矩形風(fēng)管的漏風(fēng)率平均比圓形風(fēng)管高7倍。通風(fēng)與空調(diào)工程師施工及驗(yàn)收規(guī)范GB50243-2002也指出：圓形風(fēng)管的允許漏風(fēng)量為矩形風(fēng)管的50。 圖4： 21棟比利時(shí)建筑物的風(fēng)管漏風(fēng)率的測(cè)量數(shù)據(jù)

11、（Carrié et al, 1999）3.2壓頭損失水力當(dāng)量直接被用來(lái)估算矩形風(fēng)管的紊統(tǒng)壓力損失對(duì)于有著相同水力當(dāng)量直徑的風(fēng)管，盡管橫截面形狀不同。它們?nèi)匀挥兄嗤难爻虊毫p失。圖5比較了一段圓型風(fēng)管（D=0.5m,U=5m/s,=0.15mm）和有著相同面積，流量的矩形風(fēng)管的壓力損失。很明顯在這種情況下，矩形風(fēng)管的壓力阻失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓型風(fēng)管，而且隨著風(fēng)管長(zhǎng)寬比的增大，壓力損失也越大。也就意味著風(fēng)機(jī)的功率也必然越大。 圖5：等流量/流速矩形風(fēng)管與圓型風(fēng)管壓力損失比較（流量=1 m3/s, v=5m/s）“水力當(dāng)量直徑”的概念是建立在沿矩形風(fēng)管邊界的平均切應(yīng)力應(yīng)當(dāng)是一致的假設(shè)上的，也

12、就是說(shuō)，等速線應(yīng)當(dāng)與風(fēng)管邊界平行，但是實(shí)際測(cè)量結(jié)果卻顯示，在矩形風(fēng)管中，沿對(duì)角線方向的速度梯度衰減最慢，沿中心線方向的速度梯度衰減最慢。因此，在理論上，水力當(dāng)量直徑在下列兩種情況下應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎引用。 · 流量太小，流場(chǎng)達(dá)不到完全紊流狀態(tài) · 管道橫截面遠(yuǎn)離圓形，即有著較大長(zhǎng)寬比的矩形。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也對(duì)水力當(dāng)量直徑的普遍性表示了懷疑。JONES（1976）作了一系列的光滑矩形風(fēng)管壓力損失實(shí)驗(yàn)，筆者將他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新分析，見圖6.盡管缺乏10<長(zhǎng)寬比<25的數(shù)據(jù)。圖6數(shù)據(jù)仍然強(qiáng)烈暗示了長(zhǎng)寬比對(duì)水力當(dāng)量直徑壓力損失的單調(diào)上升影響。Griggs et al(1992)在使用粗糙矩形風(fēng)管做的實(shí)驗(yàn)也有類似的結(jié)果。 圖6：不同長(zhǎng)寬比的光滑矩型風(fēng)管與圓型風(fēng)管的壓力損失比較3.3維護(hù)費(fèi)用為了避免病態(tài)建筑，風(fēng)管需要定期進(jìn)行清潔。清潔方法包括干法（使用吸塵器和刷子）或濕法（使用長(zhǎng)拖把）在這兩種情況下，圓形風(fēng)管