通风管道横截面形状对比和研究

1.背景

　　风管系统是空调及通风工程中最重要的一个组成部分，它的功能主要是将调节后的空气按设计流量尽可能高效率的传送到末端设备。通常情况下风管横截面有三种形状：矩形,圆形和扁圆形。矩形风管的制作通常是通过对四块钢板的铆接来完成。圆形风管则是将一百三十七毫米宽的钢板放在螺旋成型机绕制而成。扁圆形风管则比较少见，它一般是对圆形风管进行挤压形成. 在1960年以前，由于制作工艺简单，所需安装空间较小，绝大部分通风系统都采用矩形风管。随着大型螺旋圆形风管成型机研制成功，大量工程实例证明无论在经济性还是其他工程参数，圆形风管都远好于矩形风管。因此在国外，特别是欧洲，圆形风管的使用率都变得越来越普及，见表一。中国目前的圆形风管使用比率据笔者不完整的调查仅占百分之十～百分之二十之间。因此在中国国情之下对圆形风管与矩形风管的工程对比研究已成为一个刻不容缓的课题。表一：圆形风管逐年所占的市场分额：

国家及地区

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

2000

北欧

5

15

40

60

70

80

85

90

德国

5

5

10

15

20

25

25

50

法国

5

10

20

30

40

50

50

65

英国

5

10

15

20

25

35

35

55

　　从经济分析的角度来讲，一栋建筑物内的风管系统在其整个使用寿命中所有的费用可分为
　　1、初投资：包括设计费用，材料及安装费用，空间费用，调试费用，等等。
　　2、运行费用：包括人员工资，能源，维护费用。
　　3、更新费用：包括维修及更换破旧部件费用。
　　近几年国外的研究结果（Scandiaconsult(1992), Bouwman(1992), Malmstrom et al (2001), Malmstrom et al (2002)）表明，在诸多参数圆形风管系统比矩形风管系统表现更为优异，本文将对这些研究结果进行总结，并企图将比较的重点放在对风管系统的经济性比较上，同时由于在通常情况下更新费用占总费用比例较小，这部分的费用在本次讨论将被忽略。

2 初投资部分：

　　圆型风管系统所需初投资比矩形风管要低的部分原因如下：

• 圆型风管更容易制造和运输。
• 圆型风管的组件和配件都已被高度标准化。
• 从结构上讲，圆形风管更能承受压力而不变形，矩形风管因此需要更多的螺栓，铆钉，支撑梁等加强措施。
• 在相同的水力直径下，制造圆型风管所需要的金属量要小于矩形风管，矩形风管的长宽比越大，则金属耗量越高。
• 圆形风管的吊架构造比矩形风管的安装简单，《通风与空调工程施工及验收规范》GB50243—2002同时指出，对于长边尺寸大于400mm的矩形风管吊架间距为4m，而对螺旋圆形风管间距则延长到5m。
• 测量圆形风管的风量所需测量点小于矩形风管，因此进行风管系统平衡时，调试费用也将小于矩形风管。
• 圆形风管能显著减少低频噪声传入室内，因此可以减少消声设备

　　Scandiaconsult(1992)为一个大房间的通风系统分别用圆形风管和矩形风管做了两个设计方案，并比较系统的压力损头及相关的经济参数，见图1（注意：经济分析以当年的北欧市场价格为基准进行）。计算结果表明，在相同的末端设备条件下，整个安装费用，圆形风管仅为矩形风管的一半，同时圆形风管的材料费用为矩形风管的80%。

全压损失（Pa）: 150.0

全部安装费用：0.51R

全部材料费用：0.8M

（A）

全压损失（Pa）: 165.4

全部安装费用：R

全部材料费用：M

（B）

图1：Scandiaconsult(1992) 风管设计方案比较 （A）圆形风管 （B）矩形风管
　　对风管系统的所占空间进行经济分析是一件比较困难的事情，因为这取决于建筑物的结构和用途。一般来说，采用矩形风管的最主要的一个原因是矩形风管能节约空间，但实际上，对于长宽比接近的矩形风管而言，它所占有的实际面积要大于圆形风管，这主要是因为矩形风管需要法兰来联结，而法兰边的高度通常大于20mm，见图2（A）。而现代螺旋风管可以来用标准话的柔性联结，见图2（B），这种方法不仅不需要多余空间，而且更加易于安装。因此对于长宽比接近1的矩形风道，圆形风管的优点是无法替代的。

（A）

（B）

图2：Scandiaconsult(1992) 风管连接方案比较 （A）矩形风管 （B）圆形风管
　　对于有着大长宽比的矩形风管，则可以采用几根圆形风管进行替代，见图3，这种替代方案可以使风量的控制变得更加简单。同时安装费用也将大幅减小。虽然材料费用可能会有所增加，但Jagemer（1991）的一项调查结果表明，在此方案下，初投资总额几乎和矩形风管是一样的。
图3：一550mmX150mm的矩形风管为两D=200mm的圆形风管替代方案

3. 运行费用

　　在通常情况下，空调系统运行费用的最大部分为能源消耗。能源费用包括加热或冷却空气及将这些空气传送到末端的设备所消耗的能源。如果整个风管系统被良好地进行了保温，则风管漏风量成为多余能源消耗的一个重要来源。
　　对于风管系统，风机是循环动力的提供者，风机的风压一般不会超过650Pa。除去空气处理机组的末端设备的压力损失，整个风管系统可利用的压头大约为200—300Pa。因此，风管系统应尽量避免有大的压头损失。同时，漏风量也直接影响到风机的功率选择，根据风机定理，风机功率与风量的三次方成正比，即如果风管漏风率为6%，风机功率将增加20%，螺旋圆形风管的漏风率要远远小于矩形风管。

3.1 漏风率
　　风管的漏风绿可由下式进行计算：
　　　　　　（1）

　　f_ref= 面积漏风率
　　q_vl= 漏风量
　　A= 风管表面积
　　K= 漏风常数
　　△p_ref= 风管与外界的压差
　　在欧洲，根据漏风常数，风管的气密性被划分为四个等级（A,B,C,D）。表2给出了相应等级所允许的最大漏风常数。

Class A

KA=

0.027×10^-3 m³ s^-1 m^-2 Pa^-0.65

Class B

KB=

0.009×10^-3 m³ s^-1 m^-2 Pa^-0.65

Class C

KC=

0.003×10^-3 　　m³ s^-1 m^-2 Pa^-0.65

Class D

KD =

0.001×10^-3 　　m³ s^-1 m^-2 Pa^-0.65

表2：欧洲风管系统气密性等级划分
　　与圆形风管相比，矩形风管需要的螺栓与铆钉连结要多得多，因此不可避免地漏风量也要大得多。图4为比利时的一组实测数据，数据显示矩形风管的漏风率平均比圆形风管高7倍。《通风与空调工程师施工及验收规范》GB50243^-2002也指出：圆形风管的允许漏风量为矩形风管的50％。
图4： 21栋比利时建筑物的风管漏风率的测量数据（Carrie et al, 1999）
3.2压头损失
　　水力当量直接被用来估算矩形风管的紊统压力损失对于有着相同水力当量直径的风管，尽管横截面形状不同。它们仍然有着相同的沿程压力损失。图5比较了一段圆型风管（D=0.5m,U=5m/s,∑=0.15mm）和有着相同面积，流量的矩形风管的压力损失。很明显在这种情况下，矩形风管的压力阻失远远大于圆型风管，而且随着风管长宽比的增大，压力损失也越大。也就意味着风机的功率也必然越大。
图5：等流量/流速矩形风管与圆型风管压力损失比较（流量=1 m³/s, v=5m/s）
　　“水力当量直径”的概念是建立在沿矩形风管边界的平均切应力应当是一致的假设上的，也就是说，等速线应当与风管边界平行，但是实际测量结果却显示，在矩形风管中，沿对角线方向的速度梯度衰减最慢，沿中心线方向的速度梯度衰减最慢。因此，在理论上，水力当量直径在下列两种情况下应当谨慎引用。

• 流量太小，流场达不到完全紊流状态
• 管道横截面远离圆形，即有着较大长宽比的矩形。

　　实验数据也对水力当量直径的普遍性表示了怀疑。JONES（1976）作了一系列的光滑矩形风管压力损失实验，笔者将他的实验数据进行了重新分析，见图6.尽管缺乏10<长宽比<25的数据。图6数据仍然强烈暗示了长宽比对水力当量直径压力损失的单调上升影响。Griggs et al(1992)在使用粗糙矩形风管做的实验也有类似的结果。
图6：不同长宽比的光滑矩型风管与圆型风管的压力损失比较
3.3维护费用
　　为了避免病态建筑，风管需要定期进行清洁。清洁方法包括干法（使用吸尘器和刷子）或湿法（使用长拖把）在这两种情况下，圆形风管都比矩形风管更加简单。

4.结论

　　风管系统的经济性分析是一件很困难的工作。它必须要考虑各种不同的因素，一个风管系统的寿命很有可能会超过十年，在这种情况下，一点很小的设计和质量上的改进都有可能加大投资的盈利率。从这点上说，圆型风管应当是一个更具经济性的解决方案。
　　最后要指出的是，出于安静和空间的考虑，风管系统的某些有关大流量和大尺寸的部位，例如新风吸入口和空气处理装置出口仍然推荐采用矩形风管。

5．参考书目

　　Bouwman, H. B.1982: Optimum Air Duct System Design. Report No. C 512 of IMG-TNO, Delft, Holland
　　Carrie, F.R., Andersson, J. and Wouters, P. 1999: Improving Ductwork - a Time for Tighter Air Distribution Systems. Air Infiltration and Ventilation Center, Coventry, UK
　　Ekelund, C., 2001: Runda och rectangul?ra ventilationskanaler. ITEK, KTH
　　Griggs, E.I., and khodabakhsh-Sharifabad, F., 1992: Flow characteristics in rectangular ducts. ASHRAE Transaction. 98(1), pp. 116-127
　　Jagemar L., 1991:Energiekonomi.Val av Fl?ktar och Kanalutformning for Luftbehandlingssystem i Servicelokaler och Industrier. Chalmers 　　Unversity, Building services department, Lic. Thesis, Gothenburg
　　Jones, O.C., 1976: An improvement in the calculation of turbulent friction in rectangular ducts. Journal of fluids engineering. June 1976, pp173-180
　　Malmstrom, T-G., Andersson, J., Carrie, F.R., Wouters, P and Delmotte, Ch., 2001: Source book for efficient air duct system in Europe.
　　Malmstrom, T-G., 2002: Air ductwork—An annotated bibliography.
　　Scandiaconsult AB, 1992: The best all' round solution—a designer's guide to the benefits of selecting a round ductwork system.
　　SMACNA, 1980: Rectangular industrial duct construction standards
　　SMACNA, 1995: HVAC duct construction standards, metal and flexible