通風管道橫截面形狀對比和研究摘要:風管系統是空調及通風工程中最關鍵一個組成部分,通常情況下風管橫截面有三種形狀:矩形,圓形和扁圓形。在1960年以前,因為制作工藝簡單,所需安裝空間較小,絕大部分通風系統都采取矩形風管。伴隨大型螺旋圓形風管成型機研制成功,大量工程實例證實不管在經濟性還是其她工程參數,圓形風管都遠好于矩形風管。本文將對這些研究結果進行總結,并企圖將比較關鍵放在對風管系統經濟性比較上,同時因為在通常情況下更新費用占總費用百分比較小,這部分費用在此次討論將被忽略。關鍵詞:圓形風管矩形風管經濟性比較風管系統1.背景風管系統是空調及通風工程中最關鍵一個組成部分,它功效關鍵是將調整后空氣按設計流量盡可能高效率傳送到末端設備。通常情況下風管橫截面有三種形狀:矩形,圓形和扁圓形。矩形風管制作通常是經過對四塊鋼板鉚接來完成。圓形風管則是將一百三十七毫米寬鋼板放在螺旋成型機繞制而成。扁圓形風管則比較少見,它通常是對圓形風管進行擠壓形成.在1960年以前,因為制作工藝簡單,所需安裝空間較小,絕大部分通風系統都采取矩形風管。伴隨大型螺旋圓形風管成型機研制成功,大量工程實例證實不管在經濟性還是其她工程參數,圓形風管都遠好于矩形風管。所以在國外,尤其是歐洲,圓形風管使用率都變得越來越普及,見表一。中國現在圓形風管使用比率據筆者不完整調查僅占百分之十～百分之二十之間。所以在中國國情之下對圓形風管與矩形風管工程對比研究已成為一個刻不容緩課題。表一:圓形風管逐年所占市場分額:國家及地域1960196519701975198019851990北歐515406070808590德國55101520252550法國510203040505065英國510152025353555

從經濟分析角度來講,一棟建筑物內風管系統在其整個使用壽命中全部費用可分為

1、初投資:包含設計費用,材料及安裝費用,空間費用,調試費用,等等。

2、運行費用:包含人職員資,能源,維護費用。

3、更新費用:包含維修及更換破舊部件費用。

近幾年國外研究結果（Scandiaconsult(1992),Bouwman(1992),Malmstrometal(),Malmstrometal()）表明,在很多參數圓形風管系統比矩形風管系統表現更為優異,本文將對這些研究結果進行總結,并企圖將比較關鍵放在對風管系統經濟性比較上,同時因為在通常情況下更新費用占總費用百分比較小,這部分費用在此次討論將被忽略。2初投資部分:圓型風管系統所需初投資比矩形風管要低部分原因以下:圓型風管更輕易制造和運輸。圓型風管組件和配件都已被高度標準化。從結構上講,圓形風管更能承受壓力而不變形,矩形風管所以需要更多螺栓,鉚釘,支撐梁等加強方法。在相同水力直徑下,制造圓型風管所需要金屬量要小于矩形風管,矩形風管長寬比越大,則金屬耗量越高。圓形風管吊架結構比矩形風管安裝簡單,《通風與空調工程施工及驗收規范》GB50243—同時指出,對于長邊尺寸大于400mm矩形風管吊架間距為4m,而對螺旋圓形風管間距則延長到5m。測量圓形風管風量所需測量點小于矩形風管,所以進行風管系統平衡時,調試費用也將小于矩形風管。圓形風管能顯著降低低頻噪聲傳入室內,所以能夠降低消聲設備Scandiaconsult(1992)為一個大房間通風系統分別用圓形風管和矩形風管做了兩個設計方案,并比較系統壓力損頭及相關經濟參數,見圖1（注意:經濟分析以當年北歐市場價格為基準進行）。計算結果表明,在相同末端設備條件下,整個安裝費用,圓形風管僅為矩形風管二分之一,同時圓形風管材料費用為矩形風管80%。全壓損失（Pa）:150.0全部安裝費用:0.51R全部材料費用:0.8M（A）全壓損失（Pa）:165.4全部安裝費用:R全部材料費用:M（B）圖1:Scandiaconsult(1992)風管設計方案比較（A）圓形風管（B）矩形風管

對風管系統所占空間進行經濟分析是一件比較困難事情,因為這取決于建筑物結構和用途。通常來說,采取矩形風管最關鍵一個原因是矩形風管能節省空間,但實際上,對于長寬比靠近矩形風管而言,它所占有實際面積要大于圓形風管,這關鍵是因為矩形風管需要法蘭來聯結,而法蘭邊高度通常大于20mm,見圖2（A）。而現代螺旋風管能夠來用標準話柔性聯結,見圖2（B）,這種方法不僅不需要多出空間,而且愈加易于安裝。所以對于長寬比靠近1矩形風道,圓形風管優點是無法替換。（A）（B）圖2:Scandiaconsult(1992)風管連接方案比較（A）矩形風管（B）圓形風管

對于有著大長寬比矩形風管,則能夠采取幾根圓形風管進行替換,見圖3,這種替換方案能夠使風量控制變得愈加簡單。同時安裝費用也將大幅減小。即使材料費用可能會有所增加,但Jagemer（1991）一項調查結果表明,在此方案下,初投資總額幾乎和矩形風管是一樣。

圖3:一550mmX150mm矩形風管為兩D=200mm圓形風管替換方案3.運行費用在通常情況下,空調系統運行費用最大部分為能源消耗。能源費用包含加熱或冷卻空氣及將這些空氣傳送到末端設備所消耗能源。假如整個風管系統被良好地進行了保溫,則風管漏風量成為多出能源消耗一個關鍵起源。

對于風管系統,風機是循環動力提供者,風機風壓通常不會超出650Pa。除去空氣處理機組末端設備壓力損失,整個風管系統可利用壓頭大約為200—300Pa。所以,風管系統應盡可能避免有大壓頭損失。同時,漏風量也直接影響到風機功率選擇,依據風機定理,風機功率與風量三次方成正比,即假如風管漏風率為6%,風機功率將增加20%,螺旋圓形風管漏風率要遠遠小于矩形風管。

3.1漏風率

風管漏風綠可由下式進行計算:

（1）

fref=面積漏風率

qvl=漏風量

A=風管表面積

K=漏風常數

△pref=風管與外界壓差

在歐洲,依據漏風常數,風管氣密性被劃分為四個等級（A,B,C,D）。表2給出了對應等級所許可最大漏風常數。ClassA

KA=0.027×10-3m3s-1m-2Pa-0.65ClassB

KB=0.009×10-3m3s-1m-2Pa-0.65ClassC

KC=0.003×10-3m3s-1m-2Pa-0.65ClassD

KD=0.001×10-3m3s-1m-2Pa-0.65表2:歐洲風管系統氣密性等級劃分

與圓形風管相比,矩形風管需要螺栓與鉚釘連結要多得多,所以不可避免地漏風量也要大得多。圖4為比利時一組實測數據,數據顯示矩形風管漏風率平均比圓形風管高7倍。《通風與空調工程師施工及驗收規范》GB50243-也指出:圓形風管許可漏風量為矩形風管50％。

圖4:21棟比利時建筑物風管漏風率測量數據（Carriéetal,1999）

3.2壓頭損失

水力當量直接被用來估算矩形風管紊統壓力損失對于有著相同水力當量直徑風管,盡管橫截面形狀不一樣。它們仍然有著相同沿程壓力損失。圖5比較了一段圓型風管（D=0.5m,U=5m/s,∑=0.15mm）和有著相同面積,流量矩形風管壓力損失。很顯著在這種情況下,矩形風管壓力阻失遠遠大于圓型風管,而且伴隨風管長寬比增大,壓力損失也越大。也就意味著風機功率也肯定越大。

圖5:等流量/流速矩形風管與圓型風管壓力損失比較（流量=1m3/s,v=5m/s）

“水力當量直徑”概念是建立在沿矩形風管邊界平均切應力應該是一致假設上,也就是說,等速線應該與風管邊界平行,不過實際測量結果卻顯示,在矩形風管中,沿對角線方向速度梯度衰減最慢,沿中心線方向速度梯度衰減最慢。所以,在理論上,水力當量直徑在下列兩種情況下應該謹慎引用。流量太小,流場達不到完全紊流狀態管道橫截面遠離圓形,即有著較大長寬比矩形。試驗數據也對水力當量直徑普遍性表示了懷疑。JONES（1976）作了一系列光滑矩形風管壓力損失試驗,筆者將她試驗數據進行了重新分析,見圖6.盡管缺乏10<長寬比<25數據。圖6數據仍然強烈暗示了長寬比對水力當量直徑壓力損失單調上升影響。Griggsetal(1992)在使用粗糙矩形風管做試驗也有類似結果。

圖6:不一樣長寬比光滑矩型風管與圓型風管壓力損失比較

3.3維護費用

為了避免病態建筑,風管需要定時進行清潔。清潔方法包含干法（使用吸塵器和刷子）或濕法（使用長拖把）在這兩種情況下,圓形風管都比矩形風管愈