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通風(fēng)管道橫截面形狀對(duì)比和研究
添加時(shí)間:2012/3/21 8:47:01   點(diǎn)擊次數(shù):  1811  次

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(jiàn),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(jiàn)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)

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

2000

北歐

5

15

40

60

70

80

85

90

德國(guó)

5

5

10

15

20

25

25

50

法國(guó)

5

10

20

30

40

50

50

65

英國(guó)

5

10

15

20

25

35

35

55


  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(Scandiaconsult(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》GB50243—2002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(1992)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(jiàn)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,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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖3,這種替代方案可以使風(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)可利用的壓頭大約為200—300Pa。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 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: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!锻L(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)(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(jiàn)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)管都比矩形風(fēng)管更加簡(jiǎn)單。

4.結(jié)論

  風(fēng)管系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析是一件很困難的工作。它必須要考慮各種不同的因素,一個(gè)風(fēng)管系統(tǒng)的壽命很有可能會(huì)超過(guò)十年,在這種情況下,一點(diǎn)很小的設(shè)計(jì)和質(zhì)量上的改進(jìn)都有可能加大投資的盈利率。從這點(diǎn)上說(shuō),圓型風(fēng)管應(yīng)當(dāng)是一個(gè)更具經(jīng)濟(jì)性的解決方案。
  最后要指出的是,出于安靜和空間的考慮,風(fēng)管系統(tǒng)的某些有關(guān)大流量和大尺寸的部位,例如新風(fēng)吸入口和空氣處理裝置出口仍然推薦采用矩形風(fēng)管。

 
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