暖通空调风道系统分析与评价

摘要： 本文对暖通空调风道系统的性能进行了分析与评价，并介绍了数值模型在风道设计的应用。
            　
            文献<1>已详细描述了对风道中气流的物理基本特性、压力损失以及测试方法和最佳参数确定，并指出在暖通空调系统设计过程中，利用数值模型计算沿程阻力损失是一种切实可行的方法。本文从影响暖通空调风道系统性能的主要因素入手，全面系统分析与评价风道系统性能及其在设计中的应用，现报导如下。

            1 风道形状
            风道通常被加工成矩形或圆形，近年来，平椭圆形风道有了一定的发展，通常它被加工展示成椭圆形的螺线形状风道。各种形状的风道均有其优缺点，现分述如下。
            矩形风道便于安装、拆卸及套装，风道表面是平面，这样有利于开启关闭风道和设置吊架，也有利于装配和建筑物配合。其缺点是阻力损失较大，为了获得相同的气流，它的能耗要比圆形风道大；接头长度受锻压钢板宽度限制，且接头处的密封较难；另外，矩形断面接头安装费用比圆形断面接头安装费用高。
            圆形风道单位长度压力损失最小，通常其经济效益也最好。按重量计算圆形风道替代矩形风道约节省20％的金属材料。圆形风道加上螺线形，可实现长度上的延伸，需加长的接头可相对减少。因此压力损失及漏风也随之相对减小。圆形附件易于加工和大批量制作，滑动接头是安装过程中，最为经济的一种接头，圆形附件便于连接可伸缩的风道，且保温和密封也方便容易。缺点是圆形风道需要较高的安装高度，且风道尺寸过大时，会给加工操作和运输带来困难。
            平椭圆形风道与圆形风道相比，其安装高度降低了，且易于控制，它具有圆形风道的大多数优点，但其附件的加工制造和局部改造较难。其他缺点诸如：尺寸过大会造成安装和运输的不便；在压力作用下，平椭圆形风道有变为圆形风道的趋势；展弦比较大时，椭圆滑动接头组装困难；由于许多椭圆形风道附件缺乏流动阻力系数数据资料，限制了平椭圆形风道的实际应用。

            2 配件性能
            2.1 能耗（压降）
            自然界中每种气体都有其运动规律，直线型流程克服阻力所需能量最少。如果附件阻力计算有误，则出口截面的实际流量将与设计流量不符。对同一类型配件而言，当给出多种配件时，应比较阻力损失系数以明确哪种配件损失较小。建立在能耗基础上的具有特殊性能的配件主要有：
            出风管配件：出风管配件的作用在于防止雨水侵入风道内。尽管使用普遍，风帽在流程中仍会出现障碍，虽然在风帽内设置的一个倒圆锥会起一定的作用，但还不够理想。建议使用直径比通风管径大25 mm，长度为4倍于通风管径的垂直风道接头，也可以把雨水完全挡在系统以外(雨水通常以一定角度下落)而无能量损失。
            输出支管：因为气体流动方向改变90°
            造成较大的能量损失，因此把直管段接至通风管段一侧是进行合理比较的前提。导流风门、分离装置、收集器、圆维面、弯头和圆的或45°的渐变管等项装置，可降低这种能量损失，这些输出支管附件是以90°转变为基础的。导流风门、分离装置、收集器和圆锥面是起反作用的，其中45°渐变管效果最好。
            弯头：从45°弯头到大曲率半径弯头，其中有多种型式可供选择。有时45°弯头是唯一能满足安装要求的部件，如果安装适当，则旋转叶片可降低压力损失，因而旋转叶片不能安装在一个不稳定的(立管断面上的)弯头或非90°弯头上。旋转叶片的合理安装直接影响配件的性能，而配件性能的好坏也是直接影响实际应用的效果，双层厚度的叶片费用较高，且其性能不如单层叶片好。对一个钭接头而言，通常可在导流风门处做直径很小的倒圆(r／D≤0.1)或倒角，标准倒圆(r／D＝1.5)不如曲率半径较大的倒圆经济，但从经济和运行两方面情况考虑，标准倒圆是最好的。
            2.2 经济性
            在风道配件安装过程中应考虑以下特殊经济情况：
            渐变段：渐变段通常位于渐缩(扩)管或分支管之后的主干路或支路上，因为经过这些部件后气流速度降低。排风扇处渐扩管通常是用来降低流速和压力损失的。保持风道三面尺寸不变而仅改变一面尺寸的渐变管最经济，改变两面或更多面将会增加测量难度。
            弯头：圆形弯头的磨损随曲率半径的增加而加大，安装所需空间也随之加大，因此应使用曲率半径r／d＝1.5的弯头。
            机械通风：尺寸变化大时，常导致其他变化诸如从过滤机组变至主风管，在小于1.2m长度范围内制作一个渐缩风管，会引起风管管径变化率十分大，为了在不产生额外的压力损失的情况下改进结构，应在过滤机组上安装一个静压室，并在风道入口处安装一个锥形或钟形入口套管。通常在过滤机组上安装静压室会起到减小压力损失的作用。
            弹性风道：天花板上送风口需根据风道位置进行调整，从而防止风道在竖直方向上发生偏移。在立管上使用软性接头，减小了收集器偏离中心轴线的可能性。另外，多数天花板送风口上均安装了一个圆形套管，便于弹性联接。使用带圆套管的静压室，可防止出口在水平面内发生弹性形变。但综合考虑出口的性能，弹性风道滑动位移应控制在1.5m以内，且应避免急转弯。
            调节风门：多数调节风门被用来截断或限制干管或旁通管、省煤器、回流、流量控制、平衡和导流风门等处的气流。一般的经验作法是在分离器处不用这些阀门。分离器一旦发生位移，其最大的性能缺陷就是使平衡系统产生压力波动。安装平衡风门时应留有余地，其目的是既不截断气流，又可以调节气流。紧闭的平衡风门和风道之间应留25mm的空隙，以便安装。其它阀门是用来关闭风道的。当反向叶片控制阀门仅开启三分之一时，便可收到良好的控制效果。低角度（相对于风门所成角度的位移）时，可忽略风门的调节作用；而高角度时，气流量则变化过快。若系统平衡不好，则风门将会形成一个噪声源。因此，应利用计算机模拟方法分析研究此类问题。

            3 漏风与密封
            在风道系统初设计时就应说明风道的密封。尽管漏风现象并不一定总是很严重，但它却是不易控制的。据此，应设法避免发生漏风现象。在把处理过的空气按设计风量输送至送风口过程中，虽然漏风不一定就会引起系统运行不正常，但它却会增加运行费。对于开启式风道系统，渗漏出的空气排放到空调房间并无冷损失，但这种漏风也应避免。对建筑内的风道，应做好连接对出口和连接处的密封。
            每个风道系统设计人员均应有一套自己的风道密封方法，并说明漏风等级，以满足系统的技术要求和节能标准。除了小批量生产和住宅安装情况外，应长期进行一定规模的风道系统抽样测试，检验空气平衡状况，找出其规律。

            4 尺寸放大
            目前比摩阻或静态回收等风道设计方法都还没有实现寿命周期花费的最佳数值。正确应用上述方法，可标定出一个风道系统，使该系统在压力损失平衡时能按设计合理地分配气流。实际中有许多风道连接方式可以满足气流分布要求，但只有经过计算分析才能从中选出最佳方案。无论采用何种方式连接，为了压力平衡，均应对风道系统进行检查，因为系统的不平衡，会导致系统在非设计工况下运行。由于使用阀门或阻力损失较大的风道配件，不平衡将会使非临界路径风道的运行产生较高压力损失。相反，临界路径风道系统的末端应扩大风道横截面尺寸以满足系统具有较低风速和压力损失。在某些情况下，一个扩展的机械通风系统也可以是一个高效、实用的分布系统。保持风道尺寸与相邻的支管输送出口相一致，有时比使用能使主风道尺寸减少50毫米的配件会更经济。在另一位置上扩大风道尺寸可以起到消声作用。一般来说，低风速能防止由于摩擦大而产生的噪声。从经济和噪声两方面综合考虑，在非临界状态下运行的风道系统，应通过减小风道尺寸的方法而不是依靠安装阀门或孔板来消除剩余压力。

            5 系统设计
            配件压力损失计算：计算某一系统风道尺寸时其截面积是未知量，但计算压力损失时许多配件的阻力系数却需要依据这一尺寸才能确定，这只有在风道尺寸初步假定和利用反复试算的基础上才能获得。
            选择尺寸的计算：根据以工程方法为基础推荐的风速，选择风道尺寸而不进行逐段管路压力平衡是不理想的，如果风道系统不平衡，则出口处的气流就不会按设计要求进行分布。
            等摩阻法，静态回收法和速度衰减法是风道设计的三种最普遍尺寸标定方法，这些方法是分别以使用单位长度压力损失(等摩阻法)，初速度(静态回收法)及速度比率(速度衰减法)的工程方法为基础的，是建立在如下尚未解决的问题基础之上的，即：1)为什么在临界面上的摩擦率会相等?
            如果不等将会出现什么情况(等摩擦阻力法)? 2)为什么节点处的静压会相等(静态回收法)？3)为什么空气速度比率会相等(速度衰减法)? 等摩擦率、等静压、等速比率、适宜的初速度和初始尺寸给风道系统设计设置了一些不必要的限制，这些限制会对最优方案的确定产生不良影响。对于根据不同节点处静压和压力损失确定风道尺寸的系统，在系统压力得到合理平衡时，可以获得较好的气流分布。因此，没有理由从经济或压力平衡方面考虑使单位长度的压力损失或静压或速度比率相等的必要。在设计中，仍需提供基于经验方法得到的合理的压力损失率、初速度或速率比率数据。在风道尺寸选择之后，应重新计算压力平衡和局部阻力损失的。由于考虑空间、标准风道尺寸和噪声(风速)所受到的限制，会阻碍系统获得一个绝对的压力平衡(理论上)，因此，需用阀门调节剩余压力，但会产生噪声，系统的噪声应该给予重视。
            设计时，另一个应考虑的方面就是经济问题，因为风道尺寸和风机压头的选择取决于电力和管网的造价。在电费较低的地区设计同样风道系统的压力损失应明显低于电费较高的地区相应系统的压力损失。因此，应采用等摩阻方法和改进后的静态回收方法。
            数值模型：借助数值模型，原有的或已设计的具有已知截面积和风机性能曲线的风道系统被认为是类似于实际安装系统的数值图像，该模型计算了实际的空气流动和实际的风机工作状态点。风道数值模型方法，在技术上与其他方法相比有一些不同之处，数值模型是一种运用计算机分析风道系统运行效率的方法，在计算机模型上可以模拟风道系统的不同工作状况，因此，这种模拟可以在风机性能曲线上给实际工作状态点定义出截面空气流动、压力差和空气速度。可以把数值模型有效地运用于暖通空调的许多应用方面诸如：测试和平衡、改型、确定系统工作效率、防排烟等。下面列举几个数值模型应用实例：
            测试和平衡：按以下4个阶段工作：1)利用对平衡系统输入最好用的数据开发数值模型，即设计资料；2)把设计系统与安装系统之间的差别输入模型中；3)为压力平衡、研究控制系统改变效率、确定开关、控制及防火防烟阀的影响以及其他多方面的研究，把数值模型所做的必要调整反馈到实际风道系统中去；4)根据实际需要，随时利用数值模型更新或修改风道系统的设计。
            风机并联运行：对带有多台风机并联的系统，常常遇到：当一台或数台风机关闭时，系统应如何工作的问题，借助数值模型，可以采取措施予以解决。
            部分投入使用的建筑物：借助数值模型可以解决：在建筑物部分使用期间（可能持续2年或以上），还存在着空调系统如何运行的问题；为了减少风道，安装额外的阀门是否合理、安装在什么位置上的问题；当一部分系统被关闭阀门隔断时，末端出口会发生什么情况的问题。
            火灾时烟气管理系统的行为：火灾时，防火防烟须具有确保人员生命安全和最大限度地减少财产损失的功能。在烟气管理系统中，防火防烟阀的作用在于抑制火灾、净化低压被污染空间和通过提高周围空间压力来扩大疏散通道，数值模型能够模拟烟气流分布、系统压力和系统空气温度。
            变风量系统气流分布：任何一个变风量系统中，风量的改变都会使整个系统产生一系列的变化，通过数值模型，能够知道这些变化是否覆盖设计气流区域、预测风量改变的相互影响，包括回风机与送风机相串联的影响。
            改造系统：在建筑物翻新改造期间，常需要在原有风道系统中再增加一些送风口和回风口。利用数值模型可以对原有风机和电机能否送更多的风、原有风机和电机是否需要更换、新出口应在何处连接、新出口是否会影响原有出口和外加的阀门应安装在何处等问题进行研究、判断和选择。

            6 结语
            除非尺寸限制而需使用矩形或平椭圆形风道，否则，圆形风道是最理想的风道形状。建立风道配件数据库，以用于计算和验证压力损失系数及选择最经济的配件。风道应按设计人员密封等级要求的说明进行密封。压力应消耗在风道和配件上而不是消耗在阀门或孔板上。设计中应采用诸如等摩阻和改进型静态回收设计方法。分析原有风道系统性能的最先进手段是数值模型。最先进风道设计方法是把使用寿命费用优化与数值模型结合起来。

   参考文献：
            <1> Richard A Evans,P E,and Robert J Tsal.ASHRAE,No.7,1996