摘要： 本文對(duì)暖通空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，并介紹了數(shù)值模型在風(fēng)道設(shè)計(jì)的應(yīng)用。
            　
            文獻(xiàn)<1>已詳細(xì)描述了對(duì)風(fēng)道中氣流的物理基本特性、壓力損失以及測(cè)試方法和最佳參數(shù)確定，并指出在暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，利用數(shù)值模型計(jì)算沿程阻力損失是一種切實(shí)可行的方法。本文從影響暖通空調(diào)風(fēng)道系統(tǒng)性能的主要因素入手，全面系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)風(fēng)道系統(tǒng)性能及其在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，現(xiàn)報(bào)導(dǎo)如下。

            1 風(fēng)道形狀
            風(fēng)道通常被加工成矩形或圓形，近年來，平橢圓形風(fēng)道有了一定的發(fā)展，通常它被加工展示成橢圓形的螺線形狀風(fēng)道。各種形狀的風(fēng)道均有其優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)分述如下。
            矩形風(fēng)道便于安裝、拆卸及套裝，風(fēng)道表面是平面，這樣有利于開啟關(guān)閉風(fēng)道和設(shè)置吊架，也有利于裝配和建筑物配合。其缺點(diǎn)是阻力損失較大，為了獲得相同的氣流，它的能耗要比圓形風(fēng)道大；接頭長(zhǎng)度受鍛壓鋼板寬度限制，且接頭處的密封較難；另外，矩形斷面接頭安裝費(fèi)用比圓形斷面接頭安裝費(fèi)用高。
            圓形風(fēng)道單位長(zhǎng)度壓力損失最小，通常其經(jīng)濟(jì)效益也最好。按重量計(jì)算圓形風(fēng)道替代矩形風(fēng)道約節(jié)省20％的金屬材料。圓形風(fēng)道加上螺線形，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度上的延伸，需加長(zhǎng)的接頭可相對(duì)減少。因此壓力損失及漏風(fēng)也隨之相對(duì)減小。圓形附件易于加工和大批量制作，滑動(dòng)接頭是安裝過程中，最為經(jīng)濟(jì)的一種接頭，圓形附件便于連接可伸縮的風(fēng)道，且保溫和密封也方便容易。缺點(diǎn)是圓形風(fēng)道需要較高的安裝高度，且風(fēng)道尺寸過大時(shí)，會(huì)給加工操作和運(yùn)輸帶來困難。
            平橢圓形風(fēng)道與圓形風(fēng)道相比，其安裝高度降低了，且易于控制，它具有圓形風(fēng)道的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，但其附件的加工制造和局部改造較難。其他缺點(diǎn)諸如：尺寸過大會(huì)造成安裝和運(yùn)輸?shù)牟槐?；在壓力作用下，平橢圓形風(fēng)道有變?yōu)閳A形風(fēng)道的趨勢(shì)；展弦比較大時(shí)，橢圓滑動(dòng)接頭組裝困難；由于許多橢圓形風(fēng)道附件缺乏流動(dòng)阻力系數(shù)數(shù)據(jù)資料，限制了平橢圓形風(fēng)道的實(shí)際應(yīng)用。

            2 配件性能
            2.1 能耗（壓降）
            自然界中每種氣體都有其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，直線型流程克服阻力所需能量最少。如果附件阻力計(jì)算有誤，則出口截面的實(shí)際流量將與設(shè)計(jì)流量不符。對(duì)同一類型配件而言，當(dāng)給出多種配件時(shí)，應(yīng)比較阻力損失系數(shù)以明確哪種配件損失較小。建立在能耗基礎(chǔ)上的具有特殊性能的配件主要有：
            出風(fēng)管配件：出風(fēng)管配件的作用在于防止雨水侵入風(fēng)道內(nèi)。盡管使用普遍，風(fēng)帽在流程中仍會(huì)出現(xiàn)障礙，雖然在風(fēng)帽內(nèi)設(shè)置的一個(gè)倒圓錐會(huì)起一定的作用，但還不夠理想。建議使用直徑比通風(fēng)管徑大25 mm，長(zhǎng)度為4倍于通風(fēng)管徑的垂直風(fēng)道接頭，也可以把雨水完全擋在系統(tǒng)以外(雨水通常以一定角度下落)而無能量損失。
            輸出支管：因?yàn)闅怏w流動(dòng)方向改變90°
            造成較大的能量損失，因此把直管段接至通風(fēng)管段一側(cè)是進(jìn)行合理比較的前提。導(dǎo)流風(fēng)門、分離裝置、收集器、圓維面、彎頭和圓的或45°的漸變管等項(xiàng)裝置，可降低這種能量損失，這些輸出支管附件是以90°轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)的。導(dǎo)流風(fēng)門、分離裝置、收集器和圓錐面是起反作用的，其中45°漸變管效果最好。
            彎頭：從45°彎頭到大曲率半徑彎頭，其中有多種型式可供選擇。有時(shí)45°彎頭是唯一能滿足安裝要求的部件，如果安裝適當(dāng)，則旋轉(zhuǎn)葉片可降低壓力損失，因而旋轉(zhuǎn)葉片不能安裝在一個(gè)不穩(wěn)定的(立管斷面上的)彎頭或非90°彎頭上。旋轉(zhuǎn)葉片的合理安裝直接影響配件的性能，而配件性能的好壞也是直接影響實(shí)際應(yīng)用的效果，雙層厚度的葉片費(fèi)用較高，且其性能不如單層葉片好。對(duì)一個(gè)鈄接頭而言，通?？稍趯?dǎo)流風(fēng)門處做直徑很小的倒圓(r／D≤0.1)或倒角，標(biāo)準(zhǔn)倒圓(r／D＝1.5)不如曲率半徑較大的倒圓經(jīng)濟(jì)，但從經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行兩方面情況考慮，標(biāo)準(zhǔn)倒圓是最好的。
            2.2 經(jīng)濟(jì)性
            在風(fēng)道配件安裝過程中應(yīng)考慮以下特殊經(jīng)濟(jì)情況：
            漸變段：漸變段通常位于漸縮(擴(kuò))管或分支管之后的主干路或支路上，因?yàn)榻?jīng)過這些部件后氣流速度降低。排風(fēng)扇處漸擴(kuò)管通常是用來降低流速和壓力損失的。保持風(fēng)道三面尺寸不變而僅改變一面尺寸的漸變管最經(jīng)濟(jì)，改變兩面或更多面將會(huì)增加測(cè)量難度。
            彎頭：圓形彎頭的磨損隨曲率半徑的增加而加大，安裝所需空間也隨之加大，因此應(yīng)使用曲率半徑r／d＝1.5的彎頭。
            機(jī)械通風(fēng)：尺寸變化大時(shí)，常導(dǎo)致其他變化諸如從過濾機(jī)組變至主風(fēng)管，在小于1.2m長(zhǎng)度范圍內(nèi)制作一個(gè)漸縮風(fēng)管，會(huì)引起風(fēng)管管徑變化率十分大，為了在不產(chǎn)生額外的壓力損失的情況下改進(jìn)結(jié)構(gòu)，應(yīng)在過濾機(jī)組上安裝一個(gè)靜壓室，并在風(fēng)道入口處安裝一個(gè)錐形或鐘形入口套管。通常在過濾機(jī)組上安裝靜壓室會(huì)起到減小壓力損失的作用。
            彈性風(fēng)道：天花板上送風(fēng)口需根據(jù)風(fēng)道位置進(jìn)行調(diào)整，從而防止風(fēng)道在豎直方向上發(fā)生偏移。在立管上使用軟性接頭，減小了收集器偏離中心軸線的可能性。另外，多數(shù)天花板送風(fēng)口上均安裝了一個(gè)圓形套管，便于彈性聯(lián)接。使用帶圓套管的靜壓室，可防止出口在水平面內(nèi)發(fā)生彈性形變。但綜合考慮出口的性能，彈性風(fēng)道滑動(dòng)位移應(yīng)控制在1.5m以內(nèi)，且應(yīng)避免急轉(zhuǎn)彎。
            調(diào)節(jié)風(fēng)門：多數(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)門被用來截?cái)嗷蛳拗聘晒芑蚺酝ü?、省煤器、回流、流量控制、平衡和?dǎo)流風(fēng)門等處的氣流。一般的經(jīng)驗(yàn)作法是在分離器處不用這些閥門。分離器一旦發(fā)生位移，其最大的性能缺陷就是使平衡系統(tǒng)產(chǎn)生壓力波動(dòng)。安裝平衡風(fēng)門時(shí)應(yīng)留有余地，其目的是既不截?cái)鄽饬鳎挚梢哉{(diào)節(jié)氣流。緊閉的平衡風(fēng)門和風(fēng)道之間應(yīng)留25mm的空隙，以便安裝。其它閥門是用來關(guān)閉風(fēng)道的。當(dāng)反向葉片控制閥門僅開啟三分之一時(shí)，便可收到良好的控制效果。低角度（相對(duì)于風(fēng)門所成角度的位移）時(shí)，可忽略風(fēng)門的調(diào)節(jié)作用；而高角度時(shí)，氣流量則變化過快。若系統(tǒng)平衡不好，則風(fēng)門將會(huì)形成一個(gè)噪聲源。因此，應(yīng)利用計(jì)算機(jī)模擬方法分析研究此類問題。

            3 漏風(fēng)與密封
            在風(fēng)道系統(tǒng)初設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)說明風(fēng)道的密封。盡管漏風(fēng)現(xiàn)象并不一定總是很嚴(yán)重，但它卻是不易控制的。據(jù)此，應(yīng)設(shè)法避免發(fā)生漏風(fēng)現(xiàn)象。在把處理過的空氣按設(shè)計(jì)風(fēng)量輸送至送風(fēng)口過程中，雖然漏風(fēng)不一定就會(huì)引起系統(tǒng)運(yùn)行不正常，但它卻會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)。對(duì)于開啟式風(fēng)道系統(tǒng)，滲漏出的空氣排放到空調(diào)房間并無冷損失，但這種漏風(fēng)也應(yīng)避免。對(duì)建筑內(nèi)的風(fēng)道，應(yīng)做好連接對(duì)出口和連接處的密封。
            每個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員均應(yīng)有一套自己的風(fēng)道密封方法，并說明漏風(fēng)等級(jí)，以滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。除了小批量生產(chǎn)和住宅安裝情況外，應(yīng)長(zhǎng)期進(jìn)行一定規(guī)模的風(fēng)道系統(tǒng)抽樣測(cè)試，檢驗(yàn)空氣平衡狀況，找出其規(guī)律。

            4 尺寸放大
            目前比摩阻或靜態(tài)回收等風(fēng)道設(shè)計(jì)方法都還沒有實(shí)現(xiàn)壽命周期花費(fèi)的最佳數(shù)值。正確應(yīng)用上述方法，可標(biāo)定出一個(gè)風(fēng)道系統(tǒng)，使該系統(tǒng)在壓力損失平衡時(shí)能按設(shè)計(jì)合理地分配氣流。實(shí)際中有許多風(fēng)道連接方式可以滿足氣流分布要求，但只有經(jīng)過計(jì)算分析才能從中選出最佳方案。無論采用何種方式連接，為了壓力平衡，均應(yīng)對(duì)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行檢查，因?yàn)橄到y(tǒng)的不平衡，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。由于使用閥門或阻力損失較大的風(fēng)道配件，不平衡將會(huì)使非臨界路徑風(fēng)道的運(yùn)行產(chǎn)生較高壓力損失。相反，臨界路徑風(fēng)道系統(tǒng)的末端應(yīng)擴(kuò)大風(fēng)道橫截面尺寸以滿足系統(tǒng)具有較低風(fēng)速和壓力損失。在某些情況下，一個(gè)擴(kuò)展的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)也可以是一個(gè)高效、實(shí)用的分布系統(tǒng)。保持風(fēng)道尺寸與相鄰的支管輸送出口相一致，有時(shí)比使用能使主風(fēng)道尺寸減少50毫米的配件會(huì)更經(jīng)濟(jì)。在另一位置上擴(kuò)大風(fēng)道尺寸可以起到消聲作用。一般來說，低風(fēng)速能防止由于摩擦大而產(chǎn)生的噪聲。從經(jīng)濟(jì)和噪聲兩方面綜合考慮，在非臨界狀態(tài)下運(yùn)行的風(fēng)道系統(tǒng)，應(yīng)通過減小風(fēng)道尺寸的方法而不是依靠安裝閥門或孔板來消除剩余壓力。

            5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
            配件壓力損失計(jì)算：計(jì)算某一系統(tǒng)風(fēng)道尺寸時(shí)其截面積是未知量，但計(jì)算壓力損失時(shí)許多配件的阻力系數(shù)卻需要依據(jù)這一尺寸才能確定，這只有在風(fēng)道尺寸初步假定和利用反復(fù)試算的基礎(chǔ)上才能獲得。
            選擇尺寸的計(jì)算：根據(jù)以工程方法為基礎(chǔ)推薦的風(fēng)速，選擇風(fēng)道尺寸而不進(jìn)行逐段管路壓力平衡是不理想的，如果風(fēng)道系統(tǒng)不平衡，則出口處的氣流就不會(huì)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分布。
            等摩阻法，靜態(tài)回收法和速度衰減法是風(fēng)道設(shè)計(jì)的三種最普遍尺寸標(biāo)定方法，這些方法是分別以使用單位長(zhǎng)度壓力損失(等摩阻法)，初速度(靜態(tài)回收法)及速度比率(速度衰減法)的工程方法為基礎(chǔ)的，是建立在如下尚未解決的問題基礎(chǔ)之上的，即：1)為什么在臨界面上的摩擦率會(huì)相等?
            如果不等將會(huì)出現(xiàn)什么情況(等摩擦阻力法)? 2)為什么節(jié)點(diǎn)處的靜壓會(huì)相等(靜態(tài)回收法)？3)為什么空氣速度比率會(huì)相等(速度衰減法)? 等摩擦率、等靜壓、等速比率、適宜的初速度和初始尺寸給風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)置了一些不必要的限制，這些限制會(huì)對(duì)最優(yōu)方案的確定產(chǎn)生不良影響。對(duì)于根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)處靜壓和壓力損失確定風(fēng)道尺寸的系統(tǒng)，在系統(tǒng)壓力得到合理平衡時(shí)，可以獲得較好的氣流分布。因此，沒有理由從經(jīng)濟(jì)或壓力平衡方面考慮使單位長(zhǎng)度的壓力損失或靜壓或速度比率相等的必要。在設(shè)計(jì)中，仍需提供基于經(jīng)驗(yàn)方法得到的合理的壓力損失率、初速度或速率比率數(shù)據(jù)。在風(fēng)道尺寸選擇之后，應(yīng)重新計(jì)算壓力平衡和局部阻力損失的。由于考慮空間、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)道尺寸和噪聲(風(fēng)速)所受到的限制，會(huì)阻礙系統(tǒng)獲得一個(gè)絕對(duì)的壓力平衡(理論上)，因此，需用閥門調(diào)節(jié)剩余壓力，但會(huì)產(chǎn)生噪聲，系統(tǒng)的噪聲應(yīng)該給予重視。
            設(shè)計(jì)時(shí)，另一個(gè)應(yīng)考慮的方面就是經(jīng)濟(jì)問題，因?yàn)轱L(fēng)道尺寸和風(fēng)機(jī)壓頭的選擇取決于電力和管網(wǎng)的造價(jià)。在電費(fèi)較低的地區(qū)設(shè)計(jì)同樣風(fēng)道系統(tǒng)的壓力損失應(yīng)明顯低于電費(fèi)較高的地區(qū)相應(yīng)系統(tǒng)的壓力損失。因此，應(yīng)采用等摩阻方法和改進(jìn)后的靜態(tài)回收方法。
            數(shù)值模型：借助數(shù)值模型，原有的或已設(shè)計(jì)的具有已知截面積和風(fēng)機(jī)性能曲線的風(fēng)道系統(tǒng)被認(rèn)為是類似于實(shí)際安裝系統(tǒng)的數(shù)值圖像，該模型計(jì)算了實(shí)際的空氣流動(dòng)和實(shí)際的風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)點(diǎn)。風(fēng)道數(shù)值模型方法，在技術(shù)上與其他方法相比有一些不同之處，數(shù)值模型是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析風(fēng)道系統(tǒng)運(yùn)行效率的方法，在計(jì)算機(jī)模型上可以模擬風(fēng)道系統(tǒng)的不同工作狀況，因此，這種模擬可以在風(fēng)機(jī)性能曲線上給實(shí)際工作狀態(tài)點(diǎn)定義出截面空氣流動(dòng)、壓力差和空氣速度?？梢园褦?shù)值模型有效地運(yùn)用于暖通空調(diào)的許多應(yīng)用方面諸如：測(cè)試和平衡、改型、確定系統(tǒng)工作效率、防排煙等。下面列舉幾個(gè)數(shù)值模型應(yīng)用實(shí)例：
            測(cè)試和平衡：按以下4個(gè)階段工作：1)利用對(duì)平衡系統(tǒng)輸入最好用的數(shù)據(jù)開發(fā)數(shù)值模型，即設(shè)計(jì)資料；2)把設(shè)計(jì)系統(tǒng)與安裝系統(tǒng)之間的差別輸入模型中；3)為壓力平衡、研究控制系統(tǒng)改變效率、確定開關(guān)、控制及防火防煙閥的影響以及其他多方面的研究，把數(shù)值模型所做的必要調(diào)整反饋到實(shí)際風(fēng)道系統(tǒng)中去；4)根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)利用數(shù)值模型更新或修改風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
            風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行：對(duì)帶有多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)的系統(tǒng)，常常遇到：當(dāng)一臺(tái)或數(shù)臺(tái)風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)如何工作的問題，借助數(shù)值模型，可以采取措施予以解決。
            部分投入使用的建筑物：借助數(shù)值模型可以解決：在建筑物部分使用期間（可能持續(xù)2年或以上），還存在著空調(diào)系統(tǒng)如何運(yùn)行的問題；為了減少風(fēng)道，安裝額外的閥門是否合理、安裝在什么位置上的問題；當(dāng)一部分系統(tǒng)被關(guān)閉閥門隔斷時(shí)，末端出口會(huì)發(fā)生什么情況的問題。
            火災(zāi)時(shí)煙氣管理系統(tǒng)的行為：火災(zāi)時(shí)，防火防煙須具有確保人員生命安全和最大限度地減少財(cái)產(chǎn)損失的功能。在煙氣管理系統(tǒng)中，防火防煙閥的作用在于抑制火災(zāi)、凈化低壓被污染空間和通過提高周圍空間壓力來擴(kuò)大疏散通道，數(shù)值模型能夠模擬煙氣流分布、系統(tǒng)壓力和系統(tǒng)空氣溫度。
            變風(fēng)量系統(tǒng)氣流分布：任何一個(gè)變風(fēng)量系統(tǒng)中，風(fēng)量的改變都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生一系列的變化，通過數(shù)值模型，能夠知道這些變化是否覆蓋設(shè)計(jì)氣流區(qū)域、預(yù)測(cè)風(fēng)量改變的相互影響，包括回風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)相串聯(lián)的影響。
            改造系統(tǒng)：在建筑物翻新改造期間，常需要在原有風(fēng)道系統(tǒng)中再增加一些送風(fēng)口和回風(fēng)口。利用數(shù)值模型可以對(duì)原有風(fēng)機(jī)和電機(jī)能否送更多的風(fēng)、原有風(fēng)機(jī)和電機(jī)是否需要更換、新出口應(yīng)在何處連接、新出口是否會(huì)影響原有出口和外加的閥門應(yīng)安裝在何處等問題進(jìn)行研究、判斷和選擇。

            6 結(jié)語
            除非尺寸限制而需使用矩形或平橢圓形風(fēng)道，否則，圓形風(fēng)道是最理想的風(fēng)道形狀。建立風(fēng)道配件數(shù)據(jù)庫，以用于計(jì)算和驗(yàn)證壓力損失系數(shù)及選擇最經(jīng)濟(jì)的配件。風(fēng)道應(yīng)按設(shè)計(jì)人員密封等級(jí)要求的說明進(jìn)行密封。壓力應(yīng)消耗在風(fēng)道和配件上而不是消耗在閥門或孔板上。設(shè)計(jì)中應(yīng)采用諸如等摩阻和改進(jìn)型靜態(tài)回收設(shè)計(jì)方法。分析原有風(fēng)道系統(tǒng)性能的最先進(jìn)手段是數(shù)值模型。最先進(jìn)風(fēng)道設(shè)計(jì)方法是把使用壽命費(fèi)用優(yōu)化與數(shù)值模型結(jié)合起來。

   參考文獻(xiàn)：
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