通風(fēng)管道橫截面形狀對比和研究
首先 風(fēng)管系統(tǒng)是空調(diào)及通風(fēng)工程中最重要的一個組成部分，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)管也就是螺旋風(fēng)管成型機研制成功，大量工程實例證明無論在經(jīng)濟性還是其他工程參數(shù)，螺旋圓形風(fēng)管都遠(yuǎn)好于矩形風(fēng)管。本文將對這些研究結(jié)果進行總結(jié)，并企圖將比較的重點放在對風(fēng)管系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較上，同時由于在通常情況下更新費用占總費用比例較小，這部分的費用在本次討論將被忽略。
關(guān)鍵詞： 圓形風(fēng)管 螺旋風(fēng)管 矩形風(fēng)管 經(jīng)濟性比較 風(fēng)管系統(tǒng)
風(fēng)管系統(tǒng)是空調(diào)及通風(fēng)工程中最重要的一個組成部分，它的功能主要是將調(diào)節(jié)后的空氣按設(shè)計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對四塊鋼板的鉚接來完成。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繞制而成。扁圓形風(fēng)管則比較少見，它一般是對圓形風(fēng)管進行擠壓形成. 在1960年以前，由于制作工藝簡單，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)管成型機研制成功，大量工程實例證明無論在經(jīng)濟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。因此在國外，特別是歐洲，螺旋風(fēng)管的使用率都變得越來越普及，見表一。中國目前的圓形風(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。因此在中國國情之下對圓形風(fēng)管與矩形風(fēng)管的工程對比研究已成為一個刻不容緩的課題。
表一：螺旋風(fēng)管 圓形風(fēng)管逐年所占的市場分額：
國家及地區(qū) | 1960 | 1965 | 1970 | 1975 | 1980 | 1985 | 1990 | 2000 |
北歐 | 5 | 15 | 40 | 60 | 70 | 80 | 85 | 90 |
德國 | 5 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 25 | 50 |
法國 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 50 | 65 |
英國 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 35 | 35 | 55 |
從經(jīng)濟分析的角度來講，一棟建筑物內(nèi)的風(fēng)管系統(tǒng)在其整個使用壽命中所有的費用可分為
1、初投資：包括設(shè)計費用，材料及安裝費用，空間費用，調(diào)試費用，等等。
2、運行費用：包括人員工資，能源，維護費用。
3、更新費用：包括維修及更換破舊部件費用。
近幾年國外的研究結(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，本文將對這些研究結(jié)果進行總結(jié)，并企圖將比較的重點放在對風(fēng)管系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較上，同時由于在通常情況下更新費用占總費用比例較小，這部分的費用在本次討論將被忽略。
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)管的安裝簡單，《通風(fēng)與空調(diào)工程施工及驗收規(guī)范》GB50243—2002同時指出，對于長邊尺寸大于400mm的矩形風(fēng)管吊架間距為4m，而對螺旋圓形風(fēng)管間距則延長到5m。
測量圓形風(fēng)管的風(fēng)量所需測量點小于矩形風(fēng)管，因此進行風(fēng)管系統(tǒng)平衡時，調(diào)試費用也將小于矩形風(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)管做了兩個設(shè)計方案，并比較系統(tǒng)的壓力損頭及相關(guān)的經(jīng)濟參數(shù)，見圖1（注意：經(jīng)濟分析以當(dāng)年的北歐市場價格為基準(zhǔn)進行）。計算結(jié)果表明，在相同的末端設(shè)備條件下，整個安裝費用，圓形風(fēng)管僅為矩形風(fēng)管的一半，同時圓形風(fēng)管的材料費用為矩形風(fēng)管的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(fēng)管設(shè)計方案比較 （A）圓形風(fēng)管 （B）矩形風(fēng)管
對風(fēng)管系統(tǒng)的所占空間進行經(jīng)濟分析是一件比較困難的事情，因為這取決于建筑物的結(jié)構(gòu)和用途。一般來說，采用矩形風(fēng)管的最主要的一個原因是矩形風(fēng)管能節(jié)約空間，但實際上，對于長寬比接近的矩形風(fēng)管而言，它所占有的實際面積要大于圓形風(fēng)管，這主要是因為矩形風(fēng)管需要法蘭來聯(lián)結(jié)，而法蘭邊的高度通常大于20mm，見圖2（A）。而現(xiàn)代螺旋風(fēng)管可以來用標(biāo)準(zhǔn)話的柔性聯(lián)結(jié)，見圖2（B），這種方法不僅不需要多余空間，而且更加易于安裝。因此對于長寬比接近1的矩形風(fēng)道，圓形風(fēng)管的優(yōu)點是無法替代的。
（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
對于有著大長寬比的矩形風(fēng)管，則可以采用幾根圓形風(fēng)管進行替代，見圖3，這種替代方案可以使風(fēng)量的控制變得更加簡單。同時安裝費用也將大幅減小。雖然材料費用可能會有所增加，但Jagemer（1991）的一項調(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
在通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)運行費用的最大部分為能源消耗。能源費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。如果整個風(fēng)管系統(tǒng)被良好地進行了保溫，則風(fēng)管漏風(fēng)量成為多余能源消耗的一個重要來源。
對于風(fēng)管系統(tǒng)，風(fēng)機是循環(huán)動力的提供者，風(fēng)機的風(fēng)壓一般不會超過650Pa。除去空氣處理機組的末端設(shè)備的壓力損失，整個風(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，漏風(fēng)量也直接影響到風(fēng)機的功率選擇，根據(jù)風(fēng)機定理，風(fēng)機功率與風(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)綠可由下式進行計算：
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等級（A,B,C,D）。表2給出了相應(yīng)等級所允許的最大漏風(fēng)常數(shù)。
Class A |
| 0.027×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Class B |
| 0.009×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Class C |
| 0.003×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Class D |
| 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為比利時的一組實測數(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。《通風(fēng)與空調(diào)工程師施工及驗收規(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棟比利時建筑物的風(fēng)管漏風(fēng)率的測量數(shù)據(jù)（Carrié et al, 1999）
3.2壓頭損失
水力當(dāng)量直接被用來估算矩形風(fēng)管的紊統(tǒng)壓力損失對于有著相同水力當(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)管長寬比的增大，壓力損失也越大。也就意味著風(fēng)機的功率也必然越大。
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，等速線應(yīng)當(dāng)與風(fēng)管邊界平行，但是實際測量結(jié)果卻顯示，在矩形風(fēng)管中，沿對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，流場達不到完全紊流狀態(tài)
管道橫截面遠(yuǎn)離圓形，即有著較大長寬比的矩形。
實驗數(shù)據(jù)也對水力當(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)管壓力損失實驗，筆者將他的實驗數(shù)據(jù)進行了重新分析，見圖6.盡管缺乏10<長寬比<25的數(shù)據(jù)。圖6數(shù)據(jù)仍然強烈暗示了長寬比對水力當(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)管做的實驗也有類似的結(jié)果。
圖6：不同長寬比的光滑矩型風(fēng)管與圓型風(fēng)管的壓力損失比較
3.3維護費用
為了避免病態(tài)建筑，風(fēng)管需要定期進行清潔。清潔方法包括干法（使用吸塵器和刷子）或濕法（使用長拖把）在這兩種情況下，圓形風(fēng)管都比矩形風(fēng)管更加簡單。
風(fēng)管系統(tǒng)的經(jīng)濟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，一個風(fēng)管系統(tǒng)的壽命很有可能會超過十年，在這種情況下，一點很小的設(shè)計和質(zhì)量上的改進都有可能加大投資的盈利率。從這點上說，圓型風(fēng)管應(yīng)當(dāng)是一個更具經(jīng)濟性的解決方案。
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。
