通風(fēng)管道橫截面形狀對(duì)比

1、通風(fēng)管道道橫截面面形狀對(duì)對(duì)比和研研究摘要： 風(fēng)管系系統(tǒng)是空空調(diào)及通通風(fēng)工程程中最重重要的一一個(gè)組成成部分，通常情情況下風(fēng)風(fēng)管橫截截面有三三種形狀狀：矩形形,圓形形和扁圓圓形。在在19660年以以前，由由于制作作工藝簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，所所需安裝裝空間較較小，絕絕大部分分通風(fēng)系系統(tǒng)都采采用矩形形風(fēng)管。隨著大大型螺旋旋圓形風(fēng)風(fēng)管成型型機(jī)研制制成功，大量工工程實(shí)例例證明無(wú)無(wú)論在經(jīng)經(jīng)濟(jì)性還還是其他他工程參參數(shù)，圓圓形風(fēng)管管都遠(yuǎn)好好于矩形形風(fēng)管。本文將將對(duì)這些些研究結(jié)結(jié)果進(jìn)行行總結(jié)，并企圖圖將比較較的重點(diǎn)點(diǎn)放在對(duì)對(duì)風(fēng)管系系統(tǒng)的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性比比較上，同時(shí)由由于在通通常情況況下更新新費(fèi)用占占總費(fèi)用用比例較較小，這這部分的的

2、費(fèi)用在在本次討討論將被被忽略。關(guān)鍵詞： 圓形形風(fēng)管 矩形風(fēng)風(fēng)管 經(jīng)經(jīng)濟(jì)性比比較 風(fēng)風(fēng)管系統(tǒng)統(tǒng)1.背景景風(fēng)管管系統(tǒng)是是空調(diào)及及通風(fēng)工工程中最最重要的的一個(gè)組組成部分分，它的的功能主主要是將將調(diào)節(jié)后后的空氣氣按設(shè)計(jì)計(jì)流量盡盡可能高高效率的的傳送到到末端設(shè)設(shè)備。通通常情況況下風(fēng)管管橫截面面有三種種形狀：矩形,圓形和和扁圓形形。矩形形風(fēng)管的的制作通通常是通通過(guò)對(duì)四四塊鋼板板的鉚接接來(lái)完成成。圓形形風(fēng)管則則是將一一百三十十七毫米米寬的鋼鋼板放在在螺旋成成型機(jī)繞繞制而成成。扁圓圓形風(fēng)管管則比較較少見(jiàn)，它一般般是對(duì)圓圓形風(fēng)管管進(jìn)行擠擠壓形成成. 在在19660年以以前，由由于制作作工藝簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，所所需安裝裝空

3、間較較小，絕絕大部分分通風(fēng)系系統(tǒng)都采采用矩形形風(fēng)管。隨著大大型螺旋旋圓形風(fēng)風(fēng)管成型型機(jī)研制制成功，大量工工程實(shí)例例證明無(wú)無(wú)論在經(jīng)經(jīng)濟(jì)性還還是其他他工程參參數(shù)，圓圓形風(fēng)管管都遠(yuǎn)好好于矩形形風(fēng)管。因此在在國(guó)外，特別是是歐洲，圓形風(fēng)風(fēng)管的使使用率都都變得越越來(lái)越普普及，見(jiàn)見(jiàn)表一。中國(guó)目目前的圓圓形風(fēng)管管使用比比率據(jù)筆筆者不完完整的調(diào)調(diào)查僅占占百分之之十百百分之二二十之間間。因此此在中國(guó)國(guó)國(guó)情之之下對(duì)圓圓形風(fēng)管管與矩形形風(fēng)管的的工程對(duì)對(duì)比研究究已成為為一個(gè)刻刻不容緩緩的課題題。 表一：圓圓形風(fēng)管管逐年所所占的市市場(chǎng)分額額：國(guó)家及地地區(qū)1960019655197001975519800198551990

4、020000北歐515406070808590德國(guó)55101520252550法國(guó)510203040505065英國(guó)510152025353555從經(jīng)經(jīng)濟(jì)分析析的角度度來(lái)講，一棟建建筑物內(nèi)內(nèi)的風(fēng)管管系統(tǒng)在在其整個(gè)個(gè)使用壽壽命中所所有的費(fèi)費(fèi)用可分分為1、初初投資：包括設(shè)設(shè)計(jì)費(fèi)用用，材料料及安裝裝費(fèi)用，空間費(fèi)費(fèi)用，調(diào)調(diào)試費(fèi)用用，等等等。2、運(yùn)運(yùn)行費(fèi)用用：包括括人員工工資，能能源，維維護(hù)費(fèi)用用。3、更更新費(fèi)用用：包括括維修及及更換破破舊部件件費(fèi)用。近近幾年國(guó)國(guó)外的研研究結(jié)果果（Sccanddiacconssultt(19992), BBouwwmann(19992), MMalmmstrrom et

5、 al (20001), MMalmmstrrom et al (20002)）表明明，在諸諸多參數(shù)數(shù)圓形風(fēng)風(fēng)管系統(tǒng)統(tǒng)比矩形形風(fēng)管系系統(tǒng)表現(xiàn)現(xiàn)更為優(yōu)優(yōu)異，本本文將對(duì)對(duì)這些研研究結(jié)果果進(jìn)行總總結(jié)，并并企圖將將比較的的重點(diǎn)放放在對(duì)風(fēng)風(fēng)管系統(tǒng)統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)濟(jì)性比較較上，同同時(shí)由于于在通常常情況下下更新費(fèi)費(fèi)用占總總費(fèi)用比比例較小小，這部部分的費(fèi)費(fèi)用在本本次討論論將被忽忽略。 2 初投投資部分分：圓型型風(fēng)管系系統(tǒng)所需需初投資資比矩形形風(fēng)管要要低的部部分原因因如下： 圓型風(fēng)管管更容易易制造和和運(yùn)輸。 圓型風(fēng)管管的組件件和配件件都已被被高度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。 從結(jié)構(gòu)上上講，圓圓形風(fēng)管管更能承承受壓力力而不變變形，矩矩形風(fēng)

6、管管因此需需要更多多的螺栓栓，鉚釘釘，支撐撐梁等加加強(qiáng)措施施。在相同的的水力直直徑下，制造圓圓型風(fēng)管管所需要要的金屬屬量要小小于矩形形風(fēng)管，矩形風(fēng)風(fēng)管的長(zhǎng)長(zhǎng)寬比越越大，則則金屬耗耗量越高高。 圓形風(fēng)管管的吊架架構(gòu)造比比矩形風(fēng)風(fēng)管的安安裝簡(jiǎn)單單，通通風(fēng)與空空調(diào)工程程施工及及驗(yàn)收規(guī)規(guī)范GGB500243320002同同時(shí)指出出，對(duì)于于長(zhǎng)邊尺尺寸大于于4000mm的的矩形風(fēng)風(fēng)管吊架架間距為為4m，而對(duì)螺螺旋圓形形風(fēng)管間間距則延延長(zhǎng)到55m。 測(cè)量圓形形風(fēng)管的的風(fēng)量所所需測(cè)量量點(diǎn)小于于矩形風(fēng)風(fēng)管，因因此進(jìn)行行風(fēng)管系系統(tǒng)平衡衡時(shí)，調(diào)調(diào)試費(fèi)用用也將小小于矩形形風(fēng)管。 圓形風(fēng)管管能顯著著減少低低頻噪聲聲傳入

7、室室內(nèi)，因因此可以以減少消消聲設(shè)備備 Sccanddiacconssultt(19992)為一個(gè)個(gè)大房間間的通風(fēng)風(fēng)系統(tǒng)分分別用圓圓形風(fēng)管管和矩形形風(fēng)管做做了兩個(gè)個(gè)設(shè)計(jì)方方案，并并比較系系統(tǒng)的壓壓力損頭頭及相關(guān)關(guān)的經(jīng)濟(jì)濟(jì)參數(shù)，見(jiàn)圖11（注意意：經(jīng)濟(jì)濟(jì)分析以以當(dāng)年的的北歐市市場(chǎng)價(jià)格格為基準(zhǔn)準(zhǔn)進(jìn)行）。計(jì)算算結(jié)果表表明，在在相同的的末端設(shè)設(shè)備條件件下，整整個(gè)安裝裝費(fèi)用，圓形風(fēng)風(fēng)管僅為為矩形風(fēng)風(fēng)管的一一半，同同時(shí)圓形形風(fēng)管的的材料費(fèi)費(fèi)用為矩矩形風(fēng)管管的800%。全壓損失失（Paa）: 1500.0全部安裝裝費(fèi)用：0.551R全部材料料費(fèi)用：0.88M（A）全壓損失失（Paa）: 1655.4全部安裝裝費(fèi)

8、用：R全部材料料費(fèi)用：M（B）圖1：SScanndiaaconnsullt(119922) 風(fēng)風(fēng)管設(shè)計(jì)計(jì)方案比比較 （A）圓圓形風(fēng)管管 （BB）矩形形風(fēng)管對(duì)風(fēng)風(fēng)管系統(tǒng)統(tǒng)的所占占空間進(jìn)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)濟(jì)分析是是一件比比較困難難的事情情，因?yàn)闉檫@取決決于建筑筑物的結(jié)結(jié)構(gòu)和用用途。一一般來(lái)說(shuō)說(shuō)，采用用矩形風(fēng)風(fēng)管的最最主要的的一個(gè)原原因是矩矩形風(fēng)管管能節(jié)約約空間，但實(shí)際際上，對(duì)對(duì)于長(zhǎng)寬寬比接近近的矩形形風(fēng)管而而言，它它所占有有的實(shí)際際面積要要大于圓圓形風(fēng)管管，這主主要是因因?yàn)榫匦涡物L(fēng)管需需要法蘭蘭來(lái)聯(lián)結(jié)結(jié)，而法法蘭邊的的高度通通常大于于20mmm，見(jiàn)見(jiàn)圖2（A）。而現(xiàn)代代螺旋風(fēng)風(fēng)管可以以來(lái)用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)話的的柔性聯(lián)

9、聯(lián)結(jié)，見(jiàn)見(jiàn)圖2（B），這種方方法不僅僅不需要要多余空空間，而而且更加加易于安安裝。因因此對(duì)于于長(zhǎng)寬比比接近11的矩形形風(fēng)道，圓形風(fēng)風(fēng)管的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是無(wú)無(wú)法替代代的。（A）（B）圖2：SScanndiaaconnsullt(119922) 風(fēng)風(fēng)管連接接方案比比較 （A）矩矩形風(fēng)管管 （BB）圓形形風(fēng)管對(duì)于于有著大大長(zhǎng)寬比比的矩形形風(fēng)管，則可以以采用幾幾根圓形形風(fēng)管進(jìn)進(jìn)行替代代，見(jiàn)圖圖3，這這種替代代方案可可以使風(fēng)風(fēng)量的控控制變得得更加簡(jiǎn)簡(jiǎn)單。同同時(shí)安裝裝費(fèi)用也也將大幅幅減小。雖然材材料費(fèi)用用可能會(huì)會(huì)有所增增加，但但Jaggemeer（119911）的一一項(xiàng)調(diào)查查結(jié)果表表明，在在此方案案下，初初投資總

10、總額幾乎乎和矩形形風(fēng)管是是一樣的的。 圖3：一一5500mmXX1500mm的的矩形風(fēng)風(fēng)管為兩兩D=2200mmm的圓圓形風(fēng)管管替代方方案3. 運(yùn)運(yùn)行費(fèi)用用在通通常情況況下，空空調(diào)系統(tǒng)統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)費(fèi)用的最最大部分分為能源源消耗。能源費(fèi)費(fèi)用包括括加熱或或冷卻空空氣及將將這些空空氣傳送送到末端端的設(shè)備備所消耗耗的能源源。如果果整個(gè)風(fēng)風(fēng)管系統(tǒng)統(tǒng)被良好好地進(jìn)行行了保溫溫，則風(fēng)風(fēng)管漏風(fēng)風(fēng)量成為為多余能能源消耗耗的一個(gè)個(gè)重要來(lái)來(lái)源。對(duì)于于風(fēng)管系系統(tǒng)，風(fēng)風(fēng)機(jī)是循循環(huán)動(dòng)力力的提供供者，風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)風(fēng)壓一般般不會(huì)超超過(guò)6550Paa。除去去空氣處處理機(jī)組組的末端端設(shè)備的的壓力損損失，整整個(gè)風(fēng)管管系統(tǒng)可可利用的的壓頭大

11、大約為22003000Pa。因此，風(fēng)管系系統(tǒng)應(yīng)盡盡量避免免有大的的壓頭損損失。同同時(shí)，漏漏風(fēng)量也也直接影影響到風(fēng)風(fēng)機(jī)的功功率選擇擇，根據(jù)據(jù)風(fēng)機(jī)定定理，風(fēng)風(fēng)機(jī)功率率與風(fēng)量量的三次次方成正正比，即即如果風(fēng)風(fēng)管漏風(fēng)風(fēng)率為66%，風(fēng)風(fēng)機(jī)功率率將增加加20%，螺旋旋圓形風(fēng)風(fēng)管的漏漏風(fēng)率要要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小小于矩形形風(fēng)管。 3.1 漏漏風(fēng)率 風(fēng)風(fēng)管的漏漏風(fēng)綠可可由下式式進(jìn)行計(jì)計(jì)算：（1）frref= 面積積漏風(fēng)率率 qvll= 漏漏風(fēng)量 AA= 風(fēng)風(fēng)管表面面積 K= 漏風(fēng)風(fēng)常數(shù)ppreff= 風(fēng)風(fēng)管與外外界的壓壓差在歐洲洲，根據(jù)據(jù)漏風(fēng)常常數(shù)，風(fēng)風(fēng)管的氣氣密性被被劃分為為四個(gè)等等級(jí)（AA,B,C,DD）。表表2給出出

12、了相應(yīng)應(yīng)等級(jí)所所允許的的最大漏漏風(fēng)常數(shù)數(shù)。 Classs AAKA=0.0227110-33 m3 s-11 m-22 Paa-0.65Classs BBKB=0.0009110-33 m3 s-11 m-22 Paa-0.665Classs CCKC=0.0003110-33 m3 s-11 m-22 Paa-0.65Classs DDKD =0.0001110-33 m3 s-11 m-22 Paa-0.65表2：歐歐洲風(fēng)管管系統(tǒng)氣氣密性等等級(jí)劃分分與圓圓形風(fēng)管管相比，矩形風(fēng)風(fēng)管需要要的螺栓栓與鉚釘釘連結(jié)要要多得多多，因此此不可避避免地漏漏風(fēng)量也也要大得得多。圖圖4為比比利時(shí)的的一組實(shí)實(shí)測(cè)

13、數(shù)據(jù)據(jù)，數(shù)據(jù)據(jù)顯示矩矩形風(fēng)管管的漏風(fēng)風(fēng)率平均均比圓形形風(fēng)管高高7倍。通風(fēng)風(fēng)與空調(diào)調(diào)工程師師施工及及驗(yàn)收規(guī)規(guī)范GGB5002433-20002也指指出：圓圓形風(fēng)管管的允許許漏風(fēng)量量為矩形形風(fēng)管的的50。 圖4： 21棟棟比利時(shí)時(shí)建筑物物的風(fēng)管管漏風(fēng)率率的測(cè)量量數(shù)據(jù)（Carrri ett all, 119999）3.2壓壓頭損失失水水力當(dāng)量量直接被被用來(lái)估估算矩形形風(fēng)管的的紊統(tǒng)壓壓力損失失對(duì)于有有著相同同水力當(dāng)當(dāng)量直徑徑的風(fēng)管管，盡管管橫截面面形狀不不同。它它們?nèi)匀蝗挥兄嘞嗤难匮爻虊毫αp失。圖5比比較了一一段圓型型風(fēng)管（D=00.5mm,U=5m/s,=0.15mmm）和和有著相相同面積積，

14、流量量的矩形形風(fēng)管的的壓力損損失。很很明顯在在這種情情況下，矩形風(fēng)風(fēng)管的壓壓力阻失失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大大于圓型型風(fēng)管，而且隨隨著風(fēng)管管長(zhǎng)寬比比的增大大，壓力力損失也也越大。也就意意味著風(fēng)風(fēng)機(jī)的功功率也必必然越大大。 圖5：等等流量/流速矩矩形風(fēng)管管與圓型型風(fēng)管壓壓力損失失比較（流量=1 mm3/s, v=5m/s）“水水力當(dāng)量量直徑”的概念念是建立立在沿矩矩形風(fēng)管管邊界的的平均切切應(yīng)力應(yīng)應(yīng)當(dāng)是一一致的假假設(shè)上的的，也就就是說(shuō)，等速線線應(yīng)當(dāng)與與風(fēng)管邊邊界平行行，但是是實(shí)際測(cè)測(cè)量結(jié)果果卻顯示示，在矩矩形風(fēng)管管中，沿沿對(duì)角線線方向的的速度梯梯度衰減減最慢，沿中心心線方向向的速度度梯度衰衰減最慢慢。因此此，在理理

15、論上，水力當(dāng)當(dāng)量直徑徑在下列列兩種情情況下應(yīng)應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎慎引用。 流量太小小，流場(chǎng)場(chǎng)達(dá)不到到完全紊紊流狀態(tài)態(tài) 管道橫截截面遠(yuǎn)離離圓形，即有著著較大長(zhǎng)長(zhǎng)寬比的的矩形。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)也也對(duì)水力力當(dāng)量直直徑的普普遍性表表示了懷懷疑。JJONEES（119766）作了了一系列列的光滑滑矩形風(fēng)風(fēng)管壓力力損失實(shí)實(shí)驗(yàn)，筆筆者將他他的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行了重重新分析析，見(jiàn)圖圖6.盡盡管缺乏乏10長(zhǎng)寬比比255的數(shù)據(jù)據(jù)。圖66數(shù)據(jù)仍仍然強(qiáng)烈烈暗示了了長(zhǎng)寬比比對(duì)水力力當(dāng)量直直徑壓力力損失的的單調(diào)上上升影響響。Grrigggs eet aal(119922)在使使用粗糙糙矩形風(fēng)風(fēng)管做的的實(shí)驗(yàn)也也有類似似的結(jié)果果。 圖6：不不同長(zhǎng)寬寬比的光光滑矩型型風(fēng)管與與圓型風(fēng)風(fēng)管的壓壓力損失失比較3.3維維護(hù)費(fèi)用用為為了避免免病態(tài)建建筑，風(fēng)風(fēng)管需要要定期進(jìn)進(jìn)行清潔潔。清潔潔方法包包括干法法（使用用吸塵器器和刷子子）或濕濕法（使使用長(zhǎng)拖拖把）在在這兩種種情況下下，圓形形風(fēng)管都都比矩形形風(fēng)管更更加簡(jiǎn)單單。 4.結(jié)