摘要： 本文對暖通空調(diào)風道系統(tǒng)的性能進行了分析與評價，并介紹了數(shù)值模型在風道設(shè)計的應(yīng)用。
            　
            文獻<1>已詳細描述了對風道中氣流的物理基本特性、壓力損失以及測試方法和最佳參數(shù)確定，并指出在暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中，利用數(shù)值模型計算沿程阻力損失是一種切實可行的方法。本文從影響暖通空調(diào)風道系統(tǒng)性能的主要因素入手，全面系統(tǒng)分析與評價風道系統(tǒng)性能及其在設(shè)計中的應(yīng)用，現(xiàn)報導如下。

            1 風道形狀
            風道通常被加工成矩形或圓形，近年來，平橢圓形風道有了一定的發(fā)展，通常它被加工展示成橢圓形的螺線形狀風道。各種形狀的風道均有其優(yōu)缺點，現(xiàn)分述如下。
            矩形風道便于安裝、拆卸及套裝，風道表面是平面，這樣有利于開啟關(guān)閉風道和設(shè)置吊架，也有利于裝配和建筑物配合。其缺點是阻力損失較大，為了獲得相同的氣流，它的能耗要比圓形風道大；接頭長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用比圓形斷面接頭安裝費用高。
            圓形風道單位長度壓力損失最小，通常其經(jīng)濟效益也最好。按重量計算圓形風道替代矩形風道約節(jié)省20％的金屬材料。圓形風道加上螺線形，可實現(xiàn)長度上的延伸，需加長的接頭可相對減少。因此壓力損失及漏風也隨之相對減小。圓形附件易于加工和大批量制作，滑動接頭是安裝過程中，最為經(jīng)濟的一種接頭，圓形附件便于連接可伸縮的風道，且保溫和密封也方便容易。缺點是圓形風道需要較高的安裝高度，且風道尺寸過大時，會給加工操作和運輸帶來困難。
            平橢圓形風道與圓形風道相比，其安裝高度降低了，且易于控制，它具有圓形風道的大多數(shù)優(yōu)點，但其附件的加工制造和局部改造較難。其他缺點諸如：尺寸過大會造成安裝和運輸?shù)牟槐?；在壓力作用下，平橢圓形風道有變?yōu)閳A形風道的趨勢；展弦比較大時，橢圓滑動接頭組裝困難；由于許多橢圓形風道附件缺乏流動阻力系數(shù)數(shù)據(jù)資料，限制了平橢圓形風道的實際應(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動規(guī)律，直線型流程克服阻力所需能量最少。如果附件阻力計算有誤，則出口截面的實際流量將與設(shè)計流量不符。對同一類型配件而言，當給出多種配件時，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：
            出風管配件：出風管配件的作用在于防止雨水侵入風道內(nèi)。盡管使用普遍，風帽在流程中仍會出現(xiàn)障礙，雖然在風帽內(nèi)設(shè)置的一個倒圓錐會起一定的作用，但還不夠理想。建議使用直徑比通風管徑大25 mm，長度為4倍于通風管徑的垂直風道接頭，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：因為氣體流動方向改變90°
            造成較大的能量損失，因此把直管段接至通風管段一側(cè)是進行合理比較的前提。導流風門、分離裝置、收集器、圓維面、彎頭和圓的或45°的漸變管等項裝置，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。導流風門、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45°彎頭是唯一能滿足安裝要求的部件，如果安裝適當，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際應(yīng)用的效果，雙層厚度的葉片費用較高，且其性能不如單層葉片好。對一個鈄接頭而言，通?？稍趯Я黠L門處做直徑很小的倒圓(r／D≤0.1)或倒角，標準倒圓(r／D＝1.5)不如曲率半徑較大的倒圓經(jīng)濟，但從經(jīng)濟和運行兩方面情況考慮，標準倒圓是最好的。
            2.2 經(jīng)濟性
            在風道配件安裝過程中應(yīng)考慮以下特殊經(jīng)濟情況：
            漸變段：漸變段通常位于漸縮(擴)管或分支管之后的主干路或支路上，因為經(jīng)過這些部件后氣流速度降低。排風扇處漸擴管通常是用來降低流速和壓力損失的。保持風道三面尺寸不變而僅改變一面尺寸的漸變管最經(jīng)濟，改變兩面或更多面將會增加測量難度。
            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。
            機械通風：尺寸變化大時，常導致其他變化諸如從過濾機組變至主風管，在小于1.2m長度范圍內(nèi)制作一個漸縮風管，會引起風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結(jié)構(gòu)，應(yīng)在過濾機組上安裝一個靜壓室，并在風道入口處安裝一個錐形或鐘形入口套管。通常在過濾機組上安裝靜壓室會起到減小壓力損失的作用。
            彈性風道：天花板上送風口需根據(jù)風道位置進行調(diào)整，從而防止風道在豎直方向上發(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)天花板送風口上均安裝了一個圓形套管，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，彈性風道滑動位移應(yīng)控制在1.5m以內(nèi)，且應(yīng)避免急轉(zhuǎn)彎。
            調(diào)節(jié)風門：多數(shù)調(diào)節(jié)風門被用來截斷或限制干管或旁通管、省煤器、回流、流量控制、平衡和導流風門等處的氣流。一般的經(jīng)驗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。安裝平衡風門時應(yīng)留有余地，其目的是既不截斷氣流，又可以調(diào)節(jié)氣流。緊閉的平衡風門和風道之間應(yīng)留25mm的空隙，以便安裝。其它閥門是用來關(guān)閉風道的。當反向葉片控制閥門僅開啟三分之一時，便可收到良好的控制效果。低角度（相對于風門所成角度的位移）時，可忽略風門的調(diào)節(jié)作用；而高角度時，氣流量則變化過快。若系統(tǒng)平衡不好，則風門將會形成一個噪聲源。因此，應(yīng)利用計算機模擬方法分析研究此類問題。

            3 漏風與密封
            在風道系統(tǒng)初設(shè)計時就應(yīng)說明風道的密封。盡管漏風現(xiàn)象并不一定總是很嚴重，但它卻是不易控制的。據(jù)此，應(yīng)設(shè)法避免發(fā)生漏風現(xiàn)象。在把處理過的空氣按設(shè)計風量輸送至送風口過程中，雖然漏風不一定就會引起系統(tǒng)運行不正常，但它卻會增加運行費。對于開啟式風道系統(tǒng)，滲漏出的空氣排放到空調(diào)房間并無冷損失，但這種漏風也應(yīng)避免。對建筑內(nèi)的風道，應(yīng)做好連接對出口和連接處的密封。
            每個風道系統(tǒng)設(shè)計人員均應(yīng)有一套自己的風道密封方法，并說明漏風等級，以滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求和節(jié)能標準。除了小批量生產(chǎn)和住宅安裝情況外，應(yīng)長期進行一定規(guī)模的風道系統(tǒng)抽樣測試，檢驗空氣平衡狀況，找出其規(guī)律。

            4 尺寸放大
            目前比摩阻或靜態(tài)回收等風道設(shè)計方法都還沒有實現(xiàn)壽命周期花費的最佳數(shù)值。正確應(yīng)用上述方法，可標定出一個風道系統(tǒng)，使該系統(tǒng)在壓力損失平衡時能按設(shè)計合理地分配氣流。實際中有許多風道連接方式可以滿足氣流分布要求，但只有經(jīng)過計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)對風道系統(tǒng)進行檢查，因為系統(tǒng)的不平衡，會導致系統(tǒng)在非設(shè)計工況下運行。由于使用閥門或阻力損失較大的風道配件，不平衡將會使非臨界路徑風道的運行產(chǎn)生較高壓力損失。相反，臨界路徑風道系統(tǒng)的末端應(yīng)擴大風道橫截面尺寸以滿足系統(tǒng)具有較低風速和壓力損失。在某些情況下，一個擴展的機械通風系統(tǒng)也可以是一個高效、實用的分布系統(tǒng)。保持風道尺寸與相鄰的支管輸送出口相一致，有時比使用能使主風道尺寸減少50毫米的配件會更經(jīng)濟。在另一位置上擴大風道尺寸可以起到消聲作用。一般來說，低風速能防止由于摩擦大而產(chǎn)生的噪聲。從經(jīng)濟和噪聲兩方面綜合考慮，在非臨界狀態(tài)下運行的風道系統(tǒng)，應(yīng)通過減小風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
            配件壓力損失計算：計算某一系統(tǒng)風道尺寸時其截面積是未知量，但計算壓力損失時許多配件的阻力系數(shù)卻需要依據(jù)這一尺寸才能確定，這只有在風道尺寸初步假定和利用反復試算的基礎(chǔ)上才能獲得。
            選擇尺寸的計算：根據(jù)以工程方法為基礎(chǔ)推薦的風速，選擇風道尺寸而不進行逐段管路壓力平衡是不理想的，如果風道系統(tǒng)不平衡，則出口處的氣流就不會按設(shè)計要求進行分布。
            等摩阻法，靜態(tài)回收法和速度衰減法是風道設(shè)計的三種最普遍尺寸標定方法，這些方法是分別以使用單位長度壓力損失(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相等?
            如果不等將會出現(xiàn)什么情況(等摩擦阻力法)? 2)為什么節(jié)點處的靜壓會相等(靜態(tài)回收法)？3)為什么空氣速度比率會相等(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道系統(tǒng)設(shè)計設(shè)置了一些不必要的限制，這些限制會對最優(yōu)方案的確定產(chǎn)生不良影響。對于根據(jù)不同節(jié)點處靜壓和壓力損失確定風道尺寸的系統(tǒng)，在系統(tǒng)壓力得到合理平衡時，可以獲得較好的氣流分布。因此，沒有理由從經(jīng)濟或壓力平衡方面考慮使單位長度的壓力損失或靜壓或速度比率相等的必要。在設(shè)計中，仍需提供基于經(jīng)驗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)。在風道尺寸選擇之后，應(yīng)重新計算壓力平衡和局部阻力損失的。由于考慮空間、標準風道尺寸和噪聲(風速)所受到的限制，會阻礙系統(tǒng)獲得一個絕對的壓力平衡(理論上)，因此，需用閥門調(diào)節(jié)剩余壓力，但會產(chǎn)生噪聲，系統(tǒng)的噪聲應(yīng)該給予重視。
            設(shè)計時，另一個應(yīng)考慮的方面就是經(jīng)濟問題，因為風道尺寸和風機壓頭的選擇取決于電力和管網(wǎng)的造價。在電費較低的地區(qū)設(shè)計同樣風道系統(tǒng)的壓力損失應(yīng)明顯低于電費較高的地區(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)計的具有已知截面積和風機性能曲線的風道系統(tǒng)被認為是類似于實際安裝系統(tǒng)的數(shù)值圖像，該模型計算了實際的空氣流動和實際的風機工作狀態(tài)點。風道數(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)值模型是一種運用計算機分析風道系統(tǒng)運行效率的方法，在計算機模型上可以模擬風道系統(tǒng)的不同工作狀況，因此，這種模擬可以在風機性能曲線上給實際工作狀態(tài)點定義出截面空氣流動、壓力差和空氣速度?？梢园褦?shù)值模型有效地運用于暖通空調(diào)的許多應(yīng)用方面諸如：測試和平衡、改型、確定系統(tǒng)工作效率、防排煙等。下面列舉幾個數(shù)值模型應(yīng)用實例：
            測試和平衡：按以下4個階段工作：1)利用對平衡系統(tǒng)輸入最好用的數(shù)據(jù)開發(fā)數(shù)值模型，即設(shè)計資料；2)把設(shè)計系統(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)整反饋到實際風道系統(tǒng)中去；4)根據(jù)實際需要，隨時利用數(shù)值模型更新或修改風道系統(tǒng)的設(shè)計。
            風機并聯(lián)運行：對帶有多臺風機并聯(lián)的系統(tǒng)，常常遇到：當一臺或數(shù)臺風機關(guān)閉時，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)如何運行的問題；為了減少風道，安裝額外的閥門是否合理、安裝在什么位置上的問題；當一部分系統(tǒng)被關(guān)閉閥門隔斷時，末端出口會發(fā)生什么情況的問題。
            火災(zāi)時煙氣管理系統(tǒng)的行為：火災(zāi)時，防火防煙須具有確保人員生命安全和最大限度地減少財產(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。
            變風量系統(tǒng)氣流分布：任何一個變風量系統(tǒng)中，風量的改變都會使整個系統(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)計氣流區(qū)域、預(yù)測風量改變的相互影響，包括回風機與送風機相串聯(lián)的影響。
            改造系統(tǒng)：在建筑物翻新改造期間，常需要在原有風道系統(tǒng)中再增加一些送風口和回風口。利用數(shù)值模型可以對原有風機和電機能否送更多的風、原有風機和電機是否需要更換、新出口應(yīng)在何處連接、新出口是否會影響原有出口和外加的閥門應(yīng)安裝在何處等問題進行研究、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道，否則，圓形風道是最理想的風道形狀。建立風道配件數(shù)據(jù)庫，以用于計算和驗證壓力損失系數(shù)及選擇最經(jīng)濟的配件。風道應(yīng)按設(shè)計人員密封等級要求的說明進行密封。壓力應(yīng)消耗在風道和配件上而不是消耗在閥門或孔板上。設(shè)計中應(yīng)采用諸如等摩阻和改進型靜態(tài)回收設(shè)計方法。分析原有風道系統(tǒng)性能的最先進手段是數(shù)值模型。最先進風道設(shè)計方法是把使用壽命費用優(yōu)化與數(shù)值模型結(jié)合起來。

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