摘要： 風(fēng)管系統是空調及通風(fēng)工程中最重要的一個(gè)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(jiǎn)單，所需安裝空間較小，絕大部分通風(fēng)系統都采用矩形風(fēng)管。隨著(zhù)大型螺旋圓形風(fēng)管成型機研制成功，大量工程實(shí)例證明無(wú)論在經(jīng)濟性還是其他工程參數，圓形風(fēng)管都遠好于矩形風(fēng)管。本文將對這些研究結果進(jìn)行總結，并企圖將比較的重點(diǎn)放在對風(fēng)管系統的經(jīng)濟性比較上，同時(shí)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 矩形風(fēng)管 經(jīng)濟性比較 風(fēng)管系統
1.背景
風(fēng)管系統是空調及通風(fēng)工程中最重要的一個(gè)組成部分，它的功能主要是將調節后的空氣按設計流量盡可能高效率的傳送到末端設備。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(guò)對四塊鋼板的鉚接來(lái)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(jiàn)，它一般是對圓形風(fēng)管進(jìn)行擠壓形成. 在1960年以前，由于制作工藝簡(jiǎn)單，所需安裝空間較小，絕大部分通風(fēng)系統都采用矩形風(fēng)管。隨著(zhù)大型螺旋圓形風(fēng)管成型機研制成功，大量工程實(shí)例證明無(wú)論在經(jīng)濟性還是其他工程參數，圓形風(fēng)管都遠好于矩形風(fēng)管。因此在國外，特別是歐洲，圓形風(fēng)管的使用率都變得越來(lái)越普及，見(jiàn)表一。中國目前的圓形風(fēng)管使用比率據筆者不完整的調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(gè)刻不容緩的課題。
表一：圓形風(fēng)管逐年所占的市場(chǎng)分額：
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國家及地區 |
1960 |
1965 |
1970 |
1975 |
1980 |
1985 |
1990 |
2000 |
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北歐 |
5 |
15 |
40 |
60 |
70 |
80 |
85 |
90 |
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德國 |
5 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
25 |
50 |
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法國 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
50 |
65 |
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英國 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
35 |
35 |
55 |
從經(jīng)濟分析的角度來(lái)講，一棟建筑物內的風(fēng)管系統在其整個(gè)使用壽命中所有的費用可分為
1、初投資：包括設計費用，材料及安裝費用，空間費用，調試費用，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果（Scandiaconsult(1992), Bouwman(1992), Malmstrom et al (2001), Malmstrom et al (2002)）表明，在諸多參數圓形風(fēng)管系統比矩形風(fēng)管系統表現更為優(yōu)異，本文將對這些研究結果進(jìn)行總結，并企圖將比較的重點(diǎn)放在對風(fēng)管系統的經(jīng)濟性比較上，同時(shí)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。
2 初投資部分：
圓型風(fēng)管系統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準化。
- 從結構上講，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(cháng)寬比越大，則金屬耗量越高。
- 圓形風(fēng)管的吊架構造比矩形風(fēng)管的安裝簡(jiǎn)單，《通風(fēng)與空調工程施工及驗收規范》GB50243—2002同時(shí)指出，對于長(cháng)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(cháng)到5m。
- 測量圓形風(fēng)管的風(fēng)量所需測量點(diǎn)小于矩形風(fēng)管，因此進(jìn)行風(fēng)管系統平衡時(shí)，調試費用也將小于矩形風(fēng)管。
- 圓形風(fēng)管能顯著(zhù)減少低頻噪聲傳入室內，因此可以減少消聲設備
Scandiaconsult(1992)為一個(gè)大房間的通風(fēng)系統分別用圓形風(fēng)管和矩形風(fēng)管做了兩個(gè)設計方案，并比較系統的壓力損頭及相關(guān)的經(jīng)濟參數，見(jiàn)圖1（注意：經(jīng)濟分析以當年的北歐市場(chǎng)價(jià)格為基準進(jìn)行）。計算結果表明，在相同的末端設備條件下，整個(gè)安裝費用，圓形風(fēng)管僅為矩形風(fēng)管的一半，同時(shí)圓形風(fēng)管的材料費用為矩形風(fēng)管的80%。
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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)管設計方案比較 （A）圓形風(fēng)管 （B）矩形風(fēng)管
對風(fēng)管系統的所占空間進(jìn)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構和用途。一般來(lái)說(shuō)，采用矩形風(fēng)管的最主要的一個(gè)原因是矩形風(fēng)管能節約空間，但實(shí)際上，對于長(cháng)寬比接近的矩形風(fēng)管而言，它所占有的實(shí)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(lái)聯(lián)結，而法蘭邊的高度通常大于20mm，見(jiàn)圖2（A）。而現代螺旋風(fēng)管可以來(lái)用標準話(huà)的柔性聯(lián)結，見(jiàn)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(cháng)寬比接近1的矩形風(fēng)道，圓形風(fēng)管的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)法替代的。
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（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(zhù)大長(cháng)寬比的矩形風(fēng)管，則可以采用幾根圓形風(fēng)管進(jìn)行替代，見(jiàn)圖3，這種替代方案可以使風(fēng)量的控制變得更加簡(jiǎn)單。同時(shí)安裝費用也將大幅減小。雖然材料費用可能會(huì )有所增加，但Jagemer（1991）的一項調查結果表明，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
3. 運行費用
在通常情況下，空調系統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備所消耗的能源。如果整個(gè)風(fēng)管系統被良好地進(jìn)行了保溫，則風(fēng)管漏風(fēng)量成為多余能源消耗的一個(gè)重要來(lái)源。
對于風(fēng)管系統，風(fēng)機是循環(huán)動(dòng)力的提供者，風(fēng)機的風(fēng)壓一般不會(huì )超過(guò)650Pa。除去空氣處理機組的末端設備的壓力損失，整個(gè)風(fēng)管系統可利用的壓頭大約為200—300Pa。因此，風(fēng)管系統應盡量避免有大的壓頭損失。同時(shí)，漏風(fēng)量也直接影響到風(fēng)機的功率選擇，根據風(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)率要遠遠小于矩形風(fēng)管。
3.1 漏風(fēng)率
風(fēng)管的漏風(fēng)綠可由下式進(jìn)行計算：
�。�1）
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
△pref= 風(fēng)管與外界的壓差
在歐洲，根據漏風(fēng)常數，風(fēng)管的氣密性被劃分為四個(gè)等級（A,B,C,D）。表2給出了相應等級所允許的最大漏風(fēng)常數。
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Class A |
KA=
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0.027×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
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Class B |
KB=
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0.009×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
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Class C |
KC=
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0.003×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
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Class D |
KD =
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0.001×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
表2：歐洲風(fēng)管系統氣密性等級劃分
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(shí)的一組實(shí)測數據，數據顯示矩形風(fēng)管的漏風(fēng)率平均比圓形風(fēng)管高7倍�！锻L(fēng)與空調工程師施工及驗收規范》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(shí)建筑物的風(fēng)管漏風(fēng)率的測量數據（Carrié et al, 1999）
3.2壓頭損失
水力當量直接被用來(lái)估算矩形風(fēng)管的紊統壓力損失對于有著(zhù)相同水力當量直徑的風(fēng)管，盡管橫截面形狀不同。它們仍然有著(zhù)相同的沿程壓力損失。圖5比較了一段圓型風(fēng)管（D=0.5m,U=5m/s,∑=0.15mm）和有著(zhù)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)管的壓力阻失遠遠大于圓型風(fēng)管，而且隨著(zhù)風(fēng)管長(cháng)寬比的增大，壓力損失也越大。也就意味著(zhù)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）
“水力當量直徑”的概念是建立在沿矩形風(fēng)管邊界的平均切應力應當是一致的假設上的，也就是說(shuō)，等速線(xiàn)應當與風(fēng)管邊界平行，但是實(shí)際測量結果卻顯示，在矩形風(fēng)管中，沿對角線(xiàn)方向的速度梯度衰減最慢，沿中心線(xiàn)方向的速度梯度衰減最慢。因此，在理論上，水力當量直徑在下列兩種情況下應當謹慎引用。
- 流量太小，流場(chǎng)達不到完全紊流狀態(tài)
- 管道橫截面遠離圓形，即有著(zhù)較大長(cháng)寬比的矩形。
實(shí)驗數據也對水力當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(shí)驗，筆者將他的實(shí)驗數據進(jìn)行了重新分析，見(jiàn)圖6.盡管缺乏10<長(cháng)寬比<25的數據。圖6數據仍然強烈暗示了長(cháng)寬比對水力當量直徑壓力損失的單調上升影響。Griggs et al(1992)在使用粗糙矩形風(fēng)管做的實(shí)驗也有類(lèi)似的結果。
圖6：不同長(cháng)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(jìn)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(cháng)拖把）在這兩種情況下，圓形風(fēng)管都比矩形風(fēng)管更加簡(jiǎn)單。
4.結論
風(fēng)管系統的經(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(gè)風(fēng)管系統的壽命很有可能會(huì )超過(guò)十年，在這種情況下，一點(diǎn)很小的設計和質(zhì)量上的改進(jìn)都有可能加大投資的盈利率。從這點(diǎn)上說(shuō)，圓型風(fēng)管應當是一個(gè)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。
