通風管道橫截面形狀對比和研究
首先 風管系統是空調及通風工程中最重要的一個組成部分，通常情況下風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，絕大部分通風系統都采用矩形風管。隨著大型螺旋圓形風管也就是螺旋風管成型機研制成功，大量工程實例證明無論在經濟性還是其他工程參數，螺旋圓形風管都遠好于矩形風管。本文將對這些研究結果進行總結，并企圖將比較的重點放在對風管系統的經濟性比較上，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。
關鍵詞： 圓形風管 螺旋風管 矩形風管 經濟性比較 風管系統
1.背景
風管系統是空調及通風工程中最重要的一個組成部分，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。通常情況下風管橫截面有三種形狀：矩形,圓形和扁圓形。矩形風管的制作通常是通過對四塊鋼板的鉚接來完成。圓形風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。扁圓形風管則比較少見，它一般是對圓形風管進行擠壓形成. 在1960年以前，由于制作工藝簡單，所需安裝空間較小，絕大部分通風系統都采用矩形風管。隨著大型螺旋圓形風管成型機研制成功，大量工程實例證明無論在經濟性還是其他工程參數，圓形風管都遠好于矩形風管。因此在國外，特別是歐洲，螺旋風管的使用率都變得越來越普及，見表一。中國目前的圓形風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管與矩形風管的工程對比研究已成為一個刻不容緩的課題。
表一：螺旋風管 圓形風管逐年所占的市場分額：
國家及地區 | 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 |
從經濟分析的角度來講，一棟建筑物內的風管系統在其整個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，在諸多參數圓形風管系統比矩形風管系統表現更為優異，本文將對這些研究結果進行總結，并企圖將比較的重點放在對風管系統的經濟性比較上，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。
2 初投資部分：
圓型風管系統所需初投資比矩形風管要低的部分原因如下：
圓型風管更容易制造和運輸。
圓型風管的組件和配件都已被高度標準化。
從結構上講，圓形風管更能承受壓力而不變形，矩形風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，制造圓型風管所需要的金屬量要小于矩形風管，矩形風管的長寬比越大，則金屬耗量越高。
圓形風管的吊架構造比矩形風管的安裝簡單，《通風與空調工程施工及驗收規范》GB50243—2002同時指出，對于長邊尺寸大于400mm的矩形風管吊架間距為4m，而對螺旋圓形風管間距則延長到5m。
測量圓形風管的風量所需測量點小于矩形風管，因此進行風管系統平衡時，調試費用也將小于矩形風管。
圓形風管能顯著減少低頻噪聲傳入室內，因此可以減少消聲設備
Scandiaconsult(1992)為一個大房間的通風系統分別用圓形風管和矩形風管做了兩個設計方案，并比較系統的壓力損頭及相關的經濟參數，見圖1（注意：經濟分析以當年的北歐市場價格為基準進行）。計算結果表明，在相同的末端設備條件下，整個安裝費用，圓形風管僅為矩形風管的一半，同時圓形風管的材料費用為矩形風管的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) 風管設計方案比較 （A）圓形風管 （B）矩形風管
對風管系統的所占空間進行經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。一般來說，采用矩形風管的最主要的一個原因是矩形風管能節約空間，但實際上，對于長寬比接近的矩形風管而言，它所占有的實際面積要大于圓形風管，這主要是因為矩形風管需要法蘭來聯結，而法蘭邊的高度通常大于20mm，見圖2（A）。而現代螺旋風管可以來用標準話的柔性聯結，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的矩形風道，圓形風管的優點是無法替代的。
圖2：Scandiaconsult(1992) 風管連接方案比較 （A）矩形風管 （B）圓形風管
對于有著大長寬比的矩形風管，則可以采用幾根圓形風管進行替代，見圖3，這種替代方案可以使風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）的一項調查結果表明，在此方案下，初投資總額幾乎和矩形風管是一樣的。
圖3：一550mmX150mm的矩形風管為兩D=200mm的圓形風管替代方案
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。如果整個風管系統被良好地進行了保溫，則風管漏風量成為多余能源消耗的一個重要來源。
對于風管系統，風機是循環動力的提供者，風機的風壓一般不會超過650Pa。除去空氣處理機組的末端設備的壓力損失，整個風管系統可利用的壓頭大約為200—300Pa。因此，風管系統應盡量避免有大的壓頭損失。同時，漏風量也直接影響到風機的功率選擇，根據風機定理，風機功率與風量的三次方成正比，即如果風管漏風率為6%，風機功率將增加20%，螺旋圓形風管的漏風率要遠遠小于矩形風管。
3.1 漏風率
風管的漏風綠可由下式進行計算：
�。�1）
fref= 面積漏風率
qvl= 漏風量
A= 風管表面積
K= 漏風常數
△pref= 風管與外界的壓差
在歐洲，根據漏風常數，風管的氣密性被劃分為四個等級（A,B,C,D）。表2給出了相應等級所允許的最大漏風常數。
Class A |
KA=
| 0.027×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Class B |
KB=
| 0.009×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Class C |
KC=
| 0.003×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
Class D |
KD =
| 0.001×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65 |
表2：歐洲風管系統氣密性等級劃分
與圓形風管相比，矩形風管需要的螺栓與鉚釘連結要多得多，因此不可避免地漏風量也要大得多。圖4為比利時的一組實測數據，數據顯示矩形風管的漏風率平均比圓形風管高7倍�！锻L與空調工程師施工及驗收規范》GB50243-2002也指出：圓形風管的允許漏風量為矩形風管的50％。
圖4： 21棟比利時建筑物的風管漏風率的測量數據（Carrié et al, 1999）
3.2壓頭損失
水力當量直接被用來估算矩形風管的紊統壓力損失對于有著相同水力當量直徑的風管，盡管橫截面形狀不同。它們仍然有著相同的沿程壓力損失。圖5比較了一段圓型風管（D=0.5m,U=5m/s,∑=0.15mm）和有著相同面積，流量的矩形風管的壓力損失。很明顯在這種情況下，矩形風管的壓力阻失遠遠大于圓型風管，而且隨著風管長寬比的增大，壓力損失也越大。也就意味著風機的功率也必然越大。
圖5：等流量/流速矩形風管與圓型風管壓力損失比較（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管邊界的平均切應力應當是一致的假設上的，也就是說，等速線應當與風管邊界平行，但是實際測量結果卻顯示，在矩形風管中，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，水力當量直徑在下列兩種情況下應當謹慎引用。
流量太小，流場達不到完全紊流狀態
管道橫截面遠離圓形，即有著較大長寬比的矩形。
實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管壓力損失實驗，筆者將他的實驗數據進行了重新分析，見圖6.盡管缺乏10<長寬比<25的數據。圖6數據仍然強烈暗示了長寬比對水力當量直徑壓力損失的單調上升影響。Griggs et al(1992)在使用粗糙矩形風管做的實驗也有類似的結果。
圖6：不同長寬比的光滑矩型風管與圓型風管的壓力損失比較
3.3維護費用
為了避免病態建筑，風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，圓形風管都比矩形風管更加簡單。
4.結論
風管系統的經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，一個風管系統的壽命很有可能會超過十年，在這種情況下，一點很小的設計和質量上的改進都有可能加大投資的盈利率。從這點上說，圓型風管應當是一個更具經濟性的解決方案。
最后要指出的是，出于安靜和空間的考慮，風管系統的某些有關大流量和大尺寸的部位，例如新風吸入口和空氣處理裝置出口仍然推薦采用矩形風管。
