空调通风设计原理

【知识点】 风道中流动阻力计算方法及各项修正；流速控制法进行风道设计计算的方法与步骤；均匀风道设计计算；风道中空气压力分布规律，风道压力分布图的绘制方法；风道的定型化、风道断面形状和材料的选择要求；风道布置、系统划分的基本原则和防火防爆的技术措施；通风工程施工图的构造与要求。

【学习目标】掌握风道中流动阻力计算方法及各项修正；掌握流速控制法进行风道设计计算的方法与步骤；掌握均匀风道设计计算；理解风道中空气压力分布规律，风道压力分布图的绘制方法；掌握风道的定型化、风道断面形状和材料的选择要求；掌握风道布置、系统划分的基本原则和防火防爆的技术措施；掌握通风空调工程施工图的构造与要求，能识读和绘制通风工程施工图。

通风管道是通风和空调系统的重要组成部分，设计计算目的是，在保证要求的风量分配前提下，合理确定风管布置和尺寸，使系统的初投资和运行费用综合最优。

通风管道系统的设计直接影响到通风空调系统的使用效果和技术经济性能。

6.1 风道阻力根据流体力学可知，空气在管道内流动，必然要克服阻力产生能量损失。

空气在管道内流动有两种形式的阻力，即摩擦阻力和局部阻力。

6.1.1摩擦阻力由于空气本身的粘滞性和管壁的粗糙度所引起的空气与管壁间的摩擦而产生的阻力称为摩擦阻力。

克服摩擦阻力而引起的能量损失称为摩擦阻力损失，简称沿程损失。

空气在横断面不变的管道内流动时，沿程损失可按下式计算* （6.1） 式中 ——风道的沿程损失，Pa ；——摩擦阻力系数；——风道内空气的平均流速，m/s ；——空气的密度，kg/m 3； ——风道的长度，m ；——风道的水力半径，m ； = （6.2）——管道中充满流体部分的横断面积，m 2；——湿周，在通风系统中即为风管周长，m 。

s m R P 41λ=∆lv 22ρm P ∆λv ρl s R s R PFF P单位长度的摩擦阻力，也称比摩阻，为Pa/m （6.3） （1）圆形风管的沿程损失 对于圆形风管= =式中 ——风管直径。

则圆形风管的沿程损失和单位长度沿程损失分别为· Pa （6.4） · Pa/m （6.5） 摩擦阻力系数 与风管管壁的粗糙度和管内空气的流动状态有关，在通风和空调系统中，薄钢板风管的空气流动状态大多数属于紊流光滑区到粗糙区之间的过渡区。

通常，高速风管的流动状态也处于过渡区。

只有流速很高表面粗糙的砖、混凝土风管流动状态才属于粗糙区。

因此，对于通风和空调系统中，空气流动状态多处于紊流过度区。

在这一区域中 用下式计算（6.6） 式中 K ——风管内壁的当量绝对粗糙度，mm ； ——雷诺数。

= （6.7） 式中——风管内流体（空气）的运动粘度，m 2/s 。

在通风管道设计中，为了简化计算，可根据公式（6.5）和式（6.6）绘制的各种形式的线算图或计算表进行计算。

附录6.1为风管单位长度沿程损失线算图，附录6.2为圆形风管计算表。

只要知道风量、管径、比摩阻、流速四个参数中的任意两个，即可求出其余的两个参数。

附录6.1和附录6.2的编制条件式：大气压力为101.3 kPa ，温度为20℃，空气密度为1.2 kg/m 3，运动粘度为15.06×10-6 m 2/s ，管壁粗糙度k=0.15 mm ，当实际使用条件与上述条件不同时，应进行修正。

① 大气温度和大气压力的修正Pa/m （6.8） 式中 ——实际使用条件下的单位长度沿程损失，Pa/m ；——温度修正系数； *41sm R R λ=22v ρs R PF442DDD =ππD DP m 1λ=∆l v 22ρD R m λ=22v ρλ)Re 51.271D .3K (2lg 1λλ+-=Re ReγvDγm B t mR R εε='mR 't ε——大气压力修正系数；——线算图或表中查出的单位长度沿程损失，Pa/m 。

=（ ）0.825 （6.9） =（ ）0.9 （6.10）式中 ——实际的空气温度，℃； ——实际的大气压力，kPa 。

和也可直接由图6.1查得。

图6.1 温度和大气压力曲线B εm R t εt++273202733.101B tB t εB ε② 绝对粗糙度的修正通过空调工程中常采用不同材料制成的风管，各种材料的绝对粗糙度见表6.1. (6.11) 式中 ——粗糙度修正系数。

=（ ）0.25 （6.12） ——管内空气流速，m/s 。

【例6.1】 已知太原市某厂已通风系统采用钢板制圆形风道，风量L=1000 m 3/h ，管内空气流速v=10 m/s ，空气温度 t=80℃，求风管的管径和单位长度的沿程损失。

解 由附录6.1查得：D=200 =6.8 Pa/m ，太原市大气压力：B=91.9 kPa 由图6.1查得：=0.86， =0.92 所以， = =0.86×0.92×6.8=5.38 Pa/m（2）矩形风管的沿程损失风管阻力损失的计算图表市根据圆形风管绘制的。

当风管截面为矩形时，需首先把矩形风管断面尺寸折算成相当于圆形风管的当量直径，再由此求出矩形风管的单位长度摩擦阻力损失。

当量直径就是与矩形风管有相同单位长度沿程损失的圆形风管直径，它分为流速当量直径和流量当量直径两种。

mkmR R ε='k εkεkvvm R m R t εB εm R t εBε各种材料的粗糙度 表 6.1① 流速当量直径假设某一圆形风管中的空气流速与矩形风管中的空气流速相等，且两风管的单位长度沿程损失相等，此时圆形风管的直径就称为该矩形风管的流速当量直径，以Dv 表示圆形风管水力半径（6.13） 矩形风管水力半径（6.14）式中——矩形风管的长度和宽度。

根据式（6.3），当流速与比摩阻均相同时，水力半径必相等 则有= = （6.15） ② 流量当量直径假设某一圆形风管中的空气流量与矩形风管中的空气流量相等，且两风管的单位长度沿程损失也相等，此时圆形风管的直径就称为该矩形风管的流量当量直径，以DL 表示： 圆形风管流量4DR s='）（b a ab P F R s +==''2b a 、s s R R ''='4D ）（2b a ab +Dv D ba ab+2v D L '=24π= =矩形风管流量=令 = 则：=1.265 （6.16）必须说明，利用当量直径求矩形风管的沿程损失，要注意其对应关系；当采用流速当量直径时，必须采用矩形风管内的空气流速去查沿程损失；当流量当量直径时，必须用矩形风管中的空气流量去查单位管长沿程损失。

这两种方法得出的矩形风管比摩阻是相等的。

为方便起见，附录6.3列出了标准尺寸的钢板矩形风管计算表。

制表条件同附录6.1、附录6.2，这样即可直接查出对应矩形风管的单位管长沿程损失，但应注意表中的风量是按风道长边和短边的内边长得出的。

v '24D LπmR '2422）（D L πρv ab L ''=v ''abL22142）（）（ab L b a ab R mρλ+=''mR 'm R ''LD 533ba b a +LD λ【例6.2】 有一钢板制矩形风道，K=0.15 mm ，断面尺寸为500×250 mm ，流量为2700 m 3/h ，空气温度为50℃，求单位长度摩擦阻力损失。

解一 矩形风管内空气流速= m/s流速当量直径= = m由 =6 m/s ， =330 mm ，查附录6.1得 =1.2 Pa/m 由图6.1查得t=50℃时， =0.92 所以 = =0.92×1.2=1.1 Pa/m 解二 流量当量直径=1.265 =1.265 m由L=2700 m 3/h ， =384 mm 查附录6.1得 =1.2 Pa/m 所以 = =0.92×1.2=1.1 Pa/m 解三 利用附录6.3，查矩形风道500×250 mm当 =6 m/s 时，L=2660m 3/h ， =1.08 Pa/m 当 =6.5m/s 时，L=2881m 3/h ， =1.27 Pa/m由内插法求得：当L=2700 m 3/h 时， =6.09m/s ， =1.12 Pa/m 则 = =1.12×0.92=1.03 Pa/m 6.1.2局部阻力风道中流动的空气，当其方向和断面的大小发生变化或通过管件设备时，由于在边界急剧改变的区域出现旋涡区和流速的重新分布而产生的阻力称为局部阻力，克服局部阻力而引起的能量损失称为局部阻力损失，简称局部损失。

局部损失按下式计算= Pa （6.17） v 625.05.0360027003600=⨯⨯=F Lv D ba ab +233.025.05.025.05.02=+⨯⨯v vD m R m R 't εmR tεL D 533ba b a +384.025.05.025.05.0533=+LD m R mR 'm R t εv v mR 't εm R v mR m R mR P∆22v ρξ式中——局部损失，Pa；——局部阻力系数。

局部阻力系数通常用实验方法确定，附录6.4中列出了部分管件的局部阻力系数。

在计算局部阻力时，一定要注意值所对应的空气流速。

在通风系统中，局部阻力所造成的能量损失占有很大的比例，甚至时主要的能量损失，为减小局部阻力，以利于节能，在设计中应尽量减小局部阻力。

通常采用以下措施：（1）布置管道时，应力求管线短直，减少弯头。

圆形风管弯头的曲率半径一般应大于（1~2）倍管径，见图6.2。

矩形风管弯头的长宽比愈大，阻力愈小，应优先采用，见图6.3。

必要时可在弯头内部设置导流叶片，见图6.4，以减小阻力。

应尽量采用转角小的弯头，用弧弯代替直角弯，如图6.5所示。

（2）避免风管断面的突然变化，管道变径时，尽量利用渐扩、渐缩代替突扩、突缩。

其中心角最好在8~10°，不超过45°，如图6.6。

（3）管道和风机的连接要尽量避免在接管处产生局部涡流，如图6.7所示。

P∆ξξ（4）三通的局部阻力大小与断面形状、两支管夹角、支管与总管的截面比有关，为减小三通的局部阻力，应尽量使支管与干管连接的夹角不超过30°，如图6.8所示。

当合流三通内直管的气流速度大于支管的气流速度时，会发生直管气流引射支管气流的作用，有时支管的局部阻力出现负值，同样直管的局部阻力也会出现负值，但不可能同时出现负值。

为避免引射时的能量损失，减小局部阻力，如图6.9，应使 ≈ ≈ ，即F 1+ F 2 =F 3，以避免出现这种现象。