風管系統(tǒng)是空調(diào)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(diào)節(jié)后的空氣按設(shè)計流量盡可能高效率的傳送到末端設(shè)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(tǒng)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(jīng)濟性還是其他工程參數(shù)，圓形風管都遠好于矩形風管。

　　現(xiàn)在市場上大量應用的纖維織物風管是集風口、送風管道、靜壓箱、保溫材料、風閥等功能為一體的氣流分布系統(tǒng)，其送風精準均勻、質(zhì)量輕安裝塊、美觀度高、抗菌防霉等優(yōu)勢得到用戶的認可并大范圍使用。纖維織物風管的形狀有圓形、半圓形、1/4圓形、橢圓形、半橢圓形來適應不同建筑結(jié)構(gòu)的需求。

　　圓形纖維織物風管

　　表一：圓形風管逐年所占的市場分額：

　　國家

　　地區(qū)19601965197019751980198519902000

　　北歐515406070808590

　　德國55101520252550

　　法國510203040505065

　　英國510152025353555

　　從經(jīng)濟分析的角度來講，一棟建筑物內(nèi)的風管系統(tǒng)在其整個使用壽命中所有的費用可分為：

　　1、初投資：包括設(shè)計費用，材料及安裝費用，空間費用，調(diào)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。

　　國外的研究結(jié)果表明，在諸多參數(shù)圓形風管系統(tǒng)比矩形風管系統(tǒng)表現(xiàn)更為優(yōu)異，本文將對這些研究結(jié)果進行總結(jié)，并企圖將比較的重點放在對風管系統(tǒng)的經(jīng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(gòu)造比矩形風管的安裝簡單，《通風與空調(diào)工程施工及驗收規(guī)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(tǒng)平衡時，調(diào)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(nèi)，因此可以減少消聲設(shè)備。

　　Scandiaconsult為一個大房間的通風系統(tǒng)分別用圓形風管和矩形風管做了兩個設(shè)計方案，并比較系統(tǒng)的壓力損頭及相關(guān)的經(jīng)濟參數(shù)，見圖1(注意：經(jīng)濟分析以當年的北歐市場價格為基準進行)。計算結(jié)果表明，在相同的末端設(shè)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%。

　　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風管設(shè)計方案比較(A)圓形風管(B)矩形風管

　　對風管系統(tǒng)的所占空間進行經(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(jié)構(gòu)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(jié)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(lián)結(jié)，而法蘭邊的高度通常大于20mm，見圖2(A)。而現(xiàn)代螺旋風管可以來用標準話的柔性聯(lián)結(jié)，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(yōu)點是無法替代的。

　　(A)(B)

　　圖2：Scandiaconsult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的一項調(diào)查結(jié)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(diào)系統(tǒng)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(shè)備所消耗的能源。如果整個風管系統(tǒng)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(tǒng)，風機是循環(huán)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(shè)備的壓力損失，整個風管系統(tǒng)可利用的壓頭大約為200—300Pa。因此，風管系統(tǒng)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(jù)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：

　　fref= 面積漏風率

　　qvl= 漏風量

　　A= 風管表面積

　　K= 漏風常數(shù)

　　△pref= 風管與外界的壓差

　　在歐洲，根據(jù)漏風常數(shù)，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(shù)。

　　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(tǒng)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(jié)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示矩形風管的漏風率平均比圓形風管高7倍。《通風與空調(diào)工程師施工及驗收規(guī)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(shù)據(jù)(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(tǒng)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?nèi)匀挥兄�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=1m3/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(shè)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(jié)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(tài)

　　· 管道橫截面遠離圓形，即有著較大長寬比的矩形。

　　實驗數(shù)據(jù)也對水力當量直徑的普遍性表示了懷疑。JONES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(shù)據(jù)進行了重新分析，見圖6.盡管缺乏10<長寬比<25的數(shù)據(jù)。圖6數(shù)據(jù)仍然強烈暗示了長寬比對水力當量直徑壓力損失的單調(diào)上升影響。Griggsetal在使用粗糙矩形風管做的實驗也有類似的結(jié)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(tài)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(jié)論

　　風管系統(tǒng)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，一個風管系統(tǒng)的壽命很有可能會超過十年，在這種情況下，一點很小的設(shè)計和質(zhì)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(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，風管系統(tǒng)的某些有關(guān)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。