通風、空調(diào)風系統(tǒng)能耗影響因素的分析

田張軍，崔樹成，韓 靖，張 帥，王 靜，遆曙光，蔡永生，王 宏

(1.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 國機中興工程咨詢有限公司，河南 鄭州 450007；2.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 民用與市政中心，河南 鄭州 450007；3.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；4.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 工業(yè)與物流中心，河南 鄭州 450007)

建筑全壽命周期能耗約占我國能源消費總量的46.5%[1]。在公共建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗約占建筑運行能耗的50%以上[2-4]。冷熱源能耗、水系統(tǒng)輸送能耗、末端能耗均與供暖、空調(diào)系統(tǒng)有關(guān)。業(yè)內(nèi)學(xué)者關(guān)于冷熱源、水系統(tǒng)輸送能耗的研究較多，而對通風、空調(diào)風系統(tǒng)能耗的研究較少。只有在設(shè)計階段采取合理措施來降低通風、空調(diào)風系統(tǒng)的能耗，才能從根源上降低風系統(tǒng)的能耗。本文將建立基于通風、空調(diào)風系統(tǒng)自身特性的風機功率計算公式，分析風機功率的各種影響因素，以期為通風、空調(diào)風系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 建立風機功率計算公式

通風、空調(diào)風系統(tǒng)中風機的功率為：

(1)

式中：N的單位為kW；K1為電動機容量的安全系數(shù)，在電動機容量p<0.5 kW、0.5 kW≤p<1 kW、1 kW≤p<2 kW、2 kW≤p<5 kW、p≥5 kW時，分別取值1.50、1.40、1.30、1.20、1.13；Q為風機輸送的風量，m3/h；P為風機所產(chǎn)生的風壓，Pa；η為風機的效率；ηm為風機的傳動效率，在電動機直聯(lián)、聯(lián)軸器連接、三角皮帶傳動時，分別取值100%、98%、95%。

通風、空調(diào)風系統(tǒng)中風機輸送的風量為：

(2)

式中：K2為計算風量附加風管和設(shè)備漏風量后的系數(shù)，一般取1.05～1.10；Qi為通風、空調(diào)風系統(tǒng)第i段風管的計算風量(i=1，2，…，n)，m3/h；n為風管的管段數(shù)量。

通風、空調(diào)風系統(tǒng)中風機產(chǎn)生的風壓為：

(3)

式中：K3為計算通風、空調(diào)風系統(tǒng)總壓力損失的附加系數(shù)，在風機采用定速、變速時分別取值1.10～1.15、1.00；ρ為空氣密度，kg/m3；Ai為第i段風管的截面面積，m2；λi為第i段風管的摩擦阻力系數(shù)；di為第i段風管的當量直徑，m；Li為第i段風管的長度，m；ξj為第j個局部阻力構(gòu)件的局部阻力系數(shù)；j=1，2，…,m。

由式(1)-式(3)推導(dǎo)可得：

(4)

2 分析風機功率影響因素

由式(4)可知，影響風機功率的因素有風管材質(zhì)、風管規(guī)格、風管管段數(shù)量及其長度、局部阻力構(gòu)件的形式及數(shù)量、風管各管段計算風量、風機效率及其傳動效率等。顯然，在其他計算項一定時，若風管的管段數(shù)量及其長度增加，則風管沿程阻力增大，風機功率也會增大；在其他計算項一定時，若風機效率及其傳動效率提高，則風機功率減小。因此，在滿足其他要求的前提下，應(yīng)盡量減少風管管段數(shù)量，減小風管的長度，并盡量選用風機效率和傳動效率較高的風機。

2.1 風管材質(zhì)

由文獻[5]可知，內(nèi)壁絕對粗糙度為0.000 15的鋼板風管的摩擦阻力系數(shù)為：

(5)

對于風管內(nèi)壁絕對粗糙度不是0.000 15的風管，摩擦阻力系數(shù)可在式(5)的基礎(chǔ)上乘以一定風速、絕對粗糙度下的修正系數(shù)。

由絕對粗糙度的修正系數(shù)表[5]及式(4)、式(5)可知：在其他計算項一定時，若風管內(nèi)壁的絕對粗糙度增大，則摩擦阻力系數(shù)增大，風管沿程阻力增大，風機功率也會增大；在其他計算項一定時，若風速增大(風量不變、風管截面積變小，或者風量增大、風管截面積不變)，則風管內(nèi)壁的絕對粗糙度≤0.09時摩擦阻力系數(shù)減小，風管內(nèi)壁的絕對粗糙度>1.5時摩擦阻力系數(shù)增大，但風管沿程阻力、局部阻力和風機功率均會增大。

在實際應(yīng)用中，應(yīng)在計算后根據(jù)規(guī)范合理選擇風管材質(zhì)。

2.2 風管規(guī)格

通風、空調(diào)風系統(tǒng)的風管分為圓形和矩形兩種。圓形風管的當量直徑即為風管直徑，矩形風管的當量直徑為：

di=2WiHi/(Wi+Hi)

(6)

式中：Wi為第i段風管的寬度，m；Hi為第i段風管的高度，m。

由式(4)-式(6)可知：在其他計算項一定時，若矩形風管截面積不變、寬度增大，則風管的當量直徑減小，摩擦阻力系數(shù)增大，風管沿程阻力增大，風機功率也會增大；在其他計算項一定時，若圓形風管直徑減小，則摩擦阻力系數(shù)增大，風管沿程阻力增大，風機功率也會增大。

在實際應(yīng)用中，應(yīng)在計算后根據(jù)規(guī)范合理確定風管規(guī)格。

2.3 局部阻力構(gòu)件的形式及數(shù)量

本文將根據(jù)文獻[5]，分析幾種常用局部阻力構(gòu)件的局部阻力系數(shù)及其對風機功率的影響。

對于圓形風管彎頭來說，在彎頭度數(shù)一定時，若風管直徑增大，則局部阻力系數(shù)減小，風管沿程阻力、局部阻力和風機功率也均會減?。辉陲L管直徑一定時，若彎頭度數(shù)減小，則局部阻力系數(shù)、局部阻力減小，風機功率也會減小。在彎頭度數(shù)和風管直徑一定時，局部阻力系數(shù)由小到大的順序為：7節(jié)圓形彎管、沖壓成型圓形彎管、5節(jié)圓形彎管、褶皺型圓形彎管。

對于圓形變徑風管來說，在變徑風管兩端的截面面積(接通風系統(tǒng)末端的風管截面面積用A0表示，接風機的風管截面面積用A1表示)之比A0/A1<1時，A0、A1差值越大則局部阻力系數(shù)越??；在A0/A1≥1時，A0、A1差值越大則局部阻力系數(shù)越大。

對于圓形至矩形的變徑風管來說，在矩形風管(接通風系統(tǒng)末端)截面面積和圓形風管(接風機)截面面積一定時，若矩形風管寬度增大，則風管局部阻力系數(shù)、局部阻力和風機功率均增大。

對于矩形至圓形的變徑風管來說，圓形風管(接風機)截面面積和矩形風管(接通風系統(tǒng)末端)截面面積一定時，若矩形風管寬度增大，則風管局部阻力系數(shù)、局部阻力和風機功率均增大。

對于矩形變徑風管來說，在風管兩端連接管的截面面積一定時，風管局部阻力系數(shù)不變；在漸擴型風管的截面較大端與截面較小端的截面面積比值增大時，風管局部阻力系數(shù)減??；在漸縮型風管的截面較大端與截面較小端的截面面積比值增大時，風管局部阻力系數(shù)增大。

對于Y形合流三通或分流三通的矩形風管來說，在直通管兩端的截面面積和分支管的截面面積不變時，局部阻力系數(shù)不變。

在實際應(yīng)用中，應(yīng)在計算后根據(jù)通風、空調(diào)風系統(tǒng)并聯(lián)風管的阻力情況，合理確定各段風管的局部阻力構(gòu)件。

2.4 風管各管段計算風量

由式(4)、式(5)可知，在其他計算項一定時，若風管各管段計算風量減小，則摩擦阻力系數(shù)增大，但風管沿程阻力、局部阻力均減小，風機功率也會減小；在其他計算項一定時，若風管各管段風量與風管規(guī)格同步減小(風速不變的情況下)，則摩擦阻力系數(shù)增大，但風管沿程阻力、局部阻力均減小，風機功率也會減??；在其他計算項一定時，若風管規(guī)格不變，風管各管段風量增大，則摩擦阻力系數(shù)減小，但風管沿程阻力、局部阻力均增大，風機功率也會增大。

分析可知，減小風管各管段計算風量，可有效降低風機功率。

3 工程應(yīng)用

3.1 某辦公樓地下汽車庫排風系統(tǒng)

某辦公樓地下為大型汽車庫，其中某防火分區(qū)的層高為3.9 m、面積為3 775 m2、車位數(shù)量為120個。該防火分區(qū)設(shè)置2套機械排風系統(tǒng)，采用低噪聲柜式離心風機。該型風機的效率為0.7。

根據(jù)JGJ 100-2015《車庫建筑設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，按3 m層高、5 次/h的換氣次數(shù)計算的排風量為56 625 m3/h。若每套機械排風系統(tǒng)的阻力損失為420 Pa，則每臺排風機的計算功率為7.9 kW。

文獻[6] 優(yōu)化了地下汽車庫排風量的計算方法，在車位利用系數(shù)為0.9 h-1、運行時間為4 min、汽車行駛速度為10 km/h的條件下，算出的排風量為19 862 m3/h。若每套機械排風系統(tǒng)的阻力損失仍為420 Pa，則每臺排風機的計算功率為2.9 kW。顯然，優(yōu)化后每臺排風機計算功率比優(yōu)化前降低了5.0 kW。若將機械排風系統(tǒng)的阻力損失降為400 Pa，則每臺排風機的計算功率可降到2.8 kW，比優(yōu)化前降低了5.1 kW。

3.2 某辦公樓新風系統(tǒng)

某辦公樓標準層設(shè)置了一套新風系統(tǒng)，采用的是吊頂式新風處理機組，所有風機的效率為0.7。按傳統(tǒng)方法計算，該辦公樓中會議室、應(yīng)急值班室、電梯廳、活動室、書屋、辦公室、資料室的新風量分別為360 m3/h、360 m3/h、120 m3/h、240 m3/h、240 m3/h、1 230 m3/h、270 m3/h，總新風量為2 820 m3/h，新風系統(tǒng)的靜壓為400 Pa，吊頂式新風機組的功率為0.58 kW。

鑒于房間功能，各房間存在一定的同時使用系數(shù)，除電梯廳、辦公室外，其他房間的同時使用系數(shù)可設(shè)為0.5。按此算出的總新風量為2 085 m3/h。假設(shè)新風系統(tǒng)計算靜壓仍為400 Pa，則吊頂式新風機組計算功率為0.43 kW，比傳統(tǒng)的計算值降低0.15 kW。在降低總新風量的情況下，若將新風系統(tǒng)計算靜壓降為300 Pa，則吊頂式新風機組計算功率為0.32 kW，比傳統(tǒng)的計算值降低了0.26 kW。

4 結(jié) 語

通風、空調(diào)風系統(tǒng)中，影響風機功率的因素有風管材質(zhì)、風管規(guī)格、風管管段數(shù)量及長度、局部阻力構(gòu)件形式及數(shù)量、風管各管段計算風量、風機的效率和傳動效率等。減小風管各管段計算風量，可有效降低風機功率。實際工程中，應(yīng)根據(jù)規(guī)范、標準合理選擇風管材質(zhì)并確定風管規(guī)格，根據(jù)通風、空調(diào)風系統(tǒng)中并聯(lián)風管的阻力情況合理確定各段風管的局部阻力構(gòu)件。