风道系统压力分布与风机关系的探讨

杜雅兰

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

节能技术在风道系统的应用，改变了以往通风系统的低效、高耗能状态，大大节省了能源，特别是电力消耗。在风道系统设计上需要建筑专业在方案设计阶段就予以充分的考虑。设计时，首先合理化分通风系统，选择合理的气流组织形式，确定有效的风道系统设计方案，减少风道系统的阻力;其次，进行准确的风量平衡计算，选择适当的系统设备，以能设计出高效节能的风道系统。

1 风道系统

风道系统用于输送空气，是通风系统的重要组成部分。在用于排风(或送风)、排毒、排尘等不同用途时，有着不同的设计要求，但其共同点都需要把一定量的空气按设计要求的速度通过风道输送到指定地点。一般风道的形状有圆形、矩形及配合建筑空间要求而确定的其它异型管件。

由于流动的空气本身有粘滞性并与通风管壁有摩擦，因而产生摩擦阻力，克服摩擦阻力引起的能量损失称为摩擦阻力损失或摩擦压力损失;当空气流经风道中的管件及设备时，由于在边界急剧改变的区域将出现涡流区和速度的分布，从而使流动阻力大大增加，这种阻力称为局部阻力;克服局部阻力而引起的能量损失，简称为局部压力损失。

空气在风道中流动时，沿途会遇到各种阻力，必须加以克服，这就是通常所说的风道系统的阻力，也就是空气在风道中流动时的压力损失，它等于摩擦阻力和局部阻力之和。风道的阻力，是供风机选择的主要技术参数，也是影响初投资和运行成本的主要因素之一。因此，在设计不同形式的通风系统时，不仅要重点考虑空气作用于管道壁面方向的压力(静压)，还要充分考虑由于空气产生流动速度而产生的压力(动压)，尽量达到上述目的。

空气垂直作用于管道壁面的压力，以绝对真空为零点计算的静压，通常称为绝对静压，以大气压力为零点计算的静压为相对静压。在通风管道中所说的空气静压均指相对静压(pj)，静压高于大气压力的(在风机的压出管段中)为正值;低于大气压力的(在风机的吸入管段中)为负值。气体在风道内流动中，同气流运动方向成任何角度的平面，均受到静压的作用;空气产生流动速度的压力，称为动压(pd)，是空气流动时所具有的动能，其值永远是正值;静压和动压的代数和称为全压(1)(pq)，其代表气体流动时所具有的总能量。通风中全压值也以大气压为零点，因此全压可以为正值也可以为负值。

2 几种不同形式的风道系统压力分布情况

2.1 单风机的风道系统

图1表示一个单风机的风道系统，包括一个轴流风机、送风道和回风道，以及该系统风道内的压力变化，画出了动压值pd和静压值pj相对于室外大气压的变化斜率。

图1 风道内的压力变化

从图1分析可以得出:对于断面积不变的风道和弯头，全压和静压的损失是相等的。在断面不变的风道中，压力的损失完全是由于摩擦阻力所致。对于断面不变的管件和弯头，其压力损失则为摩擦阻力和局部阻力之和。从扩张段③和⑦看，动压值pd减小了，而静压可能增大，在这些管段上所表示的静压值增加就是一般所说的静压复得。在收缩段②和⑥，沿着空气的流动方向，动压值加大，而全压值和静压值都减少了，但减少值是不等的。

在出风口处⑧，全压的损失取决于出风口的形状和流动特性，从图1中所给出的的局部阻力系数可知，其值可大于1、小于1或等于1。对于局部阻力系数的这几种可能性，其全压和静压值的变化均在图1中表示出了。当局部阻力系数小于1时，要在离开出风口前，其静压值小于大气压(即为负值)。该处的静压值可按其总压值减去动压值而计算得出。

在出风口①处，压力损失取决于进风口的形状。刚离开进风口处，其全压值为气流上方即进口处的大气压力(此处设定为零)和局部阻力之差。在进风口的进口处，静压值为零，刚离开进口处其静压为负值，其代数和等于全压值(此处为负值)和动压值之差。

从图1中可以看出，不论在风道的哪个断面上，全压值总是等于静压和动压之和(动压总是正值)。

从图1可知，系统的全压损失 Δpq=pq5－pq4，系统的静压损失 pj=pj5－pj4。但对于风机来说，其全压值应为pq=pq5－pq4，其静压值应为 pj=pq－pd= pq5－pq4－pd4。当风机的进口和出口的风速相等或相近时，则整个系统的全压损失和静压损失基本相等。

2.2 双风机的风道系统

图2表示一个双风机的风道系统。一个热风采暖系统，冬天需要加热送热风，为了节约能源，除满足必要的新风量外，尽量使用回风。在过渡季节，为了加大新风量而减少直至不用回风时，回风就通过排风阀排出。

图2 双风机系统风道内的压力变化

从图2可以看出，在风道②－③处，由于回风机的加压，该处风道处于正压区，回风可以通过排风阀排出。③为零位阀，通过该阀后的风压应为零。而在风道③－④处，由于送风机的抽吸作用，处于负压区，新风和回风均可进来。

2.3 吸风风道的压力分布

图3为一个简单的吸风风道压力分布图。绘制该图时，可采用两种不同的基准。

若以大气压作为基准时，其静压称为相对静压，大于大气压力者为正，小于大气压力者为负。显然，对于吸风道来说，其全压和静压均为负值。

若以绝对真空作为基准时，其静压称为绝对静压。从压力分布图上可以看出，不论吸风风道或压送风道，都是从绝对真空线向上截取绝对静压的数值，画出绝对静压线沿风道长度的变化;然后从绝对静压线再向上截取动压的数值，就可画出绝对全压线沿风道长度的变化。可见，以绝对真空线作为画压力分布图的起点，无论对吸风风道还是压风风道，绝对静压和绝对全压只有大小之分，而没有正负之别。绝对全压和绝对静压之差等于动压。

图3 简单吸风风道的压力分布图

从图3可以看出，绝对全压值(即总阻力)向着通风机方向沿途下降，在风机吸入口处达到最大值。由工程热力学可知，大气压力与风机入口绝对静压力之差称为真空度，并用 pzk表示。显然，风机吸入口的真空度应等于吸入口的总阻力加上吸入口的动压，即

式中:pzk——真空度;

v——风道内风速;

ρ——空气的密度。

同理，吸风风道任意截面上的真空度应等于该截面上的总阻力加上该截面上的动压。利用真空度(或称为负静压)的概念进行吸风风道的计算是比较方便的。若将真空度值还原为总阻力，只需要减去相应截面上的动压即可。

3 风机和风道系统压力的关系

风机叶片将动或静的能量给予空气，这个能量表示为总压力的增加，它可转换为静压和动压。这两个值是相互影响可互换的，即可由动压变为静压。但不管任何时候，全压总是等于动压和静压之和。此处就显得静压的定义非常重要，如下式所表示:

风机的全压值 pq是风机加到空气流的能量的真实表示。风道系统的压力损失为所有部件的全压损失之和，即从风机入口侧至出口侧所有风道系统的风道和部件的全压损失之和，则风道系统的能量损失就是风道系统全压损失，也就是所需要的风机全压值。仅仅在特殊的情况下，风道的速度在风道的入口侧和出口侧各个部位处均相等时，风道的静压损失才等于全压损失。因而在进行风机选择和风道系统设计时，利用风道的全压损失则更为合适。

设计时，要特别注意，一个风道系统在风机段前后的全压差值等于风机的全压值，但其静压差值不一定等于风机的静压值。下面通过3个例子来分析说明。

(1)图4为仅有出风道的风道系统的风机压力关系图。

图4 风机压力关系图(仅有出风风道)

从图4可以看出:

风机的全压:pqf=pq2－pq1=pq2，

风机的静压:pjf=pqf－pqf=pj2

这时，对于风道系统来说，通过风机段的全压差值:

其静压差值:

(2)图5为仅有进风道的风道系统的风机压力关系图。

从图5可以看出:

风机的全压:pqf=pq2－pq1

风机的静压:pjf=pqf－pdf=pj2－pqf

图5 风机压力关系图(仅有进风道)

其静压差值:Δpj=pj2－pj1=pjf+pd1≠pjf

(3)图6为带进风道和出风道的风道系统的风机压力关系图。

从图6可以看出:

风机全压:pqf=pq2－pq1

风机静压 pjf=pqf－pdf=pj2－pq1

对于风道系统来说，通过风机段的全压差值ΔP=pq2－pq1=pqf

其静压差值 Δpj=pj2－pj1=pjf+pd1≠pjf

4 结论

图6 风机压力关系图(带进出风道)

在风道系统中运转的风机，即使在转速相同时，它所输送的风量也可能各不相同，随系统压力变化而变化;即系统中的压力损失小时，要求风机的风压就小，输送的流量就大;反之，系统的压力损失大时，要求风机的风压就大，输送的流量就小。因此，在进行通风系统设计时，根据不同的通风系统布局和管道内的压力分布情况，合理地选择风机，使风道系统的设计在保证使用效果的前提下，其初投资和运行费用降为最低。

［1］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1993.762－763.