风道系统局部阻力优化节能分析

张长宏

摘 要：本文提出风道系统单位局部阻力系数耗功率的概念，旨在量化局部阻力系数对节能降耗的意义，其与风速、流量、风机的效率有关。在高流速、大流量、低风机效率的场景下，优化局部阻力部件、降低局部阻力系数对风机节能降耗意义重大，并提出分析方法。对已建成风量不足或能耗大的工程，优化局部阻力构件是可行且节能降耗改造方案之一。

关键词：风道单位局部阻力系数耗功率;局部阻力优化;节能改造

引言

风道系统的阻力包括局部阻力和沿程阻力，工程设计中，往往按流速的取值范围来选取管径和断面尺寸，查表或软件计算沿程阻力，乘以比例系数K估算局部阻力损失，文献[2]也给出了压力损失⊿P估算方法。不做详细计算，可能造成风机选型与实际管路特性曲线不匹配、能耗大、支路不平衡率增大、噪声大、未达到所需流体输配目标等不良后果。

已建成风量不足的工程改造，一般首先想到更换风机，风机造价较高，可能还有增大电力容量、更换电路和开关等等不易实现;其次更换成更大的风管。其实，局部阻力在整个系统的压力损失占比更大，优化局部阻力构件，降低局部阻力系数也是一种可行且节能降耗改造方案之一。

本文试图量化局部阻力系数对节能降耗的意义，并提出分析方法。

1.风机耗功率

风道系统消耗的电能与风量、风压以及风机效率的关系根据文献[1]推导如下式：

N=Q×P∕（3600×ηCD×ηF）                     （1-1）

式中N—风机的耗功率（W）。P—空调机组余压或通风系统风机风压（Pa）。ηCD—电机传动效率（%），一般可取0.855，如实际不同，按实际取值。ηF—风机效率（%）。

风机的风压根据计算系统压力損失上附加10%，式（1-1）可变为

N= 0.000357 Q×⊿Pm∕ηF +0.000357 Q×⊿Pj∕ηF     （1-2）

式中⊿Pm—系统沿程压力损失（Pa）⊿Pj—系统局部压力损失（Pa）

式（1-3）可以直观的看出，风机的耗功率分别克服了沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失与风道断面、内壁粗糙度和风速有关，工程改造中更换风道也很难操作，一般在整个压力损失中占比较少，下面仅探讨式（1-3）中的局部压力损失分项。

2.单位局部阻力系数功耗Nζ

流体在通过弯头、三通、四通、静压箱、风口、风阀等局部构件处发生分流、合流、流向、流速、压力等发生变化，此变化消耗能量，流体动力下降，从而形成的局部阻力。常见局部阻力的计算通常有局部阻力系数法和当量长度法，本文采取局部阻力系数法，即下式

⊿Pj=0.5ρ×∑（ν2×ζ）                  （2-1）

式中ρ—空气密度（kg/m?）ζ—局部阻力系数ν—风速（m/s）

定义Nζ= 0.00179ρ×Q×ν2∕ηF                  （2-2）

式中Nζ—风道系统单位局部阻力系数耗功率（w），指局部阻力构件的局部阻力系数每增加1该系统的风机需增加的电耗功率。其与流体密度、流量、流速、风机效率有关，其更加直观的表征优化该局部阻力部件的局部阻力系数，对耗功率能降低多少。则（1-2）可表达为

N= 0.000357 Q×⊿Pm∕ηF +∑（Nζ×ζ）     （2-3）

3.单位局部阻力系数耗功率Nζ分析表

将空调通风和防烟排烟工程中常用的风道尺寸、风速按照式（2-2）进行的列表计算，能更直观的表达，优化局部阻力系数对于节能降耗的意义。计算条件：常温常压空气ρ=1.205 kg/m?;风机ηF=0.65。风机工况点如果ηF变化，应按各自效率分别计算Nζ。

从表中可以看出：在给定空气密度、风机效率的情况下，风速越高、断面尺寸越大其Nζ值越大，其优化局部阻力节能降耗意义越大。

4.单位局部阻力系数耗功率Nζ应用举例

某消防机械加压送风的防烟金属风管系统，风量Q=57600m?/h，断面尺寸1600×500mm，风速ν=20m/s，风压不足，风机功耗偏大。该系统中有一个1600×500的直角弯头，其ζ0=1.24[2]，利用单位局部阻力系数耗功率Nζ来对系统改造进行可行性分析。

查表1此局部阻力构件Nζ0=7626 w，是一个耗功率较高的构件，拟把其改造为斜接式双弧导流叶片弯头，导流叶片的间距为54mm，r=50mm，S=60mm，则ζ1=0.25[2]，

压力损失降低⊿（⊿Pj）=0.5ρ×ν2×（ζ0-ζ1）=0.5×1.205×202×（1.24-0.25）=239Pa

此时风机的工作点改变，风机效率改变，原效率ηF0=0.65，改造后效率ηF1=0.60，此时Nζ1=7880 w，改造后风机功耗的变化：⊿N=ζ0× Nζ0-ζ1× Nζ1=1.24×7626-0.25×7880=7486w。虽然改造后风机工作点未在高效点，效率有所降低，但还是有7486w的功耗降低，仅此一项改造，原有系统即可满足要求。

5.结论

1风道系统单位局部阻力系数耗功率Nζ，可量化局部阻力系数对节能降耗的意义，其与流体密度、风速、流量、风机的效率有关。

2在高流速、大流量、低风机效率的场景下，优化局部阻力部件、降低局部阻力系数对风机的节能降耗意义重大，表1直观体现了典型通风空调常用风速、风道断面和风机效率下的节能降耗功率，方便可查用。

3对已建成风量不足或能耗大的工程中，优化局部阻力构件是可行且节能降耗改造方案之一。

参考文献：

[1] 中国建筑科学研究院. GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》.北京：中国建筑工业出版社，2015

[2] 陆耀庆.《实用供热空调设计手册》.北京：中国建筑工业出版社，2008

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