设计：制冷系统风管阻力该如何计算？

   制冷系统中的风管负责输送冷风,合理设计风管系统可以降低能耗、改善温度分布、提高制冷效果。风管阻力是影响风管设计的关键参数,直接决定了风机的选型和能耗水平。本文将介绍制冷系统风管阻力的种类、计算方法和应用案例,为暖通工程师提供实用的参考。

（示意图，不对应文中任何具体信息）

一、制冷系统风管阻力的种类

   

风管阻力主要包括摩擦阻力和局部阻力两大类。

1. 摩擦阻力:空气在风管内流动时,与管壁的摩擦作用导致的能量损失,与管道长度、断面尺寸、风速、空气密度等参数有关。

2. 局部阻力:风管系统中的弯头、三通、变径、阀门等部件,由于改变了气流的流动方向或速度,导致的额外能量损失,用局部阻力系数来表征。

除了上述两种阻力外,风管的粗糙度、形状、连接方式等因素也会影响整个系统的阻力特性。

二、风管摩擦阻力的计算方法

   

1. 1、达西-威斯巴黑公式法
       该方法适用于圆形截面风管,摩擦阻力计算公式为:
       △p=λ·(l/d)·(ρv²/2)
       式中,△p为摩擦阻力(Pa);λ为沿程阻力系数;l为管道长度(m);d为管道直径(m);ρ为空气密度(kg/m³);v为风速(m/s)。
       其中,沿程阻力系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度ε/d有关,可查莫迪图或柯尔布洛克公式计算。

3. 2、风管摩擦阻力比降法
       该方法适用于任意截面形状的风管,摩擦阻力计算公式为:
       △p=R·l
       式中,R为单位长度管道的摩擦阻力比降(Pa/m),可查相关工程手册或根据经验公式估算。

5. 3、等效直径法
       对于矩形风管,可按等效直径De计算摩擦阻力,公式为:
       De=1.3(ab)^0.625/(a b)^0.25
       式中,a、b为矩形风管的长和宽(m)。

三、局部阻力的计算方法

   

1. 1、局部阻力系数法
       局部阻力损失公式为:
       △p=ξ·(ρv²/2)
       式中,ξ为局部阻力系数,可查工程手册或根据经验取值。

3. 2、当量直管长度法
       将局部阻力等效为一段直管段的阻力,按摩擦阻力计算公式求得阻力损失:
       △p=λ·(le/d)·(ρv²/2)
       式中,le为当量直管长度(m),可查相关工程手册。

5. 3、速压比例法
       局部阻力按动压的一定比例估算,公式为:
       △p=K·(ρv²/2)
       式中,K为速压损失系数,一般取0.5~1.5之间。

四、风管阻力的应用案例

   

1. 某办公楼采用全空气系统,设计风量为25000m³/h,风管总长度为200m,等效直径为0.6m,风速为8m/s,空气密度为1.2kg/m³,沿程阻力系数为0.02,局部阻力系数之和为2.5。求风管的总阻力。
       解:摩擦阻力按达西-威斯巴黑公式计算,△pf=0.02×(200/0.6)×(1.2×8²/2)=711Pa
       局部阻力按局部阻力系数法计算,△pj=2.5×(1.2×8²/2)=120Pa
       总阻力△p=711 120=831Pa

2. 某厂房车间采用风管式热泵空调系统,送风温度16℃,回风温度26℃,风管长80m,等效直径0.8m,设计风速6m/s,风量18000m³/h。试估算风管阻力。
       解:查摩擦阻力比降图得R=0.8Pa/m
       摩擦阻力△pf=0.8×80=64Pa
       估算局部阻力△pj=64×0.3=19Pa
       风管总阻力△p=64 19=83Pa

3. 某地下车库通风系统,排风管总长120m,断面为1m×0.8m矩形,设计风速5m/s。计算风管阻力。
       解:按等效直径法De=1.3×(1×0.8)^0.625/(1 0.8)^0.25=0.895m
       则雷诺数Re=0.895×5/15×10^(-6)=298333
       查莫迪图得λ=0.015
       摩擦阻力△pf=0.015×(120/0.895)×(1.2×5²/2)=75Pa
       局部阻力按动压50%估算,△pj=0.5×(1.2×5²/2)=7.5Pa
       风管总阻力△p=75 7.5=82.5Pa

五、风管阻力计算中的创新技术

   

风管阻力的准确计算对制冷系统的节能优化至关重要,目前涌现出一些新技术和工具,为风管设计提供更智能高效的手段:

1. CFD模拟技术:通过计算流体力学软件对风管内的气流进行三维数值模拟,可精确分析阻力的分布规律,优化局部构件的设计。

2. BIM技术:利用建筑信息模型平台,对风管布局进行碰撞检测、空间协调和参数化设计,提高风管系统的施工效率和运行可靠性。

3. 智能计算程序:开发风管阻力计算的专业软件,集成各种计算公式、经验数据和工程案例,自动计算和优化风管系统的阻力平衡。

4. 节能材料与构件:采用内壁光滑的铝箔风管,可显著降低摩擦阻力;使用定压阀、调节阀等智能控制部件,可根据系统需求灵活调节局部阻力。

风管阻力计算是制冷系统设计的基础环节,需要综合考虑摩擦阻力和局部阻力,灵活选用不同的计算方法。准确估算风管阻力,有助于合理设置风管尺寸、优化系统布置、降低风机能耗。未来,风管阻力研究将进一步融合CFD、BIM、智能算法等新技术,在节能建筑、绿色制冷领域发挥更大的作用。

参考文献:

1. 王希勤.通风管道及管网[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.

2. 徐梦华.风管阻力计算方法及局部阻力系数取值[J].制冷技术,2019(5):11-15.

3. 徐伟,张海涛,王海峰.基于BIM的通风管道设计优化[J].暖通空调,2018,48(8):42-46.

4. 田海涛.基于CFD的矩形风管内气流场数值模拟[D].西安建筑科技大学,2017.

5. 王文博,张曙光.通风管道系统节能优化设计[J].暖通空调,2016,46(1):68-72.