風道系統(tǒng)局部阻力優(yōu)化節(jié)能分析

張長宏

摘 要：本文提出風道系統(tǒng)單位局部阻力系數(shù)耗功率的概念，旨在量化局部阻力系數(shù)對節(jié)能降耗的意義，其與風速、流量、風機的效率有關。在高流速、大流量、低風機效率的場景下，優(yōu)化局部阻力部件、降低局部阻力系數(shù)對風機節(jié)能降耗意義重大，并提出分析方法。對已建成風量不足或能耗大的工程，優(yōu)化局部阻力構件是可行且節(jié)能降耗改造方案之一。

關鍵詞：風道單位局部阻力系數(shù)耗功率;局部阻力優(yōu)化;節(jié)能改造

引言

風道系統(tǒng)的阻力包括局部阻力和沿程阻力，工程設計中，往往按流速的取值范圍來選取管徑和斷面尺寸，查表或軟件計算沿程阻力，乘以比例系數(shù)K估算局部阻力損失，文獻[2]也給出了壓力損失⊿P估算方法。不做詳細計算，可能造成風機選型與實際管路特性曲線不匹配、能耗大、支路不平衡率增大、噪聲大、未達到所需流體輸配目標等不良后果。

已建成風量不足的工程改造，一般首先想到更換風機，風機造價較高，可能還有增大電力容量、更換電路和開關等等不易實現(xiàn);其次更換成更大的風管。其實，局部阻力在整個系統(tǒng)的壓力損失占比更大，優(yōu)化局部阻力構件，降低局部阻力系數(shù)也是一種可行且節(jié)能降耗改造方案之一。

本文試圖量化局部阻力系數(shù)對節(jié)能降耗的意義，并提出分析方法。

1.風機耗功率

風道系統(tǒng)消耗的電能與風量、風壓以及風機效率的關系根據(jù)文獻[1]推導如下式：

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

式中N—風機的耗功率（W）。P—空調(diào)機組余壓或通風系統(tǒng)風機風壓（Pa）。ηCD—電機傳動效率（%），一般可取0.855，如實際不同，按實際取值。ηF—風機效率（%）。

風機的風壓根據(jù)計算系統(tǒng)壓力損失上附加10%，式（1-1）可變?yōu)?/p>

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

式中⊿Pm—系統(tǒng)沿程壓力損失（Pa）⊿Pj—系統(tǒng)局部壓力損失（Pa）

式（1-3）可以直觀的看出，風機的耗功率分別克服了沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失與風道斷面、內(nèi)壁粗糙度和風速有關，工程改造中更換風道也很難操作，一般在整個壓力損失中占比較少，下面僅探討式（1-3）中的局部壓力損失分項。

2.單位局部阻力系數(shù)功耗Nζ

流體在通過彎頭、三通、四通、靜壓箱、風口、風閥等局部構件處發(fā)生分流、合流、流向、流速、壓力等發(fā)生變化，此變化消耗能量，流體動力下降，從而形成的局部阻力。常見局部阻力的計算通常有局部阻力系數(shù)法和當量長度法，本文采取局部阻力系數(shù)法，即下式

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

式中ρ—空氣密度（kg/m?）ζ—局部阻力系數(shù)ν—風速（m/s）

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

式中Nζ—風道系統(tǒng)單位局部阻力系數(shù)耗功率（w），指局部阻力構件的局部阻力系數(shù)每增加1該系統(tǒng)的風機需增加的電耗功率。其與流體密度、流量、流速、風機效率有關，其更加直觀的表征優(yōu)化該局部阻力部件的局部阻力系數(shù)，對耗功率能降低多少。則（1-2）可表達為

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

3.單位局部阻力系數(shù)耗功率Nζ分析表

將空調(diào)通風和防煙排煙工程中常用的風道尺寸、風速按照式（2-2）進行的列表計算，能更直觀的表達，優(yōu)化局部阻力系數(shù)對于節(jié)能降耗的意義。計算條件：常溫常壓空氣ρ=1.205 kg/m?;風機ηF=0.65。風機工況點如果ηF變化，應按各自效率分別計算Nζ。

從表中可以看出：在給定空氣密度、風機效率的情況下，風速越高、斷面尺寸越大其Nζ值越大，其優(yōu)化局部阻力節(jié)能降耗意義越大。

4.單位局部阻力系數(shù)耗功率Nζ應用舉例

某消防機械加壓送風的防煙金屬風管系統(tǒng)，風量Q=57600m?/h，斷面尺寸1600×500mm，風速ν=20m/s，風壓不足，風機功耗偏大。該系統(tǒng)中有一個1600×500的直角彎頭，其ζ0=1.24[2]，利用單位局部阻力系數(shù)耗功率Nζ來對系統(tǒng)改造進行可行性分析。

查表1此局部阻力構件Nζ0=7626 w，是一個耗功率較高的構件，擬把其改造為斜接式雙弧導流葉片彎頭，導流葉片的間距為54mm，r=50mm，S=60mm，則ζ1=0.25[2]，

壓力損失降低⊿（⊿Pj）=0.5ρ×ν2×（ζ0-ζ1）=0.5×1.205×202×（1.24-0.25）=239Pa

此時風機的工作點改變，風機效率改變，原效率ηF0=0.65，改造后效率ηF1=0.60，此時Nζ1=7880 w，改造后風機功耗的變化：⊿N=ζ0× Nζ0-ζ1× Nζ1=1.24×7626-0.25×7880=7486w。雖然改造后風機工作點未在高效點，效率有所降低，但還是有7486w的功耗降低，僅此一項改造，原有系統(tǒng)即可滿足要求。

5.結(jié)論

1風道系統(tǒng)單位局部阻力系數(shù)耗功率Nζ，可量化局部阻力系數(shù)對節(jié)能降耗的意義，其與流體密度、風速、流量、風機的效率有關。

2在高流速、大流量、低風機效率的場景下，優(yōu)化局部阻力部件、降低局部阻力系數(shù)對風機的節(jié)能降耗意義重大，表1直觀體現(xiàn)了典型通風空調(diào)常用風速、風道斷面和風機效率下的節(jié)能降耗功率，方便可查用。

3對已建成風量不足或能耗大的工程中，優(yōu)化局部阻力構件是可行且節(jié)能降耗改造方案之一。

參考文獻：

[1] 中國建筑科學研究院. GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015

[2] 陸耀慶.《實用供熱空調(diào)設計手冊》.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

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