田張軍，崔樹(shù)成，韓 靖，張 帥，王 靜，遆曙光，蔡永生，王 宏

(1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 國(guó)機(jī)中興工程咨詢(xún)有限公司，河南 鄭州 450007；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)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(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)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(guó)能源消費(fèi)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(yùn)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(duì)通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)能耗的研究較少。只有在設(shè)計(jì)階段采取合理措施來(lái)降低通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的能耗，才能從根源上降低風(fēng)系統(tǒng)的能耗。本文將建立基于通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)自身特性的風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式，分析風(fēng)機(jī)功率的各種影響因素，以期為通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 建立風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式

通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的功率為：

(1)

式中：N的單位為kW；K1為電動(dòng)機(jī)容量的安全系數(shù)，在電動(dòng)機(jī)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(shí)，分別取值1.50、1.40、1.30、1.20、1.13；Q為風(fēng)機(jī)輸送的風(fēng)量，m3/h；P為風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)壓，Pa；η為風(fēng)機(jī)的效率；ηm為風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)效率，在電動(dòng)機(jī)直聯(lián)、聯(lián)軸器連接、三角皮帶傳動(dòng)時(shí)，分別取值100%、98%、95%。

通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)輸送的風(fēng)量為：

(2)

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

通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓為：

(3)

式中：K3為計(jì)算通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)總壓力損失的附加系數(shù)，在風(fēng)機(jī)采用定速、變速時(shí)分別取值1.10～1.15、1.00；ρ為空氣密度，kg/m3；Ai為第i段風(fēng)管的截面面積，m2；λi為第i段風(fēng)管的摩擦阻力系數(shù)；di為第i段風(fēng)管的當(dāng)量直徑，m；Li為第i段風(fēng)管的長(zhǎng)度，m；ξj為第j個(gè)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(fēng)機(jī)功率影響因素

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

2.1 風(fēng)管材質(zhì)

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

(5)

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

由絕對(duì)粗糙度的修正系數(shù)表[5]及式(4)、式(5)可知：在其他計(jì)算項(xiàng)一定時(shí)，若風(fēng)管內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度增大，則摩擦阻力系數(shù)增大，風(fēng)管沿程阻力增大，風(fēng)機(jī)功率也會(huì)增大；在其他計(jì)算項(xiàng)一定時(shí)，若風(fēng)速增大(風(fēng)量不變、風(fēng)管截面積變小，或者風(fēng)量增大、風(fēng)管截面積不變)，則風(fēng)管內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度≤0.09時(shí)摩擦阻力系數(shù)減小，風(fēng)管內(nèi)壁的絕對(duì)粗糙度>1.5時(shí)摩擦阻力系數(shù)增大，但風(fēng)管沿程阻力、局部阻力和風(fēng)機(jī)功率均會(huì)增大。

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

2.2 風(fēng)管規(guī)格

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

di=2WiHi/(Wi+Hi)

(6)

式中：Wi為第i段風(fēng)管的寬度，m；Hi為第i段風(fēng)管的高度，m。

由式(4)-式(6)可知：在其他計(jì)算項(xiàng)一定時(shí)，若矩形風(fēng)管截面積不變、寬度增大，則風(fēng)管的當(dāng)量直徑減小，摩擦阻力系數(shù)增大，風(fēng)管沿程阻力增大，風(fēng)機(jī)功率也會(huì)增大；在其他計(jì)算項(xiàng)一定時(shí)，若圓形風(fēng)管直徑減小，則摩擦阻力系數(shù)增大，風(fēng)管沿程阻力增大，風(fēng)機(jī)功率也會(huì)增大。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在計(jì)算后根據(jù)規(guī)范合理確定風(fēng)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(xiàn)[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(duì)風(fēng)機(jī)功率的影響。

對(duì)于圓形風(fēng)管彎頭來(lái)說(shuō)，在彎頭度數(shù)一定時(shí)，若風(fēng)管直徑增大，則局部阻力系數(shù)減小，風(fēng)管沿程阻力、局部阻力和風(fēng)機(jī)功率也均會(huì)減?。辉陲L(fēng)管直徑一定時(shí)，若彎頭度數(shù)減小，則局部阻力系數(shù)、局部阻力減小，風(fēng)機(jī)功率也會(huì)減小。在彎頭度數(shù)和風(fēng)管直徑一定時(shí)，局部阻力系數(shù)由小到大的順序?yàn)椋?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(duì)于圓形變徑風(fēng)管來(lái)說(shuō)，在變徑風(fēng)管兩端的截面面積(接通風(fēng)系統(tǒng)末端的風(fēng)管截面面積用A0表示，接風(fēng)機(jī)的風(fēng)管截面面積用A1表示)之比A0/A1<1時(shí)，A0、A1差值越大則局部阻力系數(shù)越小；在A0/A1≥1時(shí)，A0、A1差值越大則局部阻力系數(shù)越大。

對(duì)于圓形至矩形的變徑風(fēng)管來(lái)說(shuō)，在矩形風(fēng)管(接通風(fēng)系統(tǒng)末端)截面面積和圓形風(fēng)管(接風(fēng)機(jī))截面面積一定時(shí)，若矩形風(fēng)管寬度增大，則風(fēng)管局部阻力系數(shù)、局部阻力和風(fēng)機(jī)功率均增大。

對(duì)于矩形至圓形的變徑風(fēng)管來(lái)說(shuō)，圓形風(fēng)管(接風(fēng)機(jī))截面面積和矩形風(fēng)管(接通風(fēng)系統(tǒng)末端)截面面積一定時(shí)，若矩形風(fēng)管寬度增大，則風(fēng)管局部阻力系數(shù)、局部阻力和風(fēng)機(jī)功率均增大。

對(duì)于矩形變徑風(fēng)管來(lái)說(shuō)，在風(fēng)管兩端連接管的截面面積一定時(shí)，風(fēng)管局部阻力系數(shù)不變；在漸擴(kuò)型風(fēng)管的截面較大端與截面較小端的截面面積比值增大時(shí)，風(fēng)管局部阻力系數(shù)減?。辉跐u縮型風(fēng)管的截面較大端與截面較小端的截面面積比值增大時(shí)，風(fēng)管局部阻力系數(shù)增大。

對(duì)于Y形合流三通或分流三通的矩形風(fēng)管來(lái)說(shuō)，在直通管兩端的截面面積和分支管的截面面積不變時(shí)，局部阻力系數(shù)不變。

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

2.4 風(fēng)管各管段計(jì)算風(fēng)量

由式(4)、式(5)可知，在其他計(jì)算項(xiàng)一定時(shí)，若風(fēng)管各管段計(jì)算風(fēng)量減小，則摩擦阻力系數(shù)增大，但風(fēng)管沿程阻力、局部阻力均減小，風(fēng)機(jī)功率也會(huì)減小；在其他計(jì)算項(xiàng)一定時(shí)，若風(fēng)管各管段風(fēng)量與風(fēng)管規(guī)格同步減小(風(fēng)速不變的情況下)，則摩擦阻力系數(shù)增大，但風(fēng)管沿程阻力、局部阻力均減小，風(fēng)機(jī)功率也會(huì)減??；在其他計(jì)算項(xiàng)一定時(shí)，若風(fēng)管規(guī)格不變，風(fēng)管各管段風(fēng)量增大，則摩擦阻力系數(shù)減小，但風(fēng)管沿程阻力、局部阻力均增大，風(fēng)機(jī)功率也會(huì)增大。

分析可知，減小風(fēng)管各管段計(jì)算風(fēng)量，可有效降低風(fēng)機(jī)功率。

3 工程應(yīng)用

3.1 某辦公樓地下汽車(chē)庫(kù)排風(fēng)系統(tǒng)

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

根據(jù)JGJ 100-2015《車(chē)庫(kù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，按3 m層高、5 次/h的換氣次數(shù)計(jì)算的排風(fēng)量為56 625 m3/h。若每套機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)的阻力損失為420 Pa，則每臺(tái)排風(fēng)機(jī)的計(jì)算功率為7.9 kW。

文獻(xiàn)[6] 優(yōu)化了地下汽車(chē)庫(kù)排風(fēng)量的計(jì)算方法，在車(chē)位利用系數(shù)為0.9 h-1、運(yùn)行時(shí)間為4 min、汽車(chē)行駛速度為10 km/h的條件下，算出的排風(fēng)量為19 862 m3/h。若每套機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)的阻力損失仍為420 Pa，則每臺(tái)排風(fēng)機(jī)的計(jì)算功率為2.9 kW。顯然，優(yōu)化后每臺(tái)排風(fēng)機(jī)計(jì)算功率比優(yōu)化前降低了5.0 kW。若將機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)的阻力損失降為400 Pa，則每臺(tái)排風(fēng)機(jī)的計(jì)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(fēng)系統(tǒng)

某辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置了一套新風(fēng)系統(tǒng)，采用的是吊頂式新風(fēng)處理機(jī)組，所有風(fēng)機(jī)的效率為0.7。按傳統(tǒng)方法計(jì)算，該辦公樓中會(huì)議室、應(yīng)急值班室、電梯廳、活動(dòng)室、書(shū)屋、辦公室、資料室的新風(fēng)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(fēng)量為2 820 m3/h，新風(fēng)系統(tǒng)的靜壓為400 Pa，吊頂式新風(fēng)機(jī)組的功率為0.58 kW。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中，影響風(fēng)機(jī)功率的因素有風(fēng)管材質(zhì)、風(fēng)管規(guī)格、風(fēng)管管段數(shù)量及長(zhǎng)度、局部阻力構(gòu)件形式及數(shù)量、風(fēng)管各管段計(jì)算風(fēng)量、風(fēng)機(jī)的效率和傳動(dòng)效率等。減小風(fēng)管各管段計(jì)算風(fēng)量，可有效降低風(fēng)機(jī)功率。實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)合理選擇風(fēng)管材質(zhì)并確定風(fēng)管規(guī)格，根據(jù)通風(fēng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中并聯(lián)風(fēng)管的阻力情況合理確定各段風(fēng)管的局部阻力構(gòu)件。