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通風、空調風系統(tǒng)能耗影響因素的分析

2022-02-25 23:57:47田張軍崔樹成遆曙光蔡永生
成組技術與生產現代化 2022年3期
關鍵詞:管段風管風量

田張軍,崔樹成,韓 靖,張 帥,王 靜,遆曙光,蔡永生,王 宏

(1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司 國機中興工程咨詢有限公司,河南 鄭州 450007;2.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司 民用與市政中心,河南 鄭州 450007;3.鄭州輕工業(yè)大學 建筑環(huán)境工程學院,河南 鄭州 450002;4.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司 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能源消費總量的46.5%[1]。在公共建筑中,暖通空調系統(tǒng)能耗約占建筑運行能耗的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、空調系統(tǒng)有關。業(yè)內學者關于冷熱源、水系統(tǒng)輸送能耗的研究較多,而對通風、空調風系統(tǒng)能耗的研究較少。只有在設計階段采取合理措施來降低通風、空調風系統(tǒng)的能耗,才能從根源上降低風系統(tǒng)的能耗。本文將建立基于通風、空調風系統(tǒng)自身特性的風機功率計算公式,分析風機功率的各種影響因素,以期為通風、空調風系統(tǒng)的設計提供參考。

1 建立風機功率計算公式

通風、空調風系統(tǒng)中風機的功率為:

(1)

式中:N的單位為kW;K1為電動機容量的安全系數,在電動機容量p<0.5 kW、0.5 kW≤p<1 kW、1 kW≤p<2 kW、2 kW≤p<5 kW、p≥5 kW時,分別取值1.50、1.40、1.30、1.20、1.13;Q為風機輸送的風量,m3/h;P為風機所產生的風壓,Pa;η為風機的效率;ηm為風機的傳動效率,在電動機直聯(lián)、聯(lián)軸器連接、三角皮帶傳動時,分別取值100%、98%、95%。

通風、空調風系統(tǒng)中風機輸送的風量為:

(2)

式中:K2為計算風量附加風管和設備漏風量后的系數,一般取1.05~1.10;Qi為通風、空調風系統(tǒng)第i段風管的計算風量(i=1,2,…,n),m3/h;n為風管的管段數量。

通風、空調風系統(tǒng)中風機產生的風壓為:

(3)

式中:K3為計算通風、空調風系統(tǒng)總壓力損失的附加系數,在風機采用定速、變速時分別取值1.10~1.15、1.00;ρ為空氣密度,kg/m3;Ai為第i段風管的截面面積,m2;λi為第i段風管的摩擦阻力系數;di為第i段風管的當量直徑,m;Li為第i段風管的長度,m;ξj為第j個局部阻力構件的局部阻力系數;j=1,2,…,m。

由式(1)-式(3)推導可得:

(4)

2 分析風機功率影響因素

由式(4)可知,影響風機功率的因素有風管材質、風管規(guī)格、風管管段數量及其長度、局部阻力構件的形式及數量、風管各管段計算風量、風機效率及其傳動效率等。顯然,在其他計算項一定時,若風管的管段數量及其長度增加,則風管沿程阻力增大,風機功率也會增大;在其他計算項一定時,若風機效率及其傳動效率提高,則風機功率減小。因此,在滿足其他要求的前提下,應盡量減少風管管段數量,減小風管的長度,并盡量選用風機效率和傳動效率較高的風機。

2.1 風管材質

由文獻[5]可知,內壁絕對粗糙度為0.000 15的鋼板風管的摩擦阻力系數為:

(5)

對于風管內壁絕對粗糙度不是0.000 15的風管,摩擦阻力系數可在式(5)的基礎上乘以一定風速、絕對粗糙度下的修正系數。

由絕對粗糙度的修正系數表[5]及式(4)、式(5)可知:在其他計算項一定時,若風管內壁的絕對粗糙度增大,則摩擦阻力系數增大,風管沿程阻力增大,風機功率也會增大;在其他計算項一定時,若風速增大(風量不變、風管截面積變小,或者風量增大、風管截面積不變),則風管內壁的絕對粗糙度≤0.09時摩擦阻力系數減小,風管內壁的絕對粗糙度>1.5時摩擦阻力系數增大,但風管沿程阻力、局部阻力和風機功率均會增大。

在實際應用中,應在計算后根據規(guī)范合理選擇風管材質。

2.2 風管規(guī)格

通風、空調風系統(tǒng)的風管分為圓形和矩形兩種。圓形風管的當量直徑即為風管直徑,矩形風管的當量直徑為:

di=2WiHi/(Wi+Hi)

(6)

式中:Wi為第i段風管的寬度,m;Hi為第i段風管的高度,m。

由式(4)-式(6)可知:在其他計算項一定時,若矩形風管截面積不變、寬度增大,則風管的當量直徑減小,摩擦阻力系數增大,風管沿程阻力增大,風機功率也會增大;在其他計算項一定時,若圓形風管直徑減小,則摩擦阻力系數增大,風管沿程阻力增大,風機功率也會增大。

在實際應用中,應在計算后根據規(guī)范合理確定風管規(guī)格。

2.3 局部阻力構件的形式及數量

本文將根據文獻[5],分析幾種常用局部阻力構件的局部阻力系數及其對風機功率的影響。

對于圓形風管彎頭來說,在彎頭度數一定時,若風管直徑增大,則局部阻力系數減小,風管沿程阻力、局部阻力和風機功率也均會減??;在風管直徑一定時,若彎頭度數減小,則局部阻力系數、局部阻力減小,風機功率也會減小。在彎頭度數和風管直徑一定時,局部阻力系數由小到大的順序為:7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。

對于圓形變徑風管來說,在變徑風管兩端的截面面積(接通風系統(tǒng)末端的風管截面面積用A0表示,接風機的風管截面面積用A1表示)之比A0/A1<1時,A0、A1差值越大則局部阻力系數越?。辉贏0/A1≥1時,A0、A1差值越大則局部阻力系數越大。

對于圓形至矩形的變徑風管來說,在矩形風管(接通風系統(tǒng)末端)截面面積和圓形風管(接風機)截面面積一定時,若矩形風管寬度增大,則風管局部阻力系數、局部阻力和風機功率均增大。

對于矩形至圓形的變徑風管來說,圓形風管(接風機)截面面積和矩形風管(接通風系統(tǒng)末端)截面面積一定時,若矩形風管寬度增大,則風管局部阻力系數、局部阻力和風機功率均增大。

對于矩形變徑風管來說,在風管兩端連接管的截面面積一定時,風管局部阻力系數不變;在漸擴型風管的截面較大端與截面較小端的截面面積比值增大時,風管局部阻力系數減小;在漸縮型風管的截面較大端與截面較小端的截面面積比值增大時,風管局部阻力系數增大。

對于Y形合流三通或分流三通的矩形風管來說,在直通管兩端的截面面積和分支管的截面面積不變時,局部阻力系數不變。

在實際應用中,應在計算后根據通風、空調風系統(tǒng)并聯(lián)風管的阻力情況,合理確定各段風管的局部阻力構件。

2.4 風管各管段計算風量

由式(4)、式(5)可知,在其他計算項一定時,若風管各管段計算風量減小,則摩擦阻力系數增大,但風管沿程阻力、局部阻力均減小,風機功率也會減??;在其他計算項一定時,若風管各管段風量與風管規(guī)格同步減小(風速不變的情況下),則摩擦阻力系數增大,但風管沿程阻力、局部阻力均減小,風機功率也會減??;在其他計算項一定時,若風管規(guī)格不變,風管各管段風量增大,則摩擦阻力系數減小,但風管沿程阻力、局部阻力均增大,風機功率也會增大。

分析可知,減小風管各管段計算風量,可有效降低風機功率。

3 工程應用

3.1 某辦公樓地下汽車庫排風系統(tǒng)

某辦公樓地下為大型汽車庫,其中某防火分區(qū)的層高為3.9 m、面積為3 775 m2、車位數量為120個。該防火分區(qū)設置2套機械排風系統(tǒng),采用低噪聲柜式離心風機。該型風機的效率為0.7。

根據JGJ 100-2015《車庫建筑設計規(guī)范》規(guī)定,按3 m層高、5 次/h的換氣次數計算的排風量為56 625 m3/h。若每套機械排風系統(tǒng)的阻力損失為420 Pa,則每臺排風機的計算功率為7.9 kW。

文獻[6] 優(yōu)化了地下汽車庫排風量的計算方法,在車位利用系數為0.9 h-1、運行時間為4 min、汽車行駛速度為10 km/h的條件下,算出的排風量為19 862 m3/h。若每套機械排風系統(tǒng)的阻力損失仍為420 Pa,則每臺排風機的計算功率為2.9 kW。顯然,優(yōu)化后每臺排風機計算功率比優(yōu)化前降低了5.0 kW。若將機械排風系統(tǒng)的阻力損失降為400 Pa,則每臺排風機的計算功率可降到2.8 kW,比優(yōu)化前降低了5.1 kW。

3.2 某辦公樓新風系統(tǒng)

某辦公樓標準層設置了一套新風系統(tǒng),采用的是吊頂式新風處理機組,所有風機的效率為0.7。按傳統(tǒng)方法計算,該辦公樓中會議室、應急值班室、電梯廳、活動室、書屋、辦公室、資料室的新風量分別為360 m3/h、360 m3/h、120 m3/h、240 m3/h、240 m3/h、1 230 m3/h、270 m3/h,總新風量為2 820 m3/h,新風系統(tǒng)的靜壓為400 Pa,吊頂式新風機組的功率為0.58 kW。

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

4 結 語

通風、空調風系統(tǒng)中,影響風機功率的因素有風管材質、風管規(guī)格、風管管段數量及長度、局部阻力構件形式及數量、風管各管段計算風量、風機的效率和傳動效率等。減小風管各管段計算風量,可有效降低風機功率。實際工程中,應根據規(guī)范、標準合理選擇風管材質并確定風管規(guī)格,根據通風、空調風系統(tǒng)中并聯(lián)風管的阻力情況合理確定各段風管的局部阻力構件。

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