单元 6 通风系统风道的设计计算

单元6 通风系统 风道的设计计算

【知识点】 风道中流动阻力计算方法及各项修正；流速控制法进行风道设计计算的方法与步骤；均匀风道设计计算；风道中空气压力分布规律，风道压力分布图的绘制方法；风道的定型化、风道断面形状和材料的选择要求；风道布置、系统划分的基本原则和防火防爆的技术措施；通风工程施工图的构造与要求。【学习目标】掌握风道中流动阻力计算方法及各项修正；掌握流速控制法进行风道设计计算的方法与步骤；掌握均匀风道设计计算；理解风道中空气压力分布规律，风道压力分布图的绘制方法；掌握风道的定型化、风道断面形状和材料的选择要求；掌握风道布置、系统划分的基本原则和防火防爆的技术措施；掌握通风空调工程施工图的构造与要求，能识读和绘制通风工程施工图。

通风管道是通风和空调系统的重要组成部分，设计计算目的是，在保证要求的风量分配前提下，合理确定风管布置和尺寸，使系统的初投资和运行费用综合最优。通风管道系统的设计直接影响到通风空调系统的使用效果和技术经济性能。通风管道是通风和空调系统的重要组成部分，设计计算目的是，在保证要求的风量分配前提下，合理确定风管布置和尺寸，使系统的初投资和运行费用综合最优。通风管道系统的设计直接影响到通风空调系统的使用效果和技术经济性能。

目录 6.1 风道阻力 6.2 风道的水力计算均匀送风管道设计计算 6.3 风道压力分布 6.4 风道设计中的有关问题 6.5 通风空调施工图 6.6

6.1 风道阻力 根据流体力学可知，空气在管道内流动，必然要克服阻力产生能量损失。空气在管道内流动有两种形式的阻力，即摩擦阻力和局部阻力。 6.1.1摩擦阻力由于空气本身的粘滞性和管壁的粗糙度所引起的空气与管壁间的摩擦而产生的阻力称为摩擦阻力。克服摩擦阻力而引起的能量损失称为摩擦阻力损失，简称沿程损失。空气在横断面不变的管道内流动时，沿程损失可按下式计算 · （6.1）

6.1 风道阻力 式中 ——风道的沿程损失，Pa； ——摩擦阻力系数； ——风道内空气的平均流速，m/s； ——空气的密度，kg/m3； ——风道的长度，m； ——风道的水力半径，m； = （6.2） ——管道中充满流体部分的横断面积，m2； ——湿周，在通风系统中即为风管周长，m。单位长度的摩擦阻力，也称比摩阻，为

6.1 风道阻力 · Pa/m （6.3）（1）圆形风管的沿程损失对于圆形风管 = = 式中 ——风管直径。则圆形风管的沿程损失和单位长度沿程损失分别为 · Pa （6.4） · Pa/m （6.5）

6.1 风道阻力 摩擦阻力系数与风管管壁的粗糙度和管内空气的流动状态有关，在通风和空调系统中，薄钢板风管的空气流动状态大多数属于紊流光滑区到粗糙区之间的过渡区。通常，高速风管的流动状态也处于过渡区。只有流速很高表面粗糙的砖、混凝土风管流动状态才属于粗糙区。因此，对于通风和空调系统中，空气流动状态多处于紊流过度区。在这一区域中用下式计算（6.6）式中 ——风管内壁的当量绝对粗糙度，mm； ——雷诺数。 = （6.7）式中 ——风管内流体（空气）的运动粘度，m2/s。

6.1 风道阻力 在通风管道设计中，为了简化计算，可根据公式（6.5）和式（6.6）绘制的各种形式的线算图或计算表进行计算。附录6.1为风管单位长度沿程损失线算图，附录6.2为圆形风管计算表。只要知道风量、管径、比摩阻、流速四个参数中的任意两个，即可求出其余的两个参数。附录6.1和附录6.2的编制条件式：大气压力为101.3 kPa，温度为20℃，空气密度为1.2 kg/m3，运动粘度为15.06×10-6 m2/s，管壁粗糙度k=0.15 mm，当实际使用条件与上述条件不同时，应进行修正。 ① 大气温度和大气压力的修正 Pa/m （6.8）式中 ——实际使用条件下的单位长度沿程损失，Pa/m； ——温度修正系数； ——大气压力修正系数； ——线算图或表中查出的单位长度沿程损失，Pa/m。

6.1 风道阻力 =（）0.825 （6.9） =（）0.9 （6.10）式中 ——实际的空气温度，℃； ——实际的大气压力，kPa。和也可直接由图6.1查得。

6.1 风道阻力 ② 绝对粗糙度的修正通过空调工程中常采用不同材料制成的风管，各种材料的绝对粗糙度见表6.1. (6.11) 式中 ——粗糙度修正系数。 =（）0.25 （6.12） ——管内空气流速，m/s。

6.1 风道阻力 【例6.1】已知太原市某厂已通风系统采用钢板制圆形风道，风量L=1000 m3/h，管内空气流速v=10 m/s，空气温度 t=80℃，求风管的管径和单位长度的沿程损失。解由附录6.1查得：D=200 =6.8 Pa/m，太原市大气压力：B=91.9 kPa 由图6.1查得： =0.86， =0.92 所以， = =0.86×0.92×6.8=5.38 Pa/m （2）矩形风管的沿程损失风管阻力损失的计算图表市根据圆形风管绘制的。当风管截面为矩形时，需首先把矩形风管断面尺寸折算成相当于圆形风管的当量直径，再由此求出矩形风管的单位长度摩擦阻力损失。当量直径就是与矩形风管有相同单位长度沿程损失的圆形风管直径，它分为流速当量直径和流量当量直径两种。

6.1 风道阻力 ① 流速当量直径假设某一圆形风管中的空气流速与矩形风管中的空气流速相等，且两风管的单位长度沿程损失相等，此时圆形风管的直径就称为该矩形风管的流速当量直径，以Dv表示圆形风管水力半径（6.13）矩形风管水力半径（6.14）式中 ——矩形风管的长度和宽度。

6.1 风道阻力 根据式（6.3），当流速与比摩阻均相同时，水力半径必相等则有 = = （6.15） ② 流量当量直径假设某一圆形风管中的空气流量与矩形风管中的空气流量相等，且两风管的单位长度沿程损失也相等，此时圆形风管的直径就称为该矩形风管的流量当量直径，以DL表示：圆形风管流量

6.1 风道阻力 = = · 矩形风管流量 = 令 = 则 =1.265 （6.16）

6.1 风道阻力 必须说明，利用当量直径求矩形风管的沿程损失，要注意其对应关系；当采用流速当量直径时，必须采用矩形风管内的空气流速去查沿程损失；当流量当量直径时，必须用矩形风管中的空气流量去查单位管长沿程损失。这两种方法得出的矩形风管比摩阻是相等的。为方便起见，附录6.3列出了标准尺寸的钢板矩形风管计算表。制表条件同附录6.1、附录6.2，这样即可直接查出对应矩形风管的单位管长沿程损失，但应注意表中的风量是按风道长边和短边的内边长得出的。

6.1 风道阻力 【例6.2】有一钢板制矩形风道，K=0.15 mm，断面尺寸为500×250 mm，流量为2700 m3/h，空气温度为50℃，求单位长度摩擦阻力损失。解一矩形风管内空气流速 = m/s 流速当量直径 = = m 由 =6 m/s， =330 mm，查附录6.1得 =1.2 Pa/m 由图6.1查得t=50℃时， =0.92 所以 = =0.92×1.2=1.1 Pa/m

6.1 风道阻力 解二流量当量直径 =1.265 =1.265 m 由L=2700 m3/h， =384 mm查附录6.1得 =1.2 Pa/m 所以 = =0.92×1.2=1.1 Pa/m 解三利用附录6.3，查矩形风道500×250 mm 当 =6 m/s时，L=2660m3/h， =1.08 Pa/m 当 =6.5m/s时，L=2881m3/h， =1.27 Pa/m 由内插法求得：当L=2700 m3/h时， =6.09m/s， =1.12 Pa/m 则 = =1.12×0.92=1.03 Pa/m

6.1 风道阻力 6.1.2局部阻力风道中流动的空气，当其方向和断面的大小发生变化或通过管件设备时，由于在边界急剧改变的区域出现旋涡区和流速的重新分布而产生的阻力称为局部阻力，克服局部阻力而引起的能量损失称为局部阻力损失，简称局部损失。局部损失按下式计算 = Pa （6.17）式中 ——局部损失，Pa； ——局部阻力系数。局部阻力系数通常用实验方法确定，附录6.4中列出了部分管件的局部阻力系数。在计算局部阻力时，一定要注意值所对应的空气流速。

6.1 风道阻力 在通风系统中，局部阻力所造成的能量损失占有很大的比例，甚至时主要的能量损失，为减小局部阻力，以利于节能，在设计中应尽量减小局部阻力。通常采用以下措施：（1）布置管道时，应力求管线短直，减少弯头。圆形风管弯头的曲率半径一般应大于（1~2）倍管径，见图6.2。矩形风管弯头的长宽比愈大，阻力愈小，应优先采用，见图6.3。必要时可在弯头内部设置导流叶片，见图6.4，以减小阻力。应尽量采用转角小的弯头，用弧弯代替直角弯，如图6.5所示。（2）避免风管断面的突然变化，管道变径时，尽量利用渐扩、渐缩代替突扩、突缩。其中心角最好在8~10°，不超过45°，如图6.6。（3）管道和风机的连接要尽量避免在接管处产生局部涡流，如图6.7所示。

6.1 风道阻力 （4）三通的局部阻力大小与断面形状、两支管夹角、支管与总管的截面比有关，为减小三通的局部阻力，应尽量使支管与干管连接的夹角不超过30°，如图6.8所示。当合流三通内直管的气流速度大于支管的气流速度时，会发生直管气流引射支管气流的作用，有时支管的局部阻力出现负值，同样直管的局部阻力也会出现负值，但不可能同时出现负值。为避免引射时的能量损失，减小局部阻力，如图6.9，应使 ≈ ≈ ，即F1+ F2 =F3，以避免出现这种现象。

6.1 风道阻力 （5）风管的进、出口：气流流出时将流出前的能量全部损失掉，损失值等于出口动压，因此可采用渐扩管（扩压管）来降低出口动压损失。图6.10所示，空气进入风管会产生涡流而造成局部阻力，可采取措施减少涡流，降低其局部阻力。 6.1.3总阻力摩擦阻力与局部阻力之和总阻力，克服摩擦阻力和局部阻力而引起的能量损失称为称总阻力损失。 = + （6.18）式中 ——管段总阻力损失，Pa。

6.2 风道的水力计算 6.2.1风道布置设计原则风管布置直接影响通风、空调系统的总体布置，与工艺、土建、电气、给排水、消防等专业关系密切，应相互配合、协调。（1）布置中应使风管少占建筑空间并妨碍生产操作，常沿着墙、柱、楼板屋梁或屋架敷设，安装在支架或吊架上；（2）除尘风管应尽可能垂直或倾斜敷设，倾斜时与水平面夹角最好大于45°。如必须水平敷设或倾角小于30°时，应采取措施，如加大流速、设清洁口等。（3）当输送含有蒸汽、雾滴的气体时，应有不小于0.005的坡度，并在风管的最低点和风机底部设水封泄液管，注意水封高度应满足各种运行情况的要求。

6.2 风道的水力计算 （4）有爆炸危险厂房的排风管道及排除有爆炸危险物质的风管，不应穿越防火墙，其他风管不宜穿过防火墙和不燃性楼板等防火分隔物，如必须穿过时，应在穿过处设防火阀。在防火阀两侧2m范围内的风管及保温材料，应采用不燃材料。风管穿过处的缝隙应用防火材料封堵。（5）可燃气体管道、可燃液体管道和电线、排水管道等，不得穿越风管的内腔，也不得沿风管的外壁敷设。可燃气体管道和可燃气体管道，不应穿过风机室。（6）风管内设有电加热器时，电加热器前后各800mm范围内的风管和穿过设有火源等容易起火房间的风管及保温材料均应采用不燃材料。

6.2 风道的水力计算 （7）风管上应设必需的调节和测量装置（如阀门、压力表、温度计、测定孔和采样孔等）或预留安装测量装置的接口，且应设在便于操作和观察的地点。（8）风管的布置应力求顺直，避免复杂的局部管件。弯头、三通等管件要安排得当，与风管的连接要合理，以减少阻力和噪声。（9）对于排除有害气体和含有粉尘的通风系统，其风管的排风口宜采用锥形风帽或防雨风帽

6.2 风道的水力计算 6.2.2风道水力计算方法风管水力计算的方法主要有以下三种：（1）等压损法该方法是以单位长度风道有相等的压力损失为前提条件，在已知总作用压力的情况下，将总压力值按干管长度平均分配给各部分，再根据各部分的风量确定风管断面尺寸，该法适用于风机压头已定及进行分支管路阻力平衡等场合。（2）假定流速法该方法是以技术经济要求的空气流速作为控制指标，再根据风量来确定风管的断面尺寸和压力损失，目前常用此法进行水利计算。

6.2 风道的水力计算 （3）静压复得法该方法是利用风管分支处复得的静压来克服该管段的阻力，根据这一原则确定风管的断面尺寸，此法适用于高速风道的水力计算。 6.2.3流速控制法计算方法和步骤（1）绘制系统轴测示意图，并对各管段进行编号，标注长度和风量。通常把流量和断面尺寸不变的管段划为一个计算管段。

6.2 风道的水力计算 （2）确定合理的气流速度风管内的空气流速对系统有很大的影响。流速低，阻力小，动力消耗少，运行费用低，但是风管断面尺寸大，耗材料多，建造费用大。反之，流速高，风管段面尺寸小，建造费用低，但阻力大，运行费用会增加，另外还会加剧管道与设备的磨损。因此，必须经过技术经济分析来确定合理的流速，表6.2、表6.3列出了不同情况下风管内空气流速范围。（3）由风量和流速确定最不利环路各管段风管断面尺寸，计算沿程损失、局部损失及总损失。计算时应首先从最不利环路开始，即从阻力最大的环路开始。确定风管断面尺寸时，应尽量采用通风管道的统一规格。

6.2 风道的水力计算 （4）其余并联环路的计算为保证系统能按要求的流量进行分配，并联环路的阻力必须平衡。因受到风管断面尺寸的限制，对除尘系统各并联环路间的压损差值不宜超过10%，其他通风系统不宜超过15%。若超过时可通过调整管径或采用阀门来进行调节。调整后的管径可按下式确定 = mm （6.19）式中 ——调整后的管径，mm； ——原设计的管径，mm； ——原设计的支管阻力，Pa； ——要求达到的支管阻力，Pa。

6.2 风道的水力计算 需要指出的是，再设计阶段不把阻力平衡的问题解决，而一味的依靠阀门开度的调节。对多支管的系统平衡来说是很困难的，需反复调整测试。有时甚至无法达到预期风量分配，或出现再生噪声等问题。因此，我们一方面加强风管布置方案的合理性，减少阻力平衡的工作量，另一方面要重视在设计阶段阻力平衡问题的解决。

6.2 风道的水力计算 （5）选择风机考虑到设备、风管的漏风和阻力损失计算的不精确，选择风机的风量，风压应按下式考虑 m3/h （6.20） Pa （6.21）式中 ——风机的风量，m3/h； ——系统总风量，m3/h； ——风机的风压，Pa； ——系统总阻力，Pa； ——风量附加系数，除尘系统=1.1~1.5；一般送排风系统 =1.1； ——风压附加系数，除尘系统=1.15~1.20；一般送排风系统 =1.1~1.15。

6.2 风道的水力计算 当风机在非标准状态下工作时，应按公式（6.22）、（6.23）对风机性能进行换算，再以此参数从风机样本上选择风机。（6.22）（6.23）【例 6.3】如图6.11所示的机械排风系统，全部采用钢板制作的圆形风管，输送含有有害气体的空气( =1.2 m3/kg)，气体温度味常温，圆形伞形罩的扩张角为60°，合流三通分支管夹角为30°，带扩压管的伞形风帽h/D0=0.5，当地大气压力为92 kPa，对该系统进行水力计算。

6.2 风道的水力计算 解 1．对管段进行编号，标注长度和风量，如图示。 2．确定各管段气流速度，查表6.2有：工业建筑机械通风对于干管 =6~14 m/s；对于支管 =2~8 m/s。 3．确定最不利环路，本系统①~⑤为最不利环路。 4．根据各管段风量及流速，确定各管段的管径及比摩阻，计算沿程损失，应首先计算最不利环路，然后计算其余分支环路。如管段①,根据 =1200 m3/h, =6~14 m/s 查附录6.2 可得出管径 =220 mm, =9 m/s, =4.5 Pa/m 查图6.1有 =0.91，则有 =0.91×4.5=4.1 Pa/m = =4.1×13=53.3 Pa 也可查附录6.2 确定管径后，利用内插法求出：、。同理可查出其余管段的管径、实际流速、比磨阻，计算出沿程损失，具体结果见表6-4。

6.2 风道的水力计算 5．计算各管段局部损失如管段①，查附录6.4有：圆形伞形罩扩张角60°， =0.09，90°弯头2个， =0.15×2=0.3，合流三通直管段，见图6.12。 + ≈ =30°，查得 =0.76， =0.09+0.3+0.76=1.15

6.2 风道的水力计算 其余各管段的局部阻力系数见表6.5。 = =1.15× =55.89 Pa 同理可得出其余管段的局部损失，具体结果见表6.4。 6．计算各管段的总损失，结果见表6.4。

流量管段长度管径流速比摩阻比摩阻修正系数实际比摩阻局部阻力系数沿程损失局部损失管段总损失 6.2 风道的水力计算通风管道水力计算表表6.4

6.2 风道的水力计算 7．检查并联管路阻力损失的不平衡率（1）管段⑥和管段① 不平衡率为调整管径取 =160 mm 查附录6.2 ，得 =160 mm， =12.3 m/s， =13 Pa/m = =0.91×13=11.83 Pa/m + =0.058 m2 =0.062 m2 + ≈ > mm

6.2 风道的水力计算 查附录6.4 ，合流三通分支管阻力系数为-0.21，（见表6.6）。阻力计算结果见表6.5， =109.1 Pa 不平衡率为＜满足要求。（2）管段⑦与管段①+② 不平衡率为＞若将管段⑦调至 =180 mm，不平衡率仍然超过，因此采用 =200 mm，用阀门调节。

6.2 风道的水力计算 （3）管段⑧与管段①+②+③ 不平衡率＜满足要求。 8．计算系统总阻力 =379 Pa 9．选择风机风机风量 =1.1×4900=5390 m3/h 风机风压 Pa，可根据、查风机样本选择风机，电动机。

6.3 均匀送风管道设计计算 在通风系统中，沿风管侧壁的若干孔口或短管，均匀地把等量的空气送入室内，这种送风方式称为均匀送风。均匀送风可以使房间得到均匀的空气分布，且风道制作简单，节省材料，因此应用得比较广泛，在车间、候车室、影院、冷库等场所都可以看到均匀送风管道。均匀送风管道由两种形式，一种是送风管的断面逐渐减小而孔口面积相等；另一种是送风管道断面不变而孔口面积不相等。

6.3 均匀送风管道设计计算 6.3.1均匀送风管道设计原理风管内流动的空气，具有动压和静压。空气本身的运动速度取决于平行风道轴线方向动压的大小，而作用于管壁的压力则是静压。（1）空气通过侧孔的流速若在风道侧壁开孔，由于孔口内外的静压差，空气就会沿垂直于管壁的方向孔口流出，这种单纯由风道内外静压差所造成的空气流速为 = m/s （6.24）式中 ——由静压差造成的空气流速，m/s； ——风道内空气的静压，Pa。

6.3 均匀送风管道设计计算 在动压作用下，风道内的空气流速为 = m/s （6.25）式中 ——由动压造成的空气流速，m/s； ——风道内空气的动压，Pa。因此，如图6.13所示，空气的实际流速示和的合成流速，它不仅取决于静压产生的流速和方向，还受管内流速的影响。孔口出流方向要发生偏斜。实际流速可用速度四边形表示为 = （6.26）

6.3 均匀送风管道设计计算 将式（6.24）和式（6.25）代入后可得 = m/s （6.27）式中 ——风道内的全压，Pa。空气实际流速与风道轴线的夹角称为出流角，其正切为（6.28）均匀送风管道的设计，应使出口气流方向尽量与管壁面垂直，即要求角尽量大一些。通过侧孔风量和平均速度 m3/h （6.29）

6.3 均匀送风管道设计计算 式中 ——孔口的流量系数； ——孔口面积，m2； ——孔中在气流垂直方向上的投影面积，m2。空气通过侧孔时的平均流速为 = （6.30）（2）实现均匀送风的条件由式（6.28）可看出，要使各等面积的侧孔送出的风量相等，就必须保证各侧孔的静压和流量系数均相等；要使出口气流尽量保持垂直，就要使出流角接近90°：

6.3 均匀送风管道设计计算 ① 保持各侧孔静压相等列出如图6.14所示风道断面1、2的能量方程式 + = + + （6.31）要使两侧孔静压相等，就必须使 - = （6.32）由此可见，两侧孔间静压相等的条件使两侧孔间的动压降等于两侧孔间的阻力。 ② 保持各侧孔流量系数相等流量系数与孔口形状、出流角和孔口的相对流量即孔口送风量和孔口前风道内风量之比）等因素有关，它是由实验确定的。对于锐边的孔口，在 ≥60°， =0.1~0.5范围内，为简化计算，可近似取 =0.6。

6.3 均匀送风管道设计计算 ③ 增大出流角出流角越大，出流方向越接近于垂直，均匀送风性能也越好。为此一般要求保持 ≥60°，即 ≥1.73， ≥3.0。如果需要使气流方向尽可能地垂直于风道轴线，可在孔口处加设导向叶片或把孔口改为短管。（3）侧孔送风时的局部阻力系数通常，可以把侧孔看作时支管长度为零的三通。当空气从侧孔送出时，产生两种局部阻力，即直通部分的局部阻力和侧孔局部阻力。

6.3 均匀送风管道设计计算 直通部分的局部阻力系数可用下式计算侧孔送风口的流量系数一般近似取为 =0.6～0.65，局部阻力系数取为2.37。（6.33） 6.3.2均匀送风管道设计方法均匀送风管道计算的任务是在侧孔个数、间距及每个侧孔送风量确定的基础上，计算侧孔的面积、风管断面及管道的阻力。为简化计算，假定侧孔流量系数和摩擦系数均为常数，且把两侧孔间管段的平均动压以管段首端的动压来代替。下面通过例题说明均匀送风管道计算的方法和步骤。

6.3 均匀送风管道设计计算 【例 6.4】如图6.15所示的薄钢板圆锥形侧孔均匀送风道。总送风量为7200 m3/h，开设6个等面积的侧孔，孔间距为1.5 m，试确定侧孔面积、各断面直径及风道总阻力损失。解 1．计算静压速度和侧孔面积设侧孔平均流速 =4.5 m/s，孔口流量系数 =0.6，则侧孔静压流速 = m/s 侧孔面积取侧孔的尺寸高×宽：250×300 mm m2

6.3 均匀送风管道设计计算 2．计算断面1处流速和断面尺寸由 ≥60°，即 ≥1.73的原则确定断面1处流速 = m/s 取 =4 m/s，断面1动压 = Pa 断面1直径 m

6.3 均匀送风管道设计计算 3．计算管段1～2的阻力损失由风量L=6000 m3/h，近似以 =800 mm作为平均直径，查附录6.1得 =0.14 Pa/m 沿程损失 Pa 空气流过侧孔直通部分的局部阻力系数局部损失管段1～2总损失 = + =0.21+0.096=0.306 Pa =

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