第七章 空调系统的风道设计 第一节 风道内空气流动阻力； 第二节 风道内的压力分布； 第三节 风道的水力计算； 第七章 空调系统的风道设计 第一节 风道内空气流动阻力； 第二节 风道内的压力分布； 第三节 风道的水力计算； 第四节 均匀送风管道的设计计算；

第一节 风道内空气流动阻力 空气粘性及风道内流体的相对运动 内摩擦力 次要地位 空气流动阻力 空气流动惯性及风道边壁扰动 局部阻力 主要地位

一、摩擦阻力 摩擦阻力主要发生在流动边界层内。空气在风道内流动时，由于边壁上流体质点无滑动，故而从边壁开始形成一个边界层。边界层内存在较大的流速梯度，所以在流体流动时，就产生了阻碍流体流动的内摩擦力。 空气在风道中的流动阻力，通常以单位体积流体的能量损失ΔP表示。

摩擦阻力Δpm的数学表达式为: 式中:λ-摩擦阻力系数 Rs-风道水力半径，m; l-风道长度，m; v-风道内空气平均流速，m/s; ρ-空气密度，kg/m3.

(一）摩擦阻力系数λ的确定 对于层流，λ只与Re数有关；对于紊流，λ与Re数及壁面粗糙度都有关。根据实验研究结果，通常按流态、分区域给出不同的计算λ公式。

（二）风道的水力半径和矩形风道当量直径的计算 水力半径Rs：过流断面A与湿周P之比。 定义 定义式

1.流速当量直径 设定某一圆形风道中的空气流速与矩形风道中的流速相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆形风道直径就称为此矩形风道的流速当量直径。用Dv表示。

根据定义，有下式成立： 又因为λ,v及ρ均相等 根据定义： 故有：

2.流量当量直径 设定某一圆形风道中空气流量与矩形风量中流量相等，并且单位长度摩擦阻力也相等，则该圆风道直径就称为此矩形风道的流量当量直径，用DL表示。

若按水力粗糙管推导，得到： 若按水力光滑管推导，得到：

在运用当量直径时，有两点需要注意。 第一，当量直径概念用于紊流流动是合适的，用于层流则会产生较大误差。条缝行风道运用当量直径时也会产生较大误差。 第二，在利用线算图查摩擦阻力时，一定要注意对应关系。如采用Dv时，必须用矩形风道中流速去查，如采用Dl时，必须用矩形风道中流量去查。但是，无论用哪种当量直径去查，其单位长度摩擦阻力Rm都是相等的。

（三）摩擦阻力的温度修正 空气密度ρ，运动粘性系数v都与温度有关，故而摩擦阻力与温度有关。计算摩擦阻力的线算图，通常是按20℃制作的，所以对于其他温度条件，需要进行温度校正。 （四）单位长度摩擦阻力线算图 为了避免繁琐计算，常将单位长度摩擦阻力Rm制成线算图。制作该图的条件是：圆风道，空气温度20℃，按照紊流过渡区公式计算。

P219 例7-1 有一薄钢板风道断面尺寸为500mm×400mm，风量L=3600m3/h,求单位长度摩擦阻力Rm.粗糙度K=0.15mm. 解 矩形风道内空气流速为： 矩形风道的流速当量直径Dv： 由v=5m/s，Dv=0.44m,以及K=0.15mm,从图7-2查得Rm=0.9Pa/m

二、局部阻力 在风道系统中，总要安装一些管件用以控制或调节风道内空气的流动。比较典型的管件有：弯头，三通及变径管。当空气流经管件时，由于流量大小和流动方向的改变，引起了流速的重新分布并产生涡流。由此产生的阻力，称为局部阻力。

局部阻力按下式计算： 式中，ξ—局部阻力系数。 v—ξ与之对应的断面流速。 影响局部阻力系数ξ的主要因素有:管件形状，壁面粗糙度及雷诺数。由于通风空调系统的空气流动大都处于非层流区，故可认为ξ仅仅和管件形状有关。

1.弯头 空气流经弯头时，流向发生变化。由于气流惯性，则在边壁的尖角处发生边界层脱离而形成涡流，同时因离心力作用，外侧力大于内侧，外侧流速小于内侧，在外侧的减速增压区内也会发生边界层脱离形成旋涡。可见，要减小弯头的局部阻力，就必须设法减小形成旋涡的原因。为此，可采取加大曲率半径以减小曲率，也可在弯头内加设导流叶片。

2.变径管 空气流经变径管时，由于过流断面的变化而引起流速变化，在减速增压区产生边界层脱离并形成旋涡，造成局部阻力损失。过流断面变化愈大，损失也愈大，要想减小阻力损失，就必须减小过流断面的变化，可以用渐变管来代替突然扩大和突然缩小管。

3. 三通 三通形状是由总流与支流的夹角α及其面积比F1/F3，F2/F3这几个几何参数确定的。但三通的特征是它的流量前后有变化，因此，三通局部阻力系数不仅与几何形状有关，而且与流量比L1/L3，L2/L3有关。 三通有两个支管，所以有两个局部阻力系数，除特别注明对应各自的动压头外，一般都对应总压头。

弯头内空气的流动状态 渐扩管内空气的流动状态 合流三通内空气的流动

三、风道内空气流动阻力 风道内空气流动阻力，等于摩擦阻力和局部阻力总和，即： 式中的单位长度摩擦阻力可查线解图，局部阻力系数可查附录7-1。

第二节 风道内的压力分布 风道内的压力是指风道内空气所具有的全压。全压包括动压和静压两部分。即： 第二节 风道内的压力分布 风道内的压力是指风道内空气所具有的全压。全压包括动压和静压两部分。即： 式中pq,pd和pj分别为全压、动压和静压。空气在流动过程中要损失能量，所以风道内的空气总是从全压高的地方流向全压低的地方，即全压随着流动过程在变化。同时，当风道的过流断面或流量发生变化时，会引起动压和静压之间的相互转化。因此在整个风道系统中，形成了压力分布。

一、仅有摩擦阻力的风道内压力分布线的绘制： 3 1 2 2′ v v pj2′ l1-2 l2′-3 pq2′ pq2 pd pj2 pd 大气压力线

断面1： 断面2：

断面3： 断面2′：

从上图可以看出： 第一，当空气由静止变为流动状态时，只能靠降低静压转化为动压来实现。 第二，以风机为界，吸入侧的压力都为负值，压出侧的压力都为正值。 第三，两个断面的全压差即为两端面间风道的压力损失。 第四，风机压头等于风机进出口的全压差，或者说等于风道总压力，等于风道阻力及出口动压损失之和。

二、兼有摩擦阻力和局部阻力的风道内压力分布线的绘制

断面1： 断面2：

断面3： 断面4： 断面5：

断面11： 断面10： 断面9： 断面8： 断面7： 断面6：

第三节 风道的水力计算 风道的水力计算，可分为两种类型：设计类型和校核类型。设计类型是已知风道布置，风管长度及各管段风量，要求确定各段管径和选择风机。校核类型是已知各管段长度，管径及风机所能提供的压头，要求校核各段风量是否满足要求。 两种类型的计算原理都一样，都是通过压力平衡来达到分配风量的目的。

一、假定流速法 单位长度摩擦阻力Rm是管径D,风速v及风量L的函数，即： 对设计类型计算而言，风量L是作为已知条件，如再假定流速v，则D和Rm就可确定。通常就称这种方法为假定流速法。

假定流速法的设计计算步骤如下： 1.绘制系统轴测图，标注各管段长度和风量。 2.选定最不利环路，划分管段，选定流速。 3.根据给定风量和选定流速，计算管段断面尺寸a×b(或管径D），并使其符合附录7-2中所列的通风管道统一规格。再用规格化了的断面尺寸及风量，算出风道内实际流速。 4.根据风量L或实际流速v和断面当量直径D得到单位长度摩擦阻力Rm。 5.计算各段的局部阻力。 6.计算各段总阻力。 7.检查并联管路的阻力平衡情况。

P226 例7-3 有一直流空调系统（如下图所示），风道全部用镀锌钢板(K=0.15mm)制作。已知消声器阻力为50pa，空调箱阻力为290pa，试确定该系统的风道断面尺寸及所需风机压头。

解 该题属于设计类型。 1.绘制系统轴测图，如上图所示，并对各管段进行编号，标注管段长度和风量。 2.选定管段1-2-3-4-5-6为最不利环路，逐段计算摩擦阻力和局部阻力。 管段1-2:（风量L=1500m3/h，管段长l=9m） 摩擦阻力部分：初选流速为4m/s，风量为1500m3/h，算出风道断面积为：

将F′规格化为320×320mm，F=0. 102m2，这时实际流速为4. 08m/s，流速当量直径为320mm。根据流速4 将F′规格化为320×320mm，F=0.102m2，这时实际流速为4.08m/s，流速当量直径为320mm。根据流速4.08m/s和流速当量直径320mm,查图7-2,得到单位长度摩擦阻力Rm=0.7Pa/m，管段1-2的摩擦阻力为: 局部阻力部分：该段存在局部阻力的部件有孔板送风口、连接孔板的渐扩管、多叶调节阀、弯头、渐缩管及三通直通。 孔板送风口：已知孔板面积为600×600mm，净孔面积比为0.3,则孔板面风速为：

根据面风速1.16m/s和净孔面积比0.3查附录7-1序号35，得孔板局部阻力系数ζ=13. 故孔板的局部阻力为: 渐扩管:根据扩角45°，查附录7-1得ζ=0.60 多叶调节阀：根据三叶片及全开度查附录7-1得ζ=0.25 渐缩管：根据α=30°＜45°，查附录7-1得ζ=0.10

三通直通：根据三通直通断面与总流断面之比为0. 64,三通直通风量与总风量之比为0. 5，查附录7-1，得ζ=0 三通直通：根据三通直通断面与总流断面之比为0.64,三通直通风量与总风量之比为0.5，查附录7-1，得ζ=0.10，对应总流动压，总流流速为5.2m/s，则得三通直通的局部阻力为： 该段局部阻力为： 该段总阻力为：

管段2-3: 风量为3000m3/h,初选风速为5m/s，管长l=5m。 摩擦阻力部分： 根据假定流速法及管径规格化，得到断面尺寸为320×500mm，流速当量直径为390mm,实际流速为5.2m/s，查得Rm=0.8Pa/m. 局部阻力部分： 分叉三通：根据支管与总管断面之比为0.8,查附录7-1，得ζ=0.28，对应总管动压，总管流速为6.25m/s

该段局部阻力： 该段总阻力： 管段3-4: 风量为4500m3/h，初选风速为5m/s,管长l=9m。 摩擦阻力部分： 根据假定流速法及管径规格化，得到断面尺寸为400×500mm，流速当量直径为444mm，实际流速为6.25m/s,查得Rm=1.0Pa/m。

局部阻力部分： 消声器的局部阻力给定为50Pa 弯头：根据α=90°，R/b=1，a/b=0.8，查附录7-1，得ζ=0.23 调节阀：根据三叶片及全开度，查附录7-1,得ζ=0.25 软接头：因管径不变且很短，局部阻力忽略不计。

渐扩管：初选风机4-72-11No4.5A，出口断面尺寸为315×360mm，故渐扩管为315×360mm→400×500mm，长度取为360mm,渐扩管中心角为22°，大小头断面之比为1.76，查附录7-1，得ζ=0.15，对应大小流速： 渐扩管的局部阻力：

该段的局部阻力为： 该段总阻力为: 管段4-5： 空调箱及其出口渐扩管合为一个局部阻力，则： 管段5-6: 风量为4500m3/h，初选风速为5m/s，管长l=6m/s.

摩擦阻力部分： 根据假定流速法及管径规格化，得到断面尺寸为400×500mm，流速当量直径为444mm，实际流速为6.25m/s.据此，查得Rm=1.0Pa/m 局部阻力部分： 固定百叶格栅：新风入口流速选用5m/s，取有效通风面积为0.8，则固定百叶格栅面积为：

取其外形尺寸为630×500mm，其面风速为 查附录7-1，得ζ=0.9，对应面风速。则得固定百叶格栅的局部阻力为： 渐缩管：断面从630×500mm单面收缩至400×500mm，取α≤45°，查附录7-1，得ζ=0.10，对应小头流速。 弯头（两个）:由α=90°，R/b=1,a/b=0.8,查附录7-1，得ζ=0.20，由α=90°，R/b=1,a/b=1.25，查得ζ=0.20。

突然扩大：新风管入口与空调箱面积之比取为0.2，查附录7-1，得ζ=0.64，对应小头流速。 该段局部阻力为： 该段总阻力： 管段7-3: 风量为1500m3/h，初选风速为4m/s,管长l=13m. 条件与管段1-2相同，故有断面尺寸320×320mm，当量直径320mm，实际流速4.08m/s,查得Rm=0.7Pa/m

局部阻力部分： 孔板送风口：条件与管段1-2的相同，ζ=13，其局部阻力为10.5Pa。 渐扩管：取扩角为45°，ζ=0.60 调节阀： ζ=0.25 弯头： ζ=0.23 渐缩管： ζ=0.10 分流三通：条件同管段2-3， ζ=0.28，对应总管流速为6.25m/s，则其局部阻力为：

该段局部阻力为： 该段总阻力： 管段8-2： 风量为1500m3/h,初选风速为4m/s,管长为3m. 摩擦阻力部分： 条件同管段1-2,故得断面尺寸320×320mm，当量直径320mm，流速4.08m/s,Rm=0.7Pa/m

局部阻力部分： 孔板送风口：局部阻力为10.5Pa 渐扩管：ζ=0.60 调节阀: ζ=0.25 三通分支管：根据分支管与总管断面积之比为0.64，分支流量与总流流量之比为0.5，查附录7-2,得ζ=0.42，对应总管流速5.2m/s,则得三通分支局部阻力为：

该段局部阻力： 该段总阻力： 3.检查并联管路的阻力平衡 管路1-2的总阻力Δp1-2=30.2Pa 管路8-2的总阻力Δp8-2=27.2Pa

管路1-2-3的总阻力Δp1-2-3=40.8Pa 管路7-3的总阻力Δp7-3=38Pa 检查结果表明，两个并联管路的阻力平衡都满足设计要求。如果不满足要求的话，可以通过调整管径的方法使之达到平衡要求。由于管径与总阻力之间有以下的近似关系：

若以D，D′表示调整前后的管径 Δp, Δp′表示调整前后的总阻力 则有： 按照上式调整管径，直到阻力平衡达到设计要求为止。 4.计算最不利环路阻力 本系统所需风机压头应能克服453.3Pa阻力。

二、假定流速—当量长度法 将阻力公式表示成如下形式： 式中： l当-由局部阻力折合成的当量长度 - 当ζ=1时的当量长度

三、静压复得法 A B 1 2

则： 令： 则： （一）静压复得系数 在三通前后，分别取断面1和2，列能量方程式： 式中： 一般情况下，0.5<B<0.9,设计时可取B=0.75

（二）计算公式 管段A-B的总阻力为： 根据静压复得原理，应有下式成立：

（三）静压复得法的应用 由上知，静压复得系数与速度平方变化成正比。在高速风道里，因风速大，则复得静压多；在低速风道里则复得静压少。所以静压复得法适用于高速风道。 用静压复得原理设计风道时，利用复得静压来克服下一段管道的阻力，因此各分支处的静压都相等，这就为实现各支管的分流量相同的均匀送风提供了可能。所以静压复得法适用于设计均匀送风管道。

第四节 均匀送风管道的设计计算 由风道侧壁的若干个孔口或管嘴送出等量的空气，这种风道称为均匀送风管道。均匀送风管道通常有两种形式，一种是风道断面变化，各侧孔的面积相等；另一种是风道断面不变，而改变各侧孔面积的大小。 一、均匀送风管道的设计原理 空气在风管内流动时，其静压垂直作用于管壁。当空气流经侧孔时，由于孔口内外的静压差，空气将从孔口出流。其出流速度为：

孔口出流流量： 空气在风道内流速为： 式中，μ为孔口流量系数 f为孔口在气流垂直方向上的投影面积，有： 故空气从孔口出流的实际速度为： 孔口出流实际速度与风道轴线间的夹角为α， f0为孔口面积. 故有：

f0 侧孔出流状态图 vd α vj v f0 f

由上面的分析可知，为了实现均匀送风，首先要保证各侧孔出流量相等，其次要保证孔口出流方向尽量与风道壁面垂直。对于孔口面积相同的均匀送风管道，满足这两个要求的条件是各侧孔的静压差相等，各孔口的流量系数相等和尽量增大a角。

二、均匀送风管道的计算方法 计算前的准备工作：先确定侧孔个数，侧孔间距及每个孔口出流量。 计算的任务是：确定侧孔面积，送风管道断面尺寸以及管道阻力。

计算步骤如下： 1.根据房间对送风速度的要求，先拟定孔口平均速度v0.计算静压速度vj及侧孔面积。 2.按照vj/vd≥1.73的原则设定vd1,求出第一孔口前管道断面1的尺寸或直径。 3.计算管段1-2之阻力（Rml+Z)1-2,据此求第二断面处的全压pq2=pq1-(Rml+Z)1-2. 4.根据pq2求出pd2，算出第二断面处管道直径或断面尺寸。 5.依此类推。断面1处的全压即为管道的总阻力。

思考题 1.空调风管道按制作材料分为哪些种类？分别使用什么材料？ 2.空调风管道按断面的几何形状分为哪几类？各有何优缺点？ 3.空调风管的断面尺寸（直径和边长）为什么宜按国家标准规定的尺寸选用，一般不要随便使用？ 4.减小空调风管阻力的措施有哪些？试分析各自的减阻原理。 5.风管系统的阻力计算要达到哪几个目的？

6.需要具备什么条件才能进行风道系统的阻力计算？ 7.根据什么在进行阻力计算前初定系统的最不利环路？ 8.均匀送风管是一种什么样的风管道？有哪几种形式？ 9.送风管内的静压与动压对风口送风各起什么主要作用？ 10.冷管道的绝热层厚度如何确定？ 11.设防火阀的作用是什么？空调风管上是否一定要设置防火阀？

Thank you