通风、空调风系统能耗影响因素的分析

田张军，崔树成，韩 靖，张 帅，王 静，遆曙光，蔡永生，王 宏

(1.机械工业第六设计研究院有限公司 国机中兴工程咨询有限公司，河南 郑州 450007；2.机械工业第六设计研究院有限公司 民用与市政中心，河南 郑州 450007；3.郑州轻工业大学 建筑环境工程学院，河南 郑州 450002；4.机械工业第六设计研究院有限公司 工业与物流中心，河南 郑州 450007)

建筑全寿命周期能耗约占我国能源消费总量的46.5%[1]。在公共建筑中，暖通空调系统能耗约占建筑运行能耗的50%以上[2-4]。冷热源能耗、水系统输送能耗、末端能耗均与供暖、空调系统有关。业内学者关于冷热源、水系统输送能耗的研究较多，而对通风、空调风系统能耗的研究较少。只有在设计阶段采取合理措施来降低通风、空调风系统的能耗，才能从根源上降低风系统的能耗。本文将建立基于通风、空调风系统自身特性的风机功率计算公式，分析风机功率的各种影响因素，以期为通风、空调风系统的设计提供参考。

1 建立风机功率计算公式

通风、空调风系统中风机的功率为：

(1)

式中：N的单位为kW；K1为电动机容量的安全系数，在电动机容量p<0.5 kW、0.5 kW≤p<1 kW、1 kW≤p<2 kW、2 kW≤p<5 kW、p≥5 kW时，分别取值1.50、1.40、1.30、1.20、1.13；Q为风机输送的风量，m3/h；P为风机所产生的风压，Pa；η为风机的效率；ηm为风机的传动效率，在电动机直联、联轴器连接、三角皮带传动时，分别取值100%、98%、95%。

通风、空调风系统中风机输送的风量为：

(2)

式中：K2为计算风量附加风管和设备漏风量后的系数，一般取1.05～1.10；Qi为通风、空调风系统第i段风管的计算风量(i=1，2，…，n)，m3/h；n为风管的管段数量。

通风、空调风系统中风机产生的风压为：

(3)

式中：K3为计算通风、空调风系统总压力损失的附加系数，在风机采用定速、变速时分别取值1.10～1.15、1.00；ρ为空气密度，kg/m3；Ai为第i段风管的截面面积，m2；λi为第i段风管的摩擦阻力系数；di为第i段风管的当量直径，m；Li为第i段风管的长度，m；ξj为第j个局部阻力构件的局部阻力系数；j=1，2，…,m。

由式(1)-式(3)推导可得：

(4)

2 分析风机功率影响因素

由式(4)可知，影响风机功率的因素有风管材质、风管规格、风管管段数量及其长度、局部阻力构件的形式及数量、风管各管段计算风量、风机效率及其传动效率等。显然，在其他计算项一定时，若风管的管段数量及其长度增加，则风管沿程阻力增大，风机功率也会增大；在其他计算项一定时，若风机效率及其传动效率提高，则风机功率减小。因此，在满足其他要求的前提下，应尽量减少风管管段数量，减小风管的长度，并尽量选用风机效率和传动效率较高的风机。

2.1 风管材质

由文献[5]可知，内壁绝对粗糙度为0.000 15的钢板风管的摩擦阻力系数为：

(5)

对于风管内壁绝对粗糙度不是0.000 15的风管，摩擦阻力系数可在式(5)的基础上乘以一定风速、绝对粗糙度下的修正系数。

由绝对粗糙度的修正系数表[5]及式(4)、式(5)可知：在其他计算项一定时，若风管内壁的绝对粗糙度增大，则摩擦阻力系数增大，风管沿程阻力增大，风机功率也会增大；在其他计算项一定时，若风速增大(风量不变、风管截面积变小，或者风量增大、风管截面积不变)，则风管内壁的绝对粗糙度≤0.09时摩擦阻力系数减小，风管内壁的绝对粗糙度>1.5时摩擦阻力系数增大，但风管沿程阻力、局部阻力和风机功率均会增大。

在实际应用中，应在计算后根据规范合理选择风管材质。

2.2 风管规格

通风、空调风系统的风管分为圆形和矩形两种。圆形风管的当量直径即为风管直径，矩形风管的当量直径为：

di=2WiHi/(Wi+Hi)

(6)

式中：Wi为第i段风管的宽度，m；Hi为第i段风管的高度，m。

由式(4)-式(6)可知：在其他计算项一定时，若矩形风管截面积不变、宽度增大，则风管的当量直径减小，摩擦阻力系数增大，风管沿程阻力增大，风机功率也会增大；在其他计算项一定时，若圆形风管直径减小，则摩擦阻力系数增大，风管沿程阻力增大，风机功率也会增大。

在实际应用中，应在计算后根据规范合理确定风管规格。

2.3 局部阻力构件的形式及数量

本文将根据文献[5]，分析几种常用局部阻力构件的局部阻力系数及其对风机功率的影响。

对于圆形风管弯头来说，在弯头度数一定时，若风管直径增大，则局部阻力系数减小，风管沿程阻力、局部阻力和风机功率也均会减小；在风管直径一定时，若弯头度数减小，则局部阻力系数、局部阻力减小，风机功率也会减小。在弯头度数和风管直径一定时，局部阻力系数由小到大的顺序为：7节圆形弯管、冲压成型圆形弯管、5节圆形弯管、褶皱型圆形弯管。

对于圆形变径风管来说，在变径风管两端的截面面积(接通风系统末端的风管截面面积用A0表示，接风机的风管截面面积用A1表示)之比A0/A1<1时，A0、A1差值越大则局部阻力系数越小；在A0/A1≥1时，A0、A1差值越大则局部阻力系数越大。

对于圆形至矩形的变径风管来说，在矩形风管(接通风系统末端)截面面积和圆形风管(接风机)截面面积一定时，若矩形风管宽度增大，则风管局部阻力系数、局部阻力和风机功率均增大。

对于矩形至圆形的变径风管来说，圆形风管(接风机)截面面积和矩形风管(接通风系统末端)截面面积一定时，若矩形风管宽度增大，则风管局部阻力系数、局部阻力和风机功率均增大。

对于矩形变径风管来说，在风管两端连接管的截面面积一定时，风管局部阻力系数不变；在渐扩型风管的截面较大端与截面较小端的截面面积比值增大时，风管局部阻力系数减小；在渐缩型风管的截面较大端与截面较小端的截面面积比值增大时，风管局部阻力系数增大。

对于Y形合流三通或分流三通的矩形风管来说，在直通管两端的截面面积和分支管的截面面积不变时，局部阻力系数不变。

在实际应用中，应在计算后根据通风、空调风系统并联风管的阻力情况，合理确定各段风管的局部阻力构件。

2.4 风管各管段计算风量

由式(4)、式(5)可知，在其他计算项一定时，若风管各管段计算风量减小，则摩擦阻力系数增大，但风管沿程阻力、局部阻力均减小，风机功率也会减小；在其他计算项一定时，若风管各管段风量与风管规格同步减小(风速不变的情况下)，则摩擦阻力系数增大，但风管沿程阻力、局部阻力均减小，风机功率也会减小；在其他计算项一定时，若风管规格不变，风管各管段风量增大，则摩擦阻力系数减小，但风管沿程阻力、局部阻力均增大，风机功率也会增大。

分析可知，减小风管各管段计算风量，可有效降低风机功率。

3 工程应用

3.1 某办公楼地下汽车库排风系统

某办公楼地下为大型汽车库，其中某防火分区的层高为3.9 m、面积为3 775 m2、车位数量为120个。该防火分区设置2套机械排风系统，采用低噪声柜式离心风机。该型风机的效率为0.7。

根据JGJ 100-2015《车库建筑设计规范》规定，按3 m层高、5 次/h的换气次数计算的排风量为56 625 m3/h。若每套机械排风系统的阻力损失为420 Pa，则每台排风机的计算功率为7.9 kW。

文献[6] 优化了地下汽车库排风量的计算方法，在车位利用系数为0.9 h-1、运行时间为4 min、汽车行驶速度为10 km/h的条件下，算出的排风量为19 862 m3/h。若每套机械排风系统的阻力损失仍为420 Pa，则每台排风机的计算功率为2.9 kW。显然，优化后每台排风机计算功率比优化前降低了5.0 kW。若将机械排风系统的阻力损失降为400 Pa，则每台排风机的计算功率可降到2.8 kW，比优化前降低了5.1 kW。

3.2 某办公楼新风系统

某办公楼标准层设置了一套新风系统，采用的是吊顶式新风处理机组，所有风机的效率为0.7。按传统方法计算，该办公楼中会议室、应急值班室、电梯厅、活动室、书屋、办公室、资料室的新风量分别为360 m3/h、360 m3/h、120 m3/h、240 m3/h、240 m3/h、1 230 m3/h、270 m3/h，总新风量为2 820 m3/h，新风系统的静压为400 Pa，吊顶式新风机组的功率为0.58 kW。

鉴于房间功能，各房间存在一定的同时使用系数，除电梯厅、办公室外，其他房间的同时使用系数可设为0.5。按此算出的总新风量为2 085 m3/h。假设新风系统计算静压仍为400 Pa，则吊顶式新风机组计算功率为0.43 kW，比传统的计算值降低0.15 kW。在降低总新风量的情况下，若将新风系统计算静压降为300 Pa，则吊顶式新风机组计算功率为0.32 kW，比传统的计算值降低了0.26 kW。

4 结 语

通风、空调风系统中，影响风机功率的因素有风管材质、风管规格、风管管段数量及长度、局部阻力构件形式及数量、风管各管段计算风量、风机的效率和传动效率等。减小风管各管段计算风量，可有效降低风机功率。实际工程中，应根据规范、标准合理选择风管材质并确定风管规格，根据通风、空调风系统中并联风管的阻力情况合理确定各段风管的局部阻力构件。