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风道系统的阻力平衡自动计算
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内容提示：风道系统的阻力平衡直接影响着系统风量的实际分配值及技术经济指标。本文介绍的风道系统阻力平衡自动计算，不但可确保了设计的准确性，还可有效提高设计效率。
摘要：风道系统的阻力平衡直接影响着系统风量的实际分配值及技术经济指标。本文介绍的风道系统阻力平衡自动计算，不但可确保了设计的准确性，还可有效提高设计效率。
关键词：风道系统 环路阻力 平衡 自动计算
一、引言
在空调、通风系统中，由于同一系统的风管是相互连接的一个整体，因而必然遵循各支路阻力平衡规律，当风管系统的结构形式、管道尺寸一经确定，在一定的风机作用下，各段的风量是按阻力平衡规律自动分配的。在设计计算时未经阻力平衡计算，会导致系统实际风量分配与设计不符。当然我们也可以通过调节风阀来分配风量，但这样一来就又使非最不利环路的风压多余。所以在设计计算时考虑各环路的阻力平衡具有现实意义。（参考《建筑中文网》）
然而，不少设计人员在进行风道水力计算及阻力平衡过程中仅仅凭经验估算或查图手算，这样费时费力还达不到理想效果。笔者所设计的计算软件以EXCEL为工作平台，用VBA语言为开发工具，从而确保了程序的执行效率。
二、阻力自动平衡计算的基本步骤
风道系统阻力平衡自动计算的执行过程基本延用常规设计的计算步骤，主要如下：
①将各节点间的逻辑关系、管段的相关参数依次输入并保存，然后根据技术要求初步选定各管段的假定风速；
②根据假定风速自动计算管段当量水力直径及阻力损失；
③用节点逆寻法自动查找系统各环路的路径及阻力损失，并确定系统最不利环路；
④对非不利环路进行自动阻力平衡。
⑤对计算结果进行校核。
以上过程中只有工作量不大①、⑤需人工干预，而其他步骤全部由计算机自动完成。从而不但确保其计算速度及准确性，而且还可根据需要进行适当的手工调整。
三、设计要点
要实现风道系统的阻力平衡自动计算过程，主要体现在以下几个核心要点上。
3、1关键词的定义
为了便于理解本文，笔者先将文中出现的部分关键词作如下释义。
节点的编号规则。为了能根据各节点间的逻辑关系，方便地查寻风道系统的各个环路，我们给各个节点一个数字编号，并对节点编号作如下假定：按风量递减方向对节点从小到大编号，或都说对于送风系统则节点编号沿气流方向递增，对于吸风系统则反之（如图1）。
关于节点的定义。将风量L、风速V均相同的连续管段作为计算的最小单位，并称管段两侧的端点为节点，如图1中的有0~19节点。将无紧前节点的节点称为系统起始节点如图1中的0节点。将无紧后节点的节点称为系统的未端节点，如图1中的7、11、15、19节点。同时将相邻两节点中风量较大的节点称为另一节点的紧前节点，如图1中节点5为节点6的紧前节点。
图1风管节点示意图
环路与支路的定义。将从风管系统起始节点到风管末端节点的连续组成部分称为风管环路（简称环路），如图1中的0-1-2-4-5-6-7即为该风管系统的一个环路。将环路中除系统起始节点与末端节点外的任一节点到该环路末端的连续组成部分称为风管支路（简称支路），如图1中的4-5-6-7即为环路0-1-2-4-5-6-7的一个支路。
3、2系统各环路的自动排序
系统各环路的自动排序是实现阻力平衡自动计算的前提，也是本程序的关键步骤之一。其过程实际上就是按照各环路的阻力损失大小进行自动排序的过程。通过排序可以较好的解决如下两个问题：①可以根据排序结果直接选取系统的最不利环路；②确实减少各环路阻力平衡时的重复计算。
系统各环路的自动排序的具体执行步骤如下：
①自动选取末端节点；
系统参数输入时，将除系统起始点外其他节点按编号从大到小列于风道系统阻力平衡计算相关参数表的“节点列”中，并将对应的紧前节点列于“紧前节点列”中，如图2所示。在自动选取末端节点时，计算机逐一查找节点列中的节点在紧前节点列中的重复出现次数，若出现次数为0则为末端节点，为1则为普通节点，否则为分叉点。
②依次搜索每一个末端节点对应的环路路径并同步计算其阻力损失值。
根据图2中各节点的逻辑关系进行自动查寻。即先由末端节点找出其对应的紧前节点，然后再查寻该紧前节点所对应的紧前节点及管段阻力损失，重复此过程直至对应的紧前节点为系统起始节点则该环路查寻完毕，将环路所有管段的阻力损失累加即为环路阻力损失值。实际上该过程是一个循环与递归的过程，笔者称此方法为逆寻法。
③按阻力损失值从大到小对所有环路进行排列。
此时排在最前面的那条环路即为该风管系统的最不利环路。
图2风道系统阻力平衡计算相关参数表
3、3各环路的阻力平衡
阻力平衡是整个风管设计过程中最烦琐，也是最关键的一步。在本文中笔者采用按环路阻力值从大到小的顺序依次对各环路进行平衡，并对业已进过平衡的管段不再进行调整，可较好的解决平衡过程中的重复计算问题。为了便于计算，我们假设风管支路中需调整的各管段其调整前后阻力值比例保持不变，而调整前后管径与阻力值之间的关系为：
D’=D（P/P’）0.225（1）
式中，D、 D’：阻力平衡前后风管支路的管径；P、 P’：阻力平衡前后最不利环路上对应风管支路的阻力值。
阻力平衡自动计算时，将环路中已经调整的管段路径及阻力损失值除去，并对未经调整的支路按式（1）对各管段计算出经阻力平衡后的管径D’，由D’计算出对应的速度V’及管段阻力ΔP’。
3、4计算结果的校核
由于以上计算过程是在风管为任意直径圆管的假设条件下的计算结果，而实际设计时可能是圆管也可能是矩形管，而其管径也必须为标准管径。所以在校核时首先必须将风管的管径转换成相近水力直径的标准管径，并将对应的风速V、管段阻力ΔP进行相应的计算。同时，在阻力平衡时假设管段风速可以为任意值，而实际中风速有一定的限制，当风速超出其范围时必须将该管段的风速按技术要求进行调整，并对管径及管段阻力进行相应的计算，同时打印显示要求加装调阻阀门的支路及调阻阀门上的阻力值。还有要检查阻力平衡后的是否满足系统中总管段的（当量）直径总比分支管段（当量）直径大的变化规律。
经校核后的各环路要重新计算其阻力值，看其最不利环路是否发生变化，其他环路与最不利环路的阻力差值是否超过许可范围。若出现上述情况需对结果进行重新调整。
四、结论
1、利用本文提出的方法并结合计算机进行空调通风风道系统阻力的自动平衡，具有快速准确、简便等优点；
2、如何加强人机互动，是需要进一步深化的问题；
3、在自动平衡过程中能进一步结合技术经济比较，使风道设计最优化，需要进一步研究解决。
4、本文以定风量系统为模式展开，对风管系统采用变风量系统时的风管设计与阀门控制亦有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]陆耀庆，主编.实用供热空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1993
[2]冯永芳.实用通风空调风道计算法.北京：中国建筑工业出版社，1995
[3]陈在康，等.暖通计算机方法.北京：中国建筑工业出版社，1985
[4]肖光兴.用Excel进行空调通风管道阻力计算.制冷空调与电力机械.2002（4）
[5]Bill Jelen，Tracy syrstad著.王军，等译.巧学巧用EXCEL2003VBA与宏（中文版）.北京：电子工业出版社，2005
[6]范德成，刘春梅，等.网络计划法中作业间逻辑关系的自动确定问题.运筹与管理.2001（6）
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200606/8591.htm
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