Ventilationskanalsdesign

Metod för beräkning av ventilationskanal

Denna kalkylator för ventilationskanalsdesign beräknar luftflödesrelaterade kanalparametrar för enskilda delar av ett ventilationssystem: den bestämmer erforderlig kanaltvärsnittsarea utifrån luftflödet, väljer storlek på rund eller rektangulär kanal, beräknar den faktiska lufthastigheten och uppskattar tryckfallet. Friktionsförluster och valda lokala tryckförluster beräknas separat för varje del och summeras därefter till det totala tryckfallet.

Beräkningen kan användas för preliminär dimensionering av ventilationskanaler och för att jämföra olika ventilationslösningar utifrån lufthastighet och strömningsmotstånd.

Riktvärden och rekommendationer

Dimensionerande lufthastighet och erforderligt tvärsnitt

Dimensionerande lufthastighet bestämmer den initialt erforderliga kanalarean. Kalkylatorn använder fasta värden: naturlig ventilation — 1.5 m/s, mekanisk ventilation i bostäder — 3 m/s, kontor — 4.5 m/s och industrilokaler — 9 m/s.

Erforderlig tvärsnittsarea beräknas från luftflödet Q i m³/h och den dimensionerande hastigheten v_design i m/s. Luftflödet omvandlas först från m³/h till m³/s genom division med 3600.

A = (Q / 3600) / vdesign

Den erhållna arean A i m² är det minsta beräknade tvärsnitt som används för att bestämma erforderlig kanalstorlek.

Dimensionering av runda och rektangulära kanaler

Rund kanal dimensioneras utifrån en cirkels area. Erforderlig invändig diameter d bestäms i millimeter.

d = 1000 · sqrt(4A / π)

Kalkylatorn väljer därefter den första diametern i storleksserien som inte är mindre än det beräknade värdet: 63, 80, 100, 125, 150, 160, 200, 250, 300, 315, 355, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800, 900, 1000, 1120 eller 1250 mm.

Rektangulär kanal dimensioneras med antingen höjden h eller bredden b angiven av användaren. Den andra sidan beräknas från den erforderliga arean.

b = A · 106 / h

h = A · 106 / b

Den beräknade sidan avrundas uppåt till det första lämpliga värdet i serien 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800 eller 2000 mm. Den sida som användaren har angett ändras inte vid automatisk dimensionering.

Vald kanalstorlek används i alla efterföljande beräkningar. Om användaren manuellt ändrar den valda diametern eller sidorna på en rektangulär kanal beräknas lufthastighet och tryckförluster på nytt med de angivna måtten.

Faktisk lufthastighet och hydraulisk diameter

Faktisk lufthastighet beräknas från det valda kanaltvärsnittet och inte från den teoretiskt erforderliga arean. Därför skiljer sig den faktiska hastigheten efter avrundning av kanalstorleken vanligtvis från den ursprungliga dimensionerande hastigheten.

v = (Q / 3600) / Aactual

Här är A_actual den faktiska tvärsnittsarean för den valda kanalen i m².

Hydraulisk diameter för en rund kanal är lika med kanalens diameter. För en rektangulär kanal med sidorna a och b beräknas den enligt:

dh = 2ab / (a + b)

Värdena a, b och d_h måste anges i samma enheter. Vid beräkning av tryckförluster omvandlas den hydrauliska diametern från millimeter till meter.

Råhet hos kanalmaterialet

Absolut råhet ε påverkar friktionsfaktorn. Kalkylatorn använder följande värden i millimeter:

• galvaniserat stål — 0.09 mm;
• rostfritt stål — 0.015 mm;
• aluminium — 0.05 mm;
• PVC-, PP- eller PE-plast — 0.0015 mm;
• FRP eller GRP — 0.005 mm;
• puts — 0.3 mm;
• slät betong — 0.6 mm;
• vanlig betong — 1.0 mm;
• tegelmurverk — 3.0 mm.

Beräkningen använder den relativa råheten ε / dh. Därför kan samma kanalmaterial påverka kanaler av olika storlek på olika sätt.

Strömningsregim och friktionsfaktor

Luftens egenskaper antas vara konstanta: densitet ρ = 1.2041 kg/m³ och kinematisk viskositet ν = 0.000015 m²/s.

Reynolds tal beräknas från den faktiska lufthastigheten och den hydrauliska diametern.

Re = v · (dh / 1000) / ν

Darcy-friktionsfaktorn λ beror på strömningsregimen. När Re < 2300 används sambandet för laminär strömning:

λ = 64 / Re

När Re ≥ 2300 bestäms λ genom iterativ lösning av Colebrook-White-ekvationen med Reynolds tal och relativ råhet:

1 / sqrt(λ) = -2 · log10(ε / (3.7dh) + 2.51 / (Re · sqrt(λ)))

Det innebär att kanalens motstånd samtidigt beror på lufthastigheten, kanalstorleken och råheten hos den invändiga ytan.

Tryckförlust genom friktion

Tryckförlust per meter beräknas med Darcy-Weisbach-ekvationen. Den faktiska lufthastigheten efter att den slutliga kanalstorleken har valts används i beräkningen.

R′ = (λ / dh) · (ρ · v2 / 2)

Här uttrycks d_h i meter och resultatet R′ erhålls i Pa/m.

Friktionstryckförlust för en kanaldel är proportionell mot dess längd L i meter:

R = R′ · L

Två delar med samma kanalstorlek och samma luftflöde har därför samma tryckförlust per meter men olika totala friktionsförluster om deras längder skiljer sig.

Lokala tryckförluster

Dynamiskt tryck beräknas från den faktiska lufthastigheten:

Pd = ρ · v2 / 2

Lokala förlustkoefficienter ζ är fördefinierade i kalkylatorn för vanliga komponenter i ventilationskanaler:

• skarpkantat kanalinlopp — 0.50;
• avrundat kanalinlopp — 0.05;
• fritt kanalutlopp — 1.00;
• mjuk 45°-böj — 0.10;
• mjuk 90°-böj med R/D = 1.5 — 0.15;
• 90°-böj med ledskenor — 0.20;
• gerad 90°-böj utan ledskenor — 1.20;
• T-stycke eller korsstycke, flöde genom huvudkanalen — 0.10;
• T-stycke eller korsstycke, flöde in i förgreningen — 1.00;
• 45°-förgrening, flöde in i förgreningen — 0.35;
• luftspjäll i helt öppet läge — 0.30.

För en komponent med ett annat motstånd kan ζ-koefficienten anges manuellt. Om flera identiska komponenter finns multipliceras antalet med koefficienten för en komponent.

Total lokal förlustkoefficient erhålls genom att summera motståndskoefficienterna för alla komponenter i kanaldelen med hänsyn till deras antal.

Σζ = ζ1 · n1 + ζ2 · n2 + ...

Lokal tryckförlust beräknas genom att multiplicera det dynamiska trycket med den totala lokala förlustkoefficienten:

Z = Pd · Σζ

Totalt tryckfall

Totalt tryckfall för en kanaldel är summan av friktionsförluster och lokala förluster:

ΔP = R + Z

När flera kanaldelar läggs till beräknas det totala tryckfallet som summan av ΔP-värdena för alla tillagda delar.

Val av slutlig kanalstorlek följer en enkel princip: först beräknas det minsta erforderliga tvärsnittet från det angivna luftflödet och den dimensionerande hastigheten, därefter ökas storleken till närmaste tillgängliga värde. Alla aerodynamiska kanalparametrar beräknas sedan på nytt med den valda storleken och inte med det teoretiskt erforderliga tvärsnittet.

Relaterade europeiska standarder

EN 16798-3 ”Byggnaders energiprestanda. Ventilation för byggnader. Del 3: För lokalbyggnader. Prestandakrav för ventilations- och rumsklimatsystem” anger allmänna krav på prestanda för ventilations- och luftkonditioneringssystem.

EN 1506 ”Ventilation för byggnader. Luftkanaler och kanaldetaljer av plåt med cirkulärt tvärsnitt. Dimensioner” gäller dimensionssystemet för runda plåtkanaler och tillhörande detaljer.

EN 1505 ”Ventilation för byggnader. Luftkanaler och kanaldetaljer av plåt med rektangulärt tvärsnitt. Dimensioner” gäller dimensionerna för rektangulära plåtkanaler och tillhörande detaljer.

EN 12237 ”Ventilation för byggnader. Kanalsystem. Hållfasthet och läckage hos cirkulära plåtkanaler” och EN 1507 ”Ventilation för byggnader. Rektangulära plåtkanaler. Krav på hållfasthet och läckage” används för att bedöma kanalernas konstruktiva egenskaper. Beräkningen av tryckfall i denna kalkylator använder de aerodynamiska samband som beskrivs ovan.

FAQs

Varför är den valda kanalstorleken större än den erforderliga storleken

Den erforderliga storleken beräknas direkt från luftflödet och den dimensionerande lufthastigheten och kan få vilket numeriskt värde som helst. Vid automatisk dimensionering väljer kalkylatorn nästa större värde ur den tillgängliga storleksserien så att det faktiska tvärsnittet inte blir mindre än det beräknade behovet.

Varför minskar tryckfallet när kanalstorleken ökar

Vid samma luftflöde minskar den faktiska lufthastigheten när kanalens tvärsnittsarea ökar. Det dynamiska trycket beror på hastigheten i kvadrat, vilket innebär att både friktionsförluster och lokala tryckförluster minskar när kanalen blir större.

Varför kan lokala tryckförluster vara större än friktionsförluster

I en kort kanaldel kan motståndet i själva den raka kanalen vara litet, medan böjar, T-stycken, förgreningar och andra komponenter kan ge betydande extra förluster. Ju högre lufthastigheten och det totala Σζ-värdet är, desto större blir de lokala motståndens bidrag till det totala tryckfallet.

Hur påverkar kanalmaterialet beräkningen av luftflöde och kanalparametrar

Kanalmaterialet beaktas genom den absoluta råheten hos den invändiga ytan. Större råhet ökar vanligtvis friktionsfaktorn, vilket gör att tryckförlusten genom friktion ökar när luftflöde, kanalstorlek och kanallängd är oförändrade.

Varför skiljer sig den faktiska lufthastigheten från den valda dimensionerande hastigheten

Den dimensionerande hastigheten används för att bestämma kanalens erforderliga tvärsnittsarea. När närmaste tillgängliga kanalstorlek har valts ändras den faktiska arean, därför beräknar kalkylatorn lufthastigheten på nytt utifrån de valda kanalmåtten och använder detta värde i alla beräkningar av tryckfall.