Аеродинамічний розрахунок вентиляції

Методика аеродинамічного розрахунку вентиляції

Цей калькулятор втрат тиску виконує аеродинамічний розрахунок вентиляції та параметрів повітропроводів для окремих ділянок системи: визначає потрібний переріз за витратою повітря, підбирає розмір круглого або прямокутного повітропроводу, розраховує фактичну швидкість повітря та оцінює втрати тиску. Втрати на тертя та вибрані місцеві втрати розраховуються окремо для кожної ділянки, після чого підсумовуються для визначення загальних втрат тиску.

Розрахунок можна використовувати для попереднього підбору розмірів повітропроводів і порівняння різних варіантів вентиляційної системи за швидкістю повітря та опором потоку.

Орієнтири та рекомендації

Розрахункова швидкість повітря та потрібний переріз

Розрахункова швидкість повітря визначає початкову потрібну площу повітропроводу. Калькулятор використовує фіксовані значення: природна вентиляція — 1.5 м/с, механічна вентиляція у житлових приміщеннях — 3 м/с, офісах — 4.5 м/с, промислових приміщеннях — 9 м/с.

Потрібна площа перерізу розраховується за витратою повітря Q у м³/год і розрахунковою швидкістю v_design у м/с. Спочатку витрата повітря переводиться з м³/год у м³/с діленням на 3600.

A = (Q / 3600) / vdesign

Отримана площа A у м² є мінімальним розрахованим перерізом, за яким визначається потрібний розмір повітропроводу.

Підбір круглого та прямокутного повітропроводу

Круглий повітропровід підбирається за площею круга. Потрібний внутрішній діаметр d визначається у міліметрах.

d = 1000 · sqrt(4A / π)

Після цього калькулятор вибирає перший діаметр із ряду розмірів, який не менший за розраховане значення: 63, 80, 100, 125, 150, 160, 200, 250, 300, 315, 355, 400, 450, 500, 560, 630, 710, 800, 900, 1000, 1120 або 1250 мм.

Прямокутний повітропровід підбирається із заданою користувачем висотою h або шириною b. Друга сторона розраховується за потрібною площею.

b = A · 106 / h

h = A · 106 / b

Розрахована сторона округлюється вгору до першого відповідного значення з ряду 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800 або 2000 мм. Сторона, задана користувачем, під час автоматичного підбору не змінюється.

Вибраний розмір повітропроводу використовується в усіх наступних розрахунках. Якщо користувач вручну змінює вибраний діаметр або сторони прямокутного повітропроводу, швидкість повітря та втрати тиску перераховуються за введеними розмірами.

Фактична швидкість повітря та гідравлічний діаметр

Фактична швидкість повітря розраховується за вибраним перерізом повітропроводу, а не за теоретично потрібною площею. Тому після округлення розміру повітропроводу фактична швидкість зазвичай відрізняється від початкової розрахункової швидкості.

v = (Q / 3600) / Aactual

Тут A_actual — фактична площа перерізу вибраного повітропроводу в м².

Гідравлічний діаметр круглого повітропроводу дорівнює його діаметру. Для прямокутного повітропроводу зі сторонами a і b він розраховується так:

dh = 2ab / (a + b)

Значення a, b і d_h мають бути виражені в однакових одиницях. Для розрахунку втрат тиску гідравлічний діаметр переводиться з міліметрів у метри.

Шорсткість матеріалу повітропроводу

Абсолютна шорсткість ε впливає на коефіцієнт тертя. Калькулятор використовує такі значення у міліметрах:

• оцинкована сталь — 0.09 мм;
• нержавіюча сталь — 0.015 мм;
• алюміній — 0.05 мм;
• пластик PVC, PP або PE — 0.0015 мм;
• FRP або GRP — 0.005 мм;
• штукатурка — 0.3 мм;
• гладкий бетон — 0.6 мм;
• звичайний бетон — 1.0 мм;
• цегляна кладка — 3.0 мм.

У розрахунку використовується відносна шорсткість ε / dh. Тому той самий матеріал повітропроводу може по-різному впливати на повітропроводи різних розмірів.

Режим потоку та коефіцієнт тертя

Властивості повітря приймаються постійними: густина ρ = 1.2041 кг/м³ і кінематична в’язкість ν = 0.000015 м²/с.

Число Рейнольдса розраховується за фактичною швидкістю повітря та гідравлічним діаметром.

Re = v · (dh / 1000) / ν

Коефіцієнт тертя Дарсі λ залежить від режиму потоку. При Re < 2300 використовується залежність для ламінарного потоку:

λ = 64 / Re

При Re ≥ 2300 значення λ визначається ітераційним розв’язанням рівняння Колбрука-Вайта з використанням числа Рейнольдса та відносної шорсткості:

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

Отже, опір повітропроводу одночасно залежить від швидкості повітря, розміру повітропроводу та шорсткості його внутрішньої поверхні.

Втрати тиску на тертя

Втрати тиску на метр розраховуються за рівнянням Дарсі-Вейсбаха. У розрахунку використовується фактична швидкість повітря після вибору остаточного розміру повітропроводу.

R′ = (λ / dh) · (ρ · v2 / 2)

Тут d_h виражається у метрах, а результат R′ отримується у Па/м.

Втрати тиску на тертя для ділянки повітропроводу пропорційні її довжині L у метрах:

R = R′ · L

Тому дві ділянки з однаковим розміром повітропроводу та однаковою витратою повітря мають однакові втрати тиску на метр, але різні загальні втрати на тертя, якщо їхня довжина відрізняється.

Місцеві втрати тиску

Динамічний тиск розраховується за фактичною швидкістю повітря:

Pd = ρ · v2 / 2

Коефіцієнти місцевих втрат ζ задані в калькуляторі для поширених елементів повітропроводів:

• вхід у повітропровід із гострою кромкою — 0.50;
• заокруглений вхід у повітропровід — 0.05;
• вільний вихід із повітропроводу — 1.00;
• плавний відвід 45° — 0.10;
• плавний відвід 90° з R/D = 1.5 — 0.15;
• відвід 90° з напрямними лопатками — 0.20;
• сегментний відвід 90° без напрямних лопаток — 1.20;
• трійник або хрестовина, потік через основний повітропровід — 0.10;
• трійник або хрестовина, потік у відгалуження — 1.00;
• відгалуження 45°, потік у відгалуження — 0.35;
• повітряна заслінка у повністю відкритому положенні — 0.30.

Для елемента з іншим опором коефіцієнт ζ можна ввести вручну. Якщо є кілька однакових елементів, їхня кількість множиться на коефіцієнт одного елемента.

Сумарний коефіцієнт місцевих втрат визначається додаванням коефіцієнтів опору всіх елементів на ділянці повітропроводу з урахуванням їхньої кількості.

Σζ = ζ1 · n1 + ζ2 · n2 + ...

Місцеві втрати тиску розраховуються множенням динамічного тиску на сумарний коефіцієнт місцевих втрат:

Z = Pd · Σζ

Загальні втрати тиску

Загальні втрати тиску на ділянці повітропроводу є сумою втрат на тертя та місцевих втрат:

ΔP = R + Z

Якщо додано кілька ділянок повітропроводу, загальні втрати тиску розраховуються як сума значень ΔP для всіх доданих ділянок.

Вибір остаточного розміру повітропроводу виконується за простим принципом: спочатку за заданою витратою повітря та розрахунковою швидкістю визначається мінімальний потрібний переріз, після чого розмір збільшується до найближчого доступного значення. Потім усі аеродинамічні параметри повітропроводу перераховуються за вибраним розміром, а не за теоретично потрібним перерізом.

Пов’язані європейські стандарти

EN 16798-3 «Енергетична ефективність будівель. Вентиляція будівель. Частина 3: Для нежитлових будівель. Вимоги до характеристик систем вентиляції та кондиціонування приміщень» встановлює загальні вимоги до характеристик систем вентиляції та кондиціонування повітря.

EN 1506 «Вентиляція будівель. Повітропроводи та фасонні елементи з листового металу круглого перерізу. Розміри» застосовується до системи розмірів круглих металевих повітропроводів і фасонних елементів.

EN 1505 «Вентиляція будівель. Повітропроводи та фасонні елементи з листового металу прямокутного перерізу. Розміри» застосовується до розмірів прямокутних металевих повітропроводів і фасонних елементів.

EN 12237 «Вентиляція будівель. Повітропроводи. Міцність і герметичність круглих повітропроводів із листового металу» та EN 1507 «Вентиляція будівель. Прямокутні повітропроводи з листового металу. Вимоги до міцності та герметичності» використовуються для оцінювання конструктивних характеристик повітропроводів. Розрахунок втрат тиску в цьому калькуляторі виконується за аеродинамічними залежностями, описаними вище.

FAQs

Чому вибраний розмір повітропроводу більший за потрібний

Потрібний розмір розраховується безпосередньо за витратою повітря та розрахунковою швидкістю і може мати будь-яке числове значення. Під час автоматичного підбору калькулятор вибирає наступне більше значення з доступного ряду розмірів, щоб фактичний переріз не був меншим за розрахований.

Чому втрати тиску зменшуються зі збільшенням розміру повітропроводу

За однакової витрати повітря збільшення площі перерізу повітропроводу зменшує фактичну швидкість повітря. Динамічний тиск залежить від квадрата швидкості, тому зі збільшенням повітропроводу зменшуються як втрати на тертя, так і місцеві втрати тиску.

Чому місцеві втрати тиску можуть бути більшими за втрати на тертя

На короткій ділянці опір самого прямого повітропроводу може бути невеликим, тоді як відводи, трійники, відгалуження та інші фасонні елементи можуть створювати значні додаткові втрати. Чим вища швидкість повітря та сумарне значення Σζ, тим більший внесок місцевих опорів у загальні втрати тиску.

Як матеріал повітропроводу впливає на аеродинамічний розрахунок вентиляції

Матеріал повітропроводу враховується через абсолютну шорсткість його внутрішньої поверхні. Більша шорсткість зазвичай збільшує коефіцієнт тертя, тому втрати тиску на тертя зростають за незмінних витрати повітря, розміру та довжини повітропроводу.

Чому фактична швидкість повітря відрізняється від вибраної розрахункової швидкості

Розрахункова швидкість використовується для визначення потрібної площі перерізу повітропроводу. Після вибору найближчого доступного розміру фактична площа змінюється, тому калькулятор повторно розраховує швидкість повітря за вибраними розмірами повітропроводу та використовує це значення в усіх розрахунках втрат тиску.