Rundes Rohr vs. rechteckiges Rohr: Was ist besser? | MaschineMFG

Rundes Rohr vs. rechteckiges Rohr: Was ist besser?

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1. Hintergrund

Das Luftkanalsystem ist ein wichtiger Bestandteil der Klima- und Lüftungstechnik. Es hat die Aufgabe, die eingestellte Luft entsprechend der geplanten Strömung effizient zu den Endgeräten zu transportieren.

Luftkanäle haben in der Regel drei Querschnittsformen: rechteckig, rund und länglich. Rechteckige Kanäle werden in der Regel durch das Zusammennieten von vier Stahlplatten hergestellt, während runde Kanäle durch das Wickeln eines 137 mm breiten Stahlplatte auf einer Spiralformmaschine. Längliche Kanäle sind relativ selten und werden in der Regel durch Quetschen von kreisförmigen Kanälen geformt.

Vor 1960 waren rechteckige Rohre aufgrund ihres einfachen Herstellungsverfahrens und ihres geringen Platzbedarfs am weitesten verbreitet. Mit der Entwicklung großer Maschinen zur Herstellung von Wickelfalzrohren haben jedoch viele technische Projekte gezeigt, dass kreisförmige Rohre wirtschaftlicher sind und in Bezug auf andere technische Parameter besser abschneiden als rechteckige Rohre.

Luftkanalsystem

Viele der derzeit auf dem Markt erhältlichen Luftkanäle aus Fasergewebe sind Luftverteilungssysteme, die Funktionen wie Entlüftungsöffnungen, Luftzufuhrkanäle, statische Druckkästen, Wärmedämmstoffe und Dämpfer kombinieren. Sie erfreuen sich bei den Nutzern großer Beliebtheit, da sie Vorteile wie eine genaue und gleichmäßige Luftzufuhr, einen leichten Installationsblock, ein attraktives Aussehen und Resistenz gegen Bakterien und Schimmel aufweisen.

Faserkanäle sind in verschiedenen Formen erhältlich, darunter rund, halbkreisförmig, viertelkreisförmig, oval und halboval, um den Anforderungen unterschiedlicher Gebäudestrukturen gerecht zu werden.

Runder Fasergewebekanal

Runder Fasergewebekanal

Tabelle 1: Der jährliche Marktanteil von runden Kanälen:

Land19601965197019751980198519902000
Nordisch515406070808590
Deutschland55101520252550
Frankreich510203040505065
England510152025353555

Aus der Sicht einer wirtschaftlichen Analyse können die Gesamtkosten eines Luftkanalsystems in einem Gebäude während seiner gesamten Lebensdauer wie folgt aufgeteilt werden:

  • Erstinvestition: Dazu gehören Entwurfskosten, Material- und Installationskosten, Raumkosten, Inbetriebnahmekosten usw.
  • Betriebskosten: Dazu gehören die Gehälter des Personals, die Energiekosten und die Wartungskosten.
  • Kosten für die Erneuerung: Hierunter fallen die Kosten für die Reparatur und den Ersatz verschlissener Teile.

Ausländische Untersuchungen haben gezeigt, dass runde Kanalsysteme bei vielen Parametern besser abschneiden als rechteckige Systeme.

Dieser Artikel fasst die Ergebnisse dieser Studien zusammen und konzentriert sich auf den Vergleich der wirtschaftlichen Aspekte von Luftkanalsystemen.

Es ist anzumerken, dass die Kosten für die Erneuerung unter normalen Umständen nur einen kleinen Teil der Gesamtkosten ausmachen und daher in dieser Diskussion nicht berücksichtigt werden.

2. Erstinvestition

Die Anfangsinvestitionen für ein rundes Kanalsystem sind aus folgenden Gründen geringer als für ein rechteckiges Kanalsystem:

  • Runde Rohre sind einfacher zu fertigen und zu transportieren.
  • Die Bauteile und Formstücke von runden Kanälen sind in hohem Maße standardisiert.
  • Runde Kanäle sind strukturell besser in der Lage, dem Druck ohne Verformung standzuhalten, während rechteckige Kanäle zusätzliche Schrauben, Nieten, Stützbalken und andere Verstärkungsmaßnahmen erfordern.
  • Für den gleichen hydraulischen Durchmesser benötigt ein kreisförmiger Kanal weniger Metall als ein rechteckiger Kanal. Je größer das Seitenverhältnis des rechteckigen Kanals ist, desto höher ist der Metallverbrauch.
  • Die Aufhängung von runden Kanälen ist im Vergleich zu rechteckigen Kanälen einfacher zu installieren. Gemäß GB50243-2002 "The Code for Construction and Acceptance of Ventilation and Air Conditioning Work" beträgt der Abstand zwischen den Aufhängungen für rechteckige Kanäle mit langen Seiten von mehr als 400 mm 4 m, während der Abstand zwischen den Aufhängungen für Spiralkanäle auf 5 m erhöht wird.
  • Der Messpunkt für die Messung des Luftvolumens eines kreisförmigen Kanals ist kleiner als der eines rechteckigen Kanals, so dass bei einem ausgeglichenen Kanalsystem auch die Kosten für die Inbetriebnahme geringer sind als bei einem rechteckigen Kanal.
  • Runde Kanäle können das Eindringen von tieffrequenten Geräuschen in den Raum erheblich reduzieren und damit den Bedarf an Schalldämpfungsgeräten verringern.

Wir haben zwei Belüftungssystem für einen großen Raum mit kreisförmigen und rechteckigen Kanälen und verglichen die Druckverlusthöhe des Systems und die damit verbundenen wirtschaftlichen Parameter. Die Ergebnisse, die auf den nordischen Marktpreisen des Jahres basieren, sind in Abbildung 1 dargestellt.

Die Berechnungen ergaben, dass bei gleichen Endausrüstungsbedingungen die Gesamtinstallationskosten des runden Kanalsystems nur halb so hoch waren wie die des rechteckigen Kanalsystems und die Materialkosten des runden Kanalsystems 80% der Kosten des rechteckigen Kanalsystems betrugen.

Kreisförmiger KanalRechteckiger Kanal
Gesamtdruckverlust (Pa): 150.0

Installationskosten insgesamt: 0,51 R

Materialkosten insgesamt: 0,8 Mio.

(A)

Gesamtdruckverlust (Pa): 165.4

Gesamtkosten der Installation: R

Gesamte Materialkosten: M

(B)

Abbildung 1: Vergleich der Kanalbauweisen

(A) Kreisförmiger Kanal (B) Rechteckiger Kanal

Die wirtschaftliche Analyse des vom Kanalsystem belegten Raums ist aufgrund seiner Abhängigkeit von der Gebäudestruktur und -nutzung eine Herausforderung.

Es wird allgemein angenommen, dass rechteckige Kanäle Platz sparen, aber in Wirklichkeit ist die tatsächliche Fläche, die sie einnehmen, bei rechteckigen Kanälen mit einem engen Seitenverhältnis größer als bei runden Kanälen. Dies liegt vor allem daran, dass rechteckige Kanäle Flansche zum Anschluss benötigen und die Höhe der Flanschkanten in der Regel mehr als 20 mm beträgt, wie in Abbildung 2 (A) dargestellt.

Moderne Wickelfalzrohre können jedoch mit genormter Flexibilität verbunden werden, wie in Abbildung 2 (B) gezeigt, was nicht nur Platz spart, sondern auch einfacher zu installieren ist. Bei rechteckigen Luftkanälen mit einem Seitenverhältnis von annähernd 1 sind daher die Vorteile runder Kanäle nicht zu übersehen.

Rechteckiger Kanal
Anschluss für Rundrohre

(A)(B)

Abbildung 2: Vergleich der Kanalanschluss Schema

 (A) Rechteckiger Kanal (B) Kreisförmiger Kanal

Bei rechteckigen Kanälen mit großem Seitenverhältnis können diese durch mehrere runde Kanäle ersetzt werden, wie in Abbildung 3 dargestellt. Diese Alternative kann die Steuerung des Luftvolumens erheblich erleichtern und auch die Installationskosten senken. Obwohl die Materialkosten steigen können, hat eine Untersuchung gezeigt, dass die Anfangsinvestition bei diesem System fast die gleiche ist wie bei einem rechteckigen Kanal.

alternativer Plan mit rechteckigem Kanal

Abbildung 3: Ein alternativer Plan, bei dem ein rechteckiger Kanal von 550 mm × 150 mm durch zwei runde Kanäle von D = 200 mm ersetzt wird

3. Betriebskosten

Unter normalen Umständen ist der größte Teil der Betriebskosten für Klimaanlagen der Energieverbrauch. Dazu gehört die Energie, die zum Erwärmen oder Kühlen der Luft und für den Transport der Luft zu den Endgeräten benötigt wird. Wenn das gesamte Kanalsystem gut isoliert ist, wird die Menge an Leckluft aus den Kanälen zu einer bedeutenden Quelle für überschüssigen Energieverbrauch.

Im Kanalsystem sorgt der Ventilator für die Umwälzung, und der Winddruck des Ventilators übersteigt in der Regel nicht 650Pa. Ohne den Druckverlust an den Endgeräten des Lüftungsgeräts liegt die verfügbare Druckhöhe des gesamten Kanalsystems bei etwa 200-300Pa.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Druckverlust im Luftkanalsystem zu minimieren. Gleichzeitig wirkt sich der Grad der Luftleckage auch direkt auf die Wahl der Ventilatorleistung aus. Nach dem Ventilatorentheorem ist die Ventilatorleistung proportional zur dritten Potenz des Luftvolumens. Das heißt, wenn die Leckagerate des Luftkanals 6% beträgt, steigt die Ventilatorleistung um 20%. Die Leckagerate kreisförmiger Luftkanäle ist im Vergleich zu rechteckigen Luftkanälen viel geringer.

3.1 Luftleckagerate

Die Leckagerate des Luftkanals kann nach folgender Formel berechnet werden:

Die Berechnung der Leckagerate des Luftkanals
  • fref = Flächenleckrate
  • qvl = Luftaustritt
  • A = Fläche des Kanals
  • K = Luftleckagekonstante
  • △ pref = Druckdifferenz zwischen Kanal und Außenbereich

In Europa wird die Luftdichtheit von Luftkanälen in vier Stufen (A, B, C, D) entsprechend der Luftleckagekonstante eingeteilt.

Tabelle 2 zeigt die maximal zulässigen Leckagekonstanten für die jeweiligen Sorten.

Klasse AKA=0.027×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65
Klasse BKB=0.009×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65
Klasse CKC=0.003×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65
Klasse DKD =0.001×10-3 m3 s-1 m-2 Pa-0.65

Tabelle 2: Klassifizierung der Luftdichtheit in europäischen Kanalsystemen

Der Vergleich mit kreisförmigen Kanälen zeigt, dass rechteckige Kanäle wesentlich mehr Schrauben und Nieten für die Verbindung benötigen, was zu wesentlich höheren Luftleckagen führt.

Abbildung 4 zeigt Messdaten aus Belgien, aus denen hervorgeht, dass die durchschnittliche Leckagerate von rechteckigen Kanälen siebenmal höher ist als die von runden Kanälen.

Der "Code for Construction and Acceptance of Ventilation and Air Conditioning Work" GB50243-2002 besagt ebenfalls, dass die zulässige Luftleckage für runde Kanäle 50% derjenigen für rechteckige Kanäle beträgt.

Messungen der Luftleckageraten

Abbildung 4: Messungen der Luftleckageraten in 21 belgischen Gebäuden (Carrié et al, 1999)

3.2 Kopfverlust

Das hydraulische Äquivalent wird verwendet, um den Systemdruckverlust von rechteckigen Kanälen mit demselben hydraulischen Äquivalentdurchmesser abzuschätzen. Trotz ihrer unterschiedlichen Querschnittsformen haben sie den gleichen Druckverlust entlang des Weges.

Abbildung 5 vergleicht den Druckverlust eines kreisförmigen Kanals (D = 0,5 m, U = 5 m/s, Σ = 0,15 mm) und eines rechteckigen Kanals mit derselben Fläche und demselben Volumenstrom. Es ist offensichtlich, dass in diesem Fall der Druckverlust des rechteckigen Kanals viel höher ist als der des kreisförmigen Kanals, und je größer das Seitenverhältnis des Kanals ist, desto größer ist der Druckverlust. Dies bedeutet, dass eine größere Ventilatorleistung erforderlich ist.

Vergleich des Druckverlusts zwischen einem rechteckigen Kanal und einem kreisförmigen Kanal mit konstanter Strömung und Strömungsgeschwindigkeit

Abbildung 5: Vergleich des Druckverlusts zwischen Rechteckkanal und Rundkanal bei konstantem Durchfluss und konstanter Strömungsgeschwindigkeit (Durchfluss = 1m³ / s, v = 5m / s)

Das Konzept des "hydraulisch äquivalenten Durchmessers" geht davon aus, dass die durchschnittliche Schubspannung entlang der Begrenzung eines rechteckigen Kanals konstant sein sollte. Mit anderen Worten, die isokinetische Linie sollte parallel zur Begrenzung des Luftkanals verlaufen. Tatsächliche Messergebnisse zeigen jedoch, dass in einem rechteckigen Luftkanal der Geschwindigkeitsgradient entlang der diagonalen Linie am langsamsten abnimmt und der Geschwindigkeitsgradient entlang der Mittellinie am langsamsten abnimmt.

Daher sollte der hydraulisch äquivalente Durchmesser in den beiden folgenden Fällen mit Vorsicht verwendet werden:

  • Die Strömung ist zu klein, und das Strömungsfeld kann nicht den Zustand der vollständigen Turbulenz erreichen.
  • Der Querschnitt des Rohrs ist bei weitem nicht kreisförmig, d. h. das Rechteck hat ein großes Längen-Breiten-Verhältnis.

Experimentelle Daten stellen auch die Allgemeingültigkeit des hydraulischen Ersatzdurchmessers in Frage. JONES führte eine Reihe von Experimenten zum Druckverlust von glatten rechteckigen Kanälen durch. Die Neuanalyse seiner experimentellen Daten ist in Abbildung 6 dargestellt.

Trotz der fehlenden Daten für 10 <Seitenverhältnis <25 deuten die Daten in Abbildung 6 stark auf die monoton zunehmende Wirkung des Längen-Breiten-Verhältnisses auf den Druckverlust des hydraulischen Äquivalentdurchmessers hin.

Griggsetal's Experimente mit rauen rechteckigen Kanälen haben ähnliche Ergebnisse.

Vergleich des Druckverlusts zwischen einem glatten rechteckigen Kanal und einem kreisförmigen Kanal mit unterschiedlichem Längen-Breiten-Verhältnis

Abbildung 6: Vergleich des Druckverlusts zwischen einem glatten rechteckigen Kanal und einem runden Kanal mit unterschiedlichem Längen-Breiten-Verhältnis

3.3 Wartungskosten

Um das Sick-Building-Syndrom zu verhindern, müssen die Luftkanäle regelmäßig gereinigt werden. Zu den Reinigungsmethoden gehören die Trockenmethode (mit Staubsauger und Bürste) oder die Nassmethode (mit einem langen Mopp). In jedem Fall ist die Reinigung von runden Kanälen einfacher als von rechteckigen.

4. Schlussfolgerungen

Die wirtschaftliche Analyse von Luftkanalsystemen ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Sie muss eine Reihe von Faktoren berücksichtigen, da die Lebensdauer eines Kanalsystems oft mehr als zehn Jahre betragen kann. In diesem Fall kann eine kleine Verbesserung von Design und Qualität die Rentabilität der Investition erheblich steigern.

Daher ist die Verwendung von runden Kanälen eine wirtschaftlichere Lösung. Es ist jedoch zu beachten, dass aus Gründen der Geräuscharmut und des Platzbedarfs für einige Komponenten des Luftkanalsystems mit großem Volumenstrom und großen Abmessungen, wie z. B. Frischlufteinlässe und Auslässe von Luftaufbereitungsgeräten, weiterhin rechteckige Kanäle empfohlen werden.

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