提  要：本文重点论述了以下4个问题：（1）复合式改性菱镁通风管道提高韧性的研究及防止脆化的措施。（2）复合式改性菱镁通风管道变形的原因的探讨与防止变形的措施。（3）提高复合式改性菱镁通风管道耐水性的探讨。（4）用于复合式改性菱镁通风管道内、外两层的菱镁胶结料改性研究及风管断面结构的设计。
 
1 前言
复合式改性菱镁通风管道也称第三代无机玻璃钢通风管道，是用经过改性的菱镁水泥作胶结料，用玻璃纤维布作增强材料而制成。主要技术关键和创新点有两个方面：（a）对菱镁胶结料的改性。（b）针对通风管道在使用过程中管道内外所处的介质环境不同，其断面结构采取了两种不同性能的菱镁胶结料复合在一起的新工艺制成。

复合式改性菱镁通风管道主要用于集中制冷与集中供暖的建筑物的中央空调送冷与送热风。

目前我国的空调通风管道主要有三大类：（a）镀锌铁皮类；（b）菱镁类；（c）以玻璃棉板和其他矿棉板为基体，内外各敷以外保护层的玻璃棉板类。

镀锌铁皮通风管道是一种传统产品，主要缺点是易锈蚀，通风时容易产生噪音，加工较困难，密封不好容易漏风。玻璃棉板类通风管道是一种新产品，还存在很多不如人意的缺点，目前工程使用很不理想。

在我国菱镁类通风管道发展较快，建筑物上使用的越来越多，存在的主要缺点是易吸潮返卤，容易变形，不耐水，比较笨重，脆性大，易脆化。复合式改性菱镁通风管道刚克服了菱镁类空调通风管道的这些缺点，已逐渐成为空调通风管道的首选产品。
 
2 提高复合式改性菱镁通风管道韧性及防止脆化的措施
2.1 提高菱镁通风管道韧性的研究
脆性大是菱镁类通风管道的一个突出缺点，以致在产品生产、运输、安装、维修中一旦受到撞击或较大的压力时，往往产生不同程度的损伤。要解决菱镁通风管道的脆性弊病，必须想办法提高菱镁胶结料硬化后的韧性，使在一般的外力作用下受力面产生弹性变形，使硬化的外表薄层能保持连续的整体完整性，这也是保证产品耐久性能的重要措施。
要提高这类产品的韧性，应采取以下措施：
（1）添加增韧性
增韧性的种类很多，要进行适当选择。添加适量增韧性可以显著的提高其韧性，而且对制品的物理、力学及耐久性能也有显著的提高，见表2。
 
增韧剂加量很少，但可显著地提高制品的性能，28天抗折、抗压强度分别提高28%、45%，加入增韧剂后吸水率最高可降低40%，软化系数最高可提高47%；吸水率的降低和软化系数的提高，象征着制品耐久性的提高，使用寿命延长。
（2）设计合理的配方
复合式改性菱镁通风管道主要是无机材料，为了改性的需要，在不降低产品防火性能的前提下，也加入了少量有机材料。如在通风管道胶结料中加入适量的天然有机纤维，可以显著地降低制品的脆性。但这些有机短纤维一定要做预处理，要尽量不降低料浆的和易性，以便于生产操作。
（3）适当减小表面胶结料层的厚度
材料的刚度是和材料的厚度成立方关系（I＝bh3/12），菱镁通风管道截面都是薄板，根据上述的道理，表层的菱镁胶结料越薄，柔性越好，在受到外力作用时不容易产生表面裂纹，在产品加工时，风管的内外两个表面的菱镁胶结料层在能保护住玻璃丝布的前提下应尽量做薄，以提高产品的韧性。
 
2.2 防止复合式改性菱镁通风管道脆化的措施
制品脆化的主要原因有以下两方面：
（1）使用了高碱玻璃丝布，引起产品脆化
目前市场上的玻璃纤维布有高碱、中碱、无碱和耐碱四种。菱镁胶结料是弱碱性体系，一旦体系中的玻璃丝被腐蚀，力学强度就很低了，制品也就产生严重脆化。所以要防止产品脆化，一定要坚持用中碱玻璃丝布（无碱或耐碱的则更好）。
（2）菱镁胶结料中掺加了高碱成分，加速了玻璃纤维的被腐蚀而导致产品脆化。
菱镁胶结料体系一般的ＰＨ值8~9，显弱碱性。为了制品改性的需要，有的添加了碱性物质，如日本专利JP57 188 438则添加一种碳酸钠（Na2CO3·H2O），这类物质加多了就会提高体系中的碱度，会加速对玻璃纤维的腐蚀，所以在以玻璃纤维作增强材料的菱镁通风管道配方中是不可取的。
有些物质的加入能防止菱镁制品的脆化，如我们研究生产的菱镁专用抗水粉就能显著地减少制品的脆化弊病。
 
3 菱镁类通风管道变形原因及其防止措施
菱镁通风管道大多是一些厚度小、幅面大的产品，生产和使用过程中很容易出现的一个质量问题就是易变形。因此研究解决该类产品在生产和使用过程中的变形是保证产品质量的关键。
 
3.1 风管内外层厚度不同而导致的变形
菱镁制品的硬化过程是一个连续的体积膨胀过程，每种硬化产物的形成过程都伴随着相应的体积膨胀，基于这个规律，在产品生产时若面层和底层厚薄不同，两层就会产生不同的膨胀内应力，当膨胀内应力超过了自身的约束力时，两层就会产生不能同步的胀缩而造成产品的变形，两层厚度不同是生产操作造成的。只要生产上加强管理和生产控制，使风管的内外两层厚薄掌握一致就会避免这一弊病的发生。
 
3.2 因养护不充分，硬化程度不够导致的变形
（1）养护不充分造成变形
菱镁制品硬化过程是一个连续的体积膨胀过程，根据这一硬化膨胀特点，对初生产的菱镁制品必须加强养护，使硬化反应尽量在养护过程中进行的比较完全。制品的体积膨胀尽量发生在产品出厂前的养护过程，使制品中游离的MgO和MgCl2尽量减少，体积趋于稳定。只有达到这一程度才能赋予制品以良好的物理力学及耐久性能。
许多菱镁制品生产厂不重视制品的养护，养护温度达不到要求，再不注重保潮养护，使制品内部水分很快散失而处于干燥状态，制品终止了硬化反应，致使制品内部存在着大量的游离的MgO和MgCl2,这种制品一旦本身遇到适宜的温度、湿度，内部游离的MgO和MgCl2又会再度进行反应，在已经定型了的制品内部硬化反应的再度进行，产生膨胀内应力，这样就必然造成制品变形。严重时造成制品表面裂纹。
（2）局部硬化不充分导致制品变形
制品养护控制的主要技术指标是湿度、温度和养护时间。若制品形状复杂，外廓尺寸比较大，养护措施又不很得力，往往在同一个产品各处养护程度不均衡而造成风管变形。
还应特别指出的是：水在菱镁制品养护和硬化反应中起到双重的作用，水一方面参与了硬化反应的化学反应过程：
5MgO+MCl2+13H2O=5Mg(OH)2MgCl2·8H2O
另外水还是硬化反应的媒介，上述的化学反应需以水为介质才能进行，没有一定的水分，硬化反应就不能进行。基于此，复合式改性菱镁通风管道生产中必须有一段时间的保潮养护。
 
4 提高复合式改性菱镁通风管道耐水性措施
菱镁通风管道使用环境比较复杂，根据调查有的游泳馆使用的通风管道输送的空气介质温度高达40-50℃，空气湿度85%以上。用在地下室、厕所、卷烟厂、纺织厂的通风管道，也基本长期处于比较潮湿的环境中，处于这些环境，菱镁类通风管道必须具备良好的耐水性能，表3列出了未进行抗水改性的普通菱镁制品的耐水性实验结果：
 
由试验结果可以看出，未进行抗水改性的菱镁制品在水中浸泡一个月，强度丧失60%~80%，基本失去使用性能。
表4列出了经过抗水改性的菱镁硬化体浸水半年的耐水性能试验结果。
由表4可以看出，经过改性后，水中浸泡半年其抗折和抗压软化系数基本不降低，多数都有所提高，显示了良好的改性效果。
解决菱镁制品耐水问题主要有三种措施：一方面在制品中添加经筛选的某种憎水剂，使其在硬化后的制品内部的毛细孔壁和孔隙及孔洞内壁表面形成一层憎水薄膜，以尽量减少制品硬化产物遇水的熔蚀。同时这些添加剂还应具备对体系有很强的消泡作用，以增加制品密实性，阻止水分向制品内部渗透。第二是添加一些具有一定活性，能进行硬化反应的抗水剂，使其在制品内部自身进行硬化反应或参与菱镁组分的硬化反应，产生具有一定强度且耐水的新硬化物相，这样可以保持制品的长期耐水性。第三种措施是在体系中添加某些外加剂，改变菱镁硬化物相的结晶状态，使结晶体本身和结晶体之间的相互结构更加细小、致密，晶体间相互粘连牢固。增加了制品的抗水性能，如磷酸及其盐类就是国内外使用较普遍的一类。但这类产品品种甚多，并非每一种都能普遍达到上述目的，一定作认真试验筛选。
改性菱镁硬化体试件在更换的淡水中浸泡10年，表面不起砂、不粉化，硬度不但不降低，反而有所增长。复合式改性菱镁通风管道就是用这种改性良好的菱镁水泥作胶结料而制成的，由此保证了制品具有良好的物理、力学及耐久性能。
 
5 复合式改性菱镁通风管道断面结构的设计
复合式改性菱镁通风管道在使用过程中夏天通冷风冬天通热风。根据使用环境的湿度要求有时还要在管道内加湿，因此管道内经常处于潮湿状态。而管道外部则不同，由此就造成了管道内部形成了一种有别于外界的小气候。根据这一特点在复合式改性菱镁通风管道的断面结构上就设计成内层和外层性能不同的两种结构层。
制作内层的改性菱镁胶结料配方设计的特别耐水，强度高韧性好，体积稳定性好不易变形。用于内层的玻璃纤维布一定保证在风管长期使用中的抗腐蚀性。
风管的外层除具有良好的使用性能外还应具有良好的外观性能，根据用户的不同要求可以制做成不同色彩的产品。在外层改性菱镁胶结料的配方设计上要特别注意不能吸潮返卤，不能泛霜，要具有足够的强度和韧性，防止在运输安装和使用过程中因碰撞损坏管体。
复合式改性菱镁通风管成型时，在内层成型完毕后紧接着在内层上表面敷设外层，因内层和外层胶结料都属改性菱镁胶结料同类材料。所以两层粘接特别牢固，不会出现分层现象。
用户若对复合式改性菱镁通风管道还有保温要求时，可以制做保温型管道，具体做法是在内层和外层之间加一层保温层。保温层的做法是加一层聚苯乙烯泡沫板，也或加一层玻璃棉板或矿棉板。
经过几年的生产和应用实践证明，复合式改性菱镁通风管道的断面结构是合理的，应用效果良好。关于解决复合式改性菱镁空调通风管道的易吸潮返卤问题，因已有专文，不再赘述。
 
6 结语
6.1 复合式改性菱镁通风管道近两年通过在北京等几个大城市几十个大工程上的应用，皆取得良好效果，实践证明这项专利技术是比较成功的。
6.2 本文对菱镁制品的易变形及耐水性差的问题进行了探讨并提出了相应的解决措施。
6.3 脆性大和易脆化是困扰玻璃纤维增强菱镁制品的主要技术难题之一，通过对菱镁胶结料进行增韧改性并选用不易被腐蚀的中碱或耐碱玻璃纤维布作为增强材料，使复合式改性菱镁通风管道避免了脆性大和易脆化的弊病。
6.4 复合式改性菱镁通风管道采用复合工艺制作，使产品具有薄壁、高强、高韧性、外形美观等优点。经应用实践证明这种新结构新复合工艺是成功的，本项新技术的实践，使无机玻璃钢通风管道产生了更新换代。
 
摘  要：介绍一种空调风管设计的新方法－T方法，它考虑了管路的安装成本及运行成本，能够得到唯一的优化计算结果，并通过传统的风管模拟方法可对实际的运行情况进行模拟分析。
主题词：T方法 风管模拟 水力特性 风管成本
 
暖通设计中如何确定各风管的尺寸、计算系统总压降并选择适当的风机来达到各支管所需的风量是一件非常重要的事情。在众多风管尺寸设计法中，常见的有以下数种：等摩阻法、速度递减法、静压复得法（Static Regain Method）、平衡全压法（Pressure Balance Method）。国内的暖通设计师通常按已定的风量及选定的风速来求出截面积，并按国内的风管系列来选择，可以说具有较大的任意性。静压复得法在VAV系统中用的较多，而本文要介绍的由Tsal等于1988年首次提出全名称做最佳化T的方法（T-Method）。采用这种方法所得的送风管路理论上是最节省能源及风管安装成本的。它是ASHRAE在1993年的Fundamentals Handbook中鼎力推荐的方法， 国内目前的大楼HVAC系统设计还没见这方面报道，有关的编程资料也很少，故在此对它的原理及应用做一简介，以期能抛砖引玉。
 
1 T方法原理简介
大部分传统的设计方法无法顾及系统水力平衡，需要在设计完成后在风管加上风阀，借助调整风阀来达到所需风量。以能源的观点来看这是一种浪费，同时会产生额外的噪音问题。最佳的风管设计应该是尽可能减少使用阀门，完全靠风管尺寸的变化来控制压降与风量。T方法的特点之一就是在设计时同时考虑了压力平衡，设计完成后系统内各风管的压力均自动平衡，不需再使用额外的风阀。T方法的另一特点是引进了成本参量，通过最小化能源成本与安装成本，T方法可达成最佳（最省钱）的风管设计。
 
1.1 基本原理
首先由下式考虑的送风管路成本，即
E=Ep（PW EF）+Es                       （1）
式中：E——送风管路总成本，包含初始安装成本与操作成本；
Ep——年度能源成本（电费）；
PW EF——现值调整因子，与年利率、设备摊还年限、通货膨涨率等因素有关；
Es——初始安装成本。
能源成本可由下式决定：
                    （2）
式中：Pt——风机全压；
Qf ——风机风量；
——马达效率；
——风机全压效率；
——每单位能量电路系统安装费用；
——每单位能量单位时间电力成本；
T ——用电时间。
初始安装成本则为：
                          （3）
式中： ——每单位风管表面积所需成本；
D ——风管直径；
L ——风管长度；
风管直径D与风管压降有如下关系：
                    （4）
式中： ——空气流经长度L 的风管的全压损失；
——阻力系数；
L ——风管长度；
——动压损失系数；
V ——风管内风速；
D ——风管直径；
——空气密度；
g ——重力加速度；
风速可由风量Q，直径D导出。
                             （5）
将式（2）～（5）代入式（1）中可看出送风管路总成本E是个比较复杂的函数，重要的变量包括 与D。T方法的原理就是选择适当的 与D，将E最小化，如此即可得到最佳的管路。把式（5）代入式（4），可得到下式：
                        （6）
将式（6）代入式（3）中
                       （7）
                        （8）
                                （9）
式（1）因此可写成
                      （10）
其中
                （11）
现在考虑如图1的由两个串联的区段（Section）所组成的管路系统。区段的定义为当风管的形状、风速或风量有所改变时，即为一新区段，区段与区段间为节点（Node），任何风管系统均可化成许多并联区段、串联区段与节点的组合。图1 是只有两个串联区段的简单系统，系统的总压降为两区段各压降的和。
图1 串联管段简化等效图
则管路的成本为
      （12）
将上式对 1， 2做偏微分，令微分值为零，即可解出最小化E所需的$P1与$P2。故可求得最佳的 1与 2为： 
                      （13）
                     （14）
管段1与管段（2）的初始成本如下：
   （15） 
考虑一虚拟的区段（1～2），如图1，此区段的风量、压降与成本均与原来的系统相同，亦即： ， ， 
由式（15）可看出虚拟区段（1～2）的K值应为
                    （16）
K值可视为代表风管特性的一个参数。也就是说，原先两个区段串联的系统可由一K值如式（16）的虚拟区段来替代，这个虚拟区段的水力特性，包括风量、压降与阻抗与原先两个串联区段的结果完全相同。
再考虑两个并联的区段如图2，模拟区段（1～2）须符合以下条件： ， ， 
由初始成本参数，很容易得到结果：
                            （18）
图2　并联管段简化等效图
 
现在考虑如图3形成T型的三个区段，区段1与区段2视为并联，虚拟区段（1～2）再与区段3串联，很容易可以得证：
                    （19）
图3　三通管段简化等效图
 
1.2 计算过程
T方法的基本计算过程包含三在步骤。
（1）用式（16），（18）与（19）将系统逐步等效简化成一个单一的虚拟区段。
（2）选择最佳风机全压（可从微分方程式（10）得到，变量为 ，注意此时由于只有一个区段，故 。
（3）将虚拟区段逐步展开成原来的系统，展开时系统全压依照式（13），（14）与（17）分配到各区段。求出 后，即可依方程（6）决定风管尺寸。
由于D与风速V有关式（5），风速又影响压降 ，故需要迭代过程来求取收敛解。每次迭代均重复上述的步骤进行，迭代的过程中， K值，摩擦系数K，动摩擦损失系数N等都会变动，须要重新计算。一般而言，T方法的收敛相当快，通常三次迭代已足以求出准确的收敛解。
 
2　采用管路模拟方法校算
上一节所介绍的是在风量需求已知的情况下，如何设计一套管路系统来达到所需风量的方法。但常常有一种反面的情形，即风管系统已经存在或经过修改，我们希望知道此时开启风机后各支管的风量将会是多少。例如一变风量系统（VAV）中，建物内某些房间的变风量BOX关小了，此时整个风管系统的风量将会是多少，其它的BOX风量将如何变化，是否仍符合需求?诸如此类的问题需要一个管路模拟计算风量的方法来解决，传统的通风管路设计原理也可应用于此类管路模拟，可以很方便地计算风量。
将式（5）代人式（4），原式可改写成，
                         （20）
                          （21）
式中： 
如果将 类比于电压，则 可视为导电系数（即电阻的倒数）。注意， 与方程（9）所定义的K并不相同。
考虑图1的情形，虚拟区段（122）与原区段存在以下关系：
                               （22）
                                  （23）
                               （24）
将式（20）代入式（23）再利用式（22）可得：
                            （25）
上式的物理意义表示串联的2区段可浓缩成一单一区段，新区段的特性系数 如力程式（24）所示，则新区段与原有区段将会有相同的水力特性包含相同的阻抗，相同的压降，相同的流量等等。
图2的并联区段与虚拟等效简化区段关系如下：
                             （25）
                           （26）
                           （27）
T型三通段的特性系数为：
                   （28）
式中：t——三管段的整体特性系数。
将整个送风系统依上述方法浓缩成一个单一虚拟区段，具有特性系数 ，则依照式（21），系统风量与风压的关系为：
                                    （29）
上式即为系统的阻抗特性曲线，为一通过原点的抛物线，它与风机性能曲线的交点即为系数的操作点如图4。
决定了系统的总风量与总压力的后，再将单一虚拟区段逐步展开成原系统，过程中依照下式将风量与风压分配至各分支管。
图4　风机工作点
串联管段中：
                     （30）
并联管段中：
，         （31）
上述等效简化→操作点选择→展开的步骤为模拟法的基本计算过程，与第三节的风管最优化计算一样，此处也需要迭代，通过编程较方便解决。
 
3 应用情况
（1）国外目前已有利用T方法编写的管路设计软件出售，以T方法所设计的最佳风管比传统方法的风管可节省成本12%以上，Tsal等人以全美15个城市地区的电费及风管材料来估算，发现平均可节省成本18%。
（2）T方法最大的缺点是对于成本的估算完全以简单的数学模式来表示，有时可能过于简化而无法精确地预估成本。例如以Sd每单位表面积的风管成本来代表风管的材料及安装成本，对不同形式的肘管、分支管等等均不予考虑。而对未来电量成本的估算也过于简略和线性化。送风管路总成本的计算因为与具体的风管材料，型式，保温情况及年利率、设备摊还年限等因素有关，为了能够统一，应由有关部门制定统一的手册，便于参考。
（3）它可以正确地设计出一套全压平衡系统，大部分时候仅须更改风管尺寸就能控制所需的全压，不需要使用额外的风阀来平衡，对于节能来说，这是相当有利的，但这会导致有些小管段的管径过小而使得风速过高，会引起噪音问题，即应当在原管路设计方法中加入相应的风速，摩阻的约束条件；T方法中采用的是圆管，设计工程中由于建筑条件的限制，一般都为方管，这可以通过当量直径来换算，但局部阻力系统的情况就有些变化——方管与圆管下的情形有较大的差异；编程中有个难点是如何将离散的局部阻力系数表应用到T 方法的方程中。因为对于一些诸如三通之类的局部阻力构件，各区段的风量调整后（迭代运算的需要），其各区段的阻力系数也是改变的，需再次查表，而且现有的国内的风系统局部阻力系数表不太全面，查表不够方便对于T方法编程是个障碍（对传统的方法而言也是暖通设计中较少有详细风管水力计算的原因之一），所以建议有关部门急需加编局部阻力系数手册及相关的数据库。
（4） 使用传统的风管设计法来设计时，同一套系统由不同设计者设计往往会有不同结果， 设计结果有一部分必须仰赖设计者的经验；但T方法是一套严谨的数学方法， 所得结果将是唯一的，不会因人而异，风管的设计中的人为因素减少了。但一般为便于加工和概预算，风管尺寸是有一定系列的，近年来这一要求已放宽，但也基本是整数。所以对T 方法的计算结果可取其前后两个整数，再将这两个值进行核算，取最优的值作为结果。
 
4 结论
（1）风管设计方法T方法是一套比较严谨的数学方法，它综合考虑了风管系统的安装成本和运行成本，和管路的平衡，理论上求出的是最优化的风管，不需风阀且比传统方法的风管可节省成本。
（2）由于节省成本及节能，T方法对于国内应用而言，具有很大的前景，但在一些具体的价格参量及局部阻力系数数据库还有一些前期的工作要做。