風管系統的壓力損失（Pressure Loss），直接決定了風機（Fan/Blower）的選型大小、運轉能耗與噪音水準。壓損計算偏低，風機無法克服系統阻力，末端風量不足；壓損計算偏高，風機過大，不僅增加設備成本，更在全壽命期間浪費電力。ASHRAE Fundamentals Handbook 指出，風管系統壓損計算的典型工程精度約為 ±10%[1]，但前提是設計者正確運用計算方法並選擇適當的參數。本文將從流體力學的基本原理出發，系統解析風管壓損計算的兩大組成——摩擦損失與局部損失——的計算方法與工程實務。若您需要快速估算風管尺寸，也可使用我們的線上風管尺寸計算工具。
一、壓損的基本概念：靜壓、動壓與全壓
在討論風管壓損之前，須先釐清三個基本壓力概念[2]：
- 靜壓（Static Pressure, SP）：作用於風管壁面的壓力，可正可負，單位為 Pa（帕斯卡）。靜壓是驅動空氣通過風管末端出風口的壓力
- 動壓（Velocity Pressure, VP）：由空氣流速產生的壓力，VP = ½ρv²，其中 ρ 為空氣密度（標準條件下約 1.2 kg/m³），v 為風速（m/s）。動壓恆為正值
- 全壓（Total Pressure, TP）：靜壓與動壓之和，TP = SP + VP。根據能量守恆，全壓沿氣流方向只減不增（忽略風機加壓段）
風管系統的壓力損失（壓損）即為全壓的降低量，可分為兩類：沿程摩擦損失與局部損失。
二、摩擦損失（Friction Loss）
摩擦損失是空氣在直管段流動時，因流體與管壁之間的摩擦力所造成的壓力降。其基本計算公式為 Darcy-Weisbach 方程式[1]：
ΔPf = f × (L/Dh) × (ρv²/2)
其中 ΔPf 為摩擦損失（Pa），f 為 Darcy 摩擦係數（無因次），L 為風管長度（m），Dh 為水力直徑（m），ρ 為空氣密度（kg/m³），v 為平均風速（m/s）。
水力直徑的計算
對於圓形風管，水力直徑等於管徑。對於矩形風管，水力直徑的計算公式為：
Dh = 2ab / (a+b)
其中 a 與 b 分別為矩形風管的寬度與高度。ASHRAE 建議矩形風管的長邊與短邊比（Aspect Ratio）不超過 4:1，以控制摩擦損失並維持氣流均勻性[3]。
Colebrook 方程式與摩擦係數
Darcy 摩擦係數 f 取決於雷諾數（Reynolds Number, Re）與風管壁面的相對粗糙度（ε/Dh）。在空調風管常見的紊流條件下（Re > 4,000），f 須由 Colebrook 方程式隱式求解[4]：
1/√f = -2 log₁₀ [ ε/(3.7Dh) + 2.51/(Re√f) ]
常見風管材料的絕對粗糙度 ε 值：
| 風管材料 | 絕對粗糙度 ε (mm) | 備註 |
|---|---|---|
| 鍍鋅鋼板（接合良好） | 0.05–0.10 | 最常見的商用空調風管 |
| 鍍鋅鋼板（接合一般） | 0.15 | ASHRAE 設計用標準值 |
| 玻璃纖維風管板 | 0.9 | 內表面較粗糙 |
| 軟管（可撓風管） | 3.0 | 壓損顯著高於硬質風管 |
| 混凝土風管 | 1.0–3.0 | 地下室回風管道 |
實務上，工程師多使用 ASHRAE 摩擦損失線圖（Friction Chart）查表，無需手算 Colebrook 方程式。該線圖以鍍鋅鋼板風管（ε = 0.09 mm）、標準空氣條件（20°C、101.325 kPa）為基準，輸入風量與風管尺寸即可直接讀取單位長度摩擦損失（Pa/m）[1]。
三、局部損失（Local Loss / Dynamic Loss）
局部損失發生在氣流方向、截面積或流速突然改變之處，如彎頭（Elbow）、三通（Tee）、變徑管（Transition）、風門（Damper）及出風口等。局部損失以損失係數法計算[5]：
ΔPL = C × (ρv²/2) = C × VP
其中 C 為局部損失係數（Loss Coefficient），VP 為該處的動壓。C 值由實驗或 CFD 模擬決定，ASHRAE Fundamentals Handbook Chapter 21 提供了各類管件的 C 值參考數據。
常見管件的損失係數
| 管件類型 | 損失係數 C | 條件 |
|---|---|---|
| 90° 圓形彎頭（R/D=1.5） | 0.15–0.22 | 光滑內壁、標準彎曲半徑 |
| 90° 矩形彎頭（附導流葉片） | 0.15–0.25 | 單層導流葉片 |
| 90° 矩形彎頭（無導流葉片） | 1.0–1.3 | 損失極大，應避免使用 |
| 直通三通（主管） | 0.01–0.35 | 視流量比而定 |
| 分岐三通（支管） | 0.5–1.8 | 視角度與流量比而定 |
| 漸擴管（15° 以內） | 0.05–0.15 | 擴張角度愈小損失愈低 |
| 突擴 | 1.0 | 以小管動壓計 |
上表為概略參考值，精確數據應查閱 ASHRAE Fundamentals Handbook 之 Chapter 21 或管件製造商提供的實測數據[5]。
四、風管系統總壓損計算方法
風管系統的總壓損等於最不利迴路（Index Run，即壓損最大的路徑）上所有直管段摩擦損失與局部損失的總和[6]：
ΔPtotal = Σ(ΔPf,i) + Σ(ΔPL,j)
計算步驟如下：
- 繪製風管系統單線圖：標示各段風管的長度、風量、管件類型與位置
- 決定風管尺寸：以等摩擦損失法（Equal Friction Method）為例，選定每米摩擦損失目標值（一般空調系統常用 0.8–1.2 Pa/m），據此由 ASHRAE 摩擦損失線圖查得各段風管尺寸
- 計算各段摩擦損失：ΔPf = 單位摩擦損失 × 管段長度
- 計算各管件局部損失：查出各管件的 C 值，乘以該處動壓
- 識別最不利迴路：通常為從風機到最遠出風口的路徑
- 加總最不利迴路的壓損：得出系統總壓損，作為風機選型依據
五、工程實務注意事項
- 安全係數：實際工程中，風管壓損計算結果通常加計 10–15% 的安全係數，以涵蓋施工誤差、風管老化及計算模型的不確定性[7]
- 可撓風管的影響：可撓風管（Flexible Duct）的摩擦損失遠高於硬質風管，且與安裝狀態（伸展程度、彎曲半徑）密切相關。ASHRAE 數據顯示，未充分伸展的可撓風管壓損可達同尺寸鍍鋅風管的 5–10 倍
- 風速限制：主風管風速建議控制在 6–10 m/s，支管 3–6 m/s，出風口前段 2–3 m/s。過高的風速不僅增加壓損，更會產生噪音問題
- 送風機外靜壓：風機規格書中的「外靜壓」（External Static Pressure）即為風管系統需要風機克服的總壓損。選型時需確保風機在設計風量下的可用外靜壓大於系統計算壓損
結語
風管壓損計算是空調系統設計中最基礎也最關鍵的工程環節。準確的壓損計算不僅確保末端風量符合設計需求，更直接影響風機選型的經濟性與系統全壽命的運轉能耗。掌握 Darcy-Weisbach 公式、熟悉 ASHRAE 摩擦損失線圖、正確查用局部損失係數，是每位空調工程師的基本功。更完整的風管設計方法論，可參閱我們的空調風管設計完整指南。
