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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 1

Air Distribution Flow Analysis

• Design velocities
• Fan inlets / outlets
• Leakage
• Duct sizing / design methods

– Equal friction
– Static regain
– T-method

• Duct systems design

– Total pressure 
– Static pressure 

REFERENCE:
20001 ASHRAE Fundamentals Handbook, 

Chapter 34

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 2

Design Velocities

• Air velocity rates

– Low velocity  Larger unit size for higher 

cost, too big

– High velocity  Smaller unit size, but larger 

pressure loss

• Typical design velocities for P, noise: 

Ducts:

Components:

Air Flow 
(cfm)

Air Velocity 
(ft/min)

> 20,000
2,000 – 
20,000
500 – 2,000
<500

Air Flow (cfm) Air 

Velocity 
(ft/min)

Intake Louvers
Exhaust 
Louvers
Filters
Heating Coils
Cooling Coils

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 3

Airflow 

S

ta

ti

c

 

P

re

ss

u

re

 

Design system 
pressure drop

Fan Inlets, Outlets

• Poor fan performance can be caused by:

– Error in estimated system resistance
– Poor fan inlet and/or outlet connections

• Common fan inlet or outlet connection design 

problems 

– Non-uniform or swirl in flow at fan inlet
– Outlet duct flow directions changes or splits too 

close to fan

• Non-optimum fan inlet and outlet connections 

add another net flow loss

Actual system 
pressure drop

Flow Deficiency

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 4

Fan Outlet Design

• Effective duct length after fan discharge to give 

flow stabilization (recovery)

• Sometimes system design dictates elbow, etc. 

before complete recovery
 system loss coefficients from ASHRAE 

Fundamentals Handbook for these fittings

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 5

Fan Outlet Effective Length

Centrifugal

Axial

Inlet 
collar

Blast area

100% Effective 
Length

Velocity Profiles

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 6

Fan Inlet Design

• Non-uniform flow at inlet most common 

reason for fan performance not being that 
which was expected

– Example: Elbow near inlet which 

introduces turbulence, spin and/or 
uneven flow into fan inlet

• Ideal condition:

–   

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 7

Duct Leakage

• All duct systems will leak!

• Duct leakage classifications in ASHRAE 

handbook (or SMACNA Air Duct Leakage 
Test Manual
)

• Example unsealed seam leakage rates

Duct P < P ambient

Leakage Into Duct

Duct P > P ambient

Leakage Out of  Duct

Type of 
Duct

Average Leakage 
(cfm/ft)

Rectangular
Round

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 8

Duct Design/Sizing Methods

Equal Friction Method
• Ducts are sized to provide ~ the same pressure 

loss per unit length of duct

• Simple method:

– Perform initial sizing and P calculations
– Resize ducts as needed to provide ‘uniform’ 

pressure loss characteristics

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 9

Duct Design/Sizing Methods

Static Regain Method
• Objective is to provide the same static pressure 

at a diverging flow junction (tee) by adjusting 
the downstream duct sizes

• For the same flow rate

Increase duct size:
 

 Lower velocity Higher

Decrease duct size:
 

 Higher velocity Lower

WHY DOES THIS HAPPEN?

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 10

Duct Design/Sizing Methods (Cont’d)

Static Regain Method (Cont’d)
Example:

Objective: Find duct size such that P

1

= P

2

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 11

Duct System Design Procedure

1. Based on system flow requirements, building or 

structure layout, etc.; arrange duct system inlets and 
outlets to provide proper airflow and distribution

2. Set outlet sizes from manufacturer’s data or exhaust 

design considerations

3. Sketch the duct system, connections, supply outlets, 

return or suction inlets, etc. with the fan or central air 
handling station.

4. Divide into sections and number each
5. Size each section based on equal friction or static 

regain methods; size fan

6. Layout detailed duct system.  Resize fan if necessary 

based on final system design

7. Resize duct sections to balance pressures or address 

other design issues (i.e. noise levels)

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Tom Lawrence
University of Georgia

Duct systems II - # 12

Branched Duct Systems

Simple example:

Equal pressure loss from point ‘2’ to points 3 

through 6

• If flow is ‘known’ by requirements, then 

determine duct sizes to match

• If duct sizes are known, find resulting flow rates 

for each individual branch


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