В процессе эксплуатации вентиляционного оборудования и систем кондиционирования разработчики сталкиваются с проблемами распределения воздушных потоков, которые оказывают негативное воздействие на функционирование конкретной инженерной системы. Не до конца проработанные проекты в первую очередь являются причиной экономической нецелесообразности использования инженерных систем в здании.
Важным является тот факт, что в инженерной практике отсутствуют универсальные методики калькуляции потоков воздушной массы в помещении. На процесс распределения воздуха влияют установленные скоростной и температурный режим, от которых, в свою очередь, зависят естественные или вынужденные конвективные течения. Вместе с тем использование методик ориентировочного расчета является ограниченным и может быть актуально в индивидуальных случаях.
Данная статья позволяет решить задачу организации системы распределения и обмена воздушными потоками, отличающейся высокой эффективностью. В качестве примера взят расположенный в спортивном интернате борцовский зал, вместительность которого составляет 0,5 тысячи зрителей.
Целевые установки
Площадь универсального спортивного помещения составляет 2,28 тысячи квадратных метров. В спортивном зале можно проводить как соревнования, так и тренировочные мероприятия. На его территории находится один бойцовский ринг и два мата (в центре помещения) для состязаний по борьбе. В боковых частях помещения расположены зрительские трибуны.
Схема спортивного зала
Распределение воздушных потоков на данном объекте может выполняться по двум сценариям.
Первый из них предусматривает нагнетание воздушной массы посредством сопел АР600, которые предусмотрены в воздуховодах с переменным сечением (1,5 х 0,8 метра и 0,4 х 0,6 метра). Местом размещения сопел являются боковые стены. Противоположно расположенные воздуховоды имеют сопла, которые находятся друг к другу по принципу шахматной доски. При этом сопла приподняты вверх на двадцать градусов. Их суммарное количество составляет сорок единиц. Транспортируемая воздушная масса расходуется в объеме 40,82 тысячи кубических метров в час. Для подбора сопел использовался нормативный расход компании-изготовителя. Также учитывалась длина образования плотного воздушного потока, который впоследствии оказывается в рабочей зоне. На завершающей стадии воздушная масса перемещается в центр помещения, после чего высвобождается наружу через потолочные отверстия.
Первый сценарий распределения воздуха
Альтернативный сценарий предполагает транспортировку воздушной массы через элементы-распределители арочного типа ВГК[7], местом установки которых является горизонтальный воздуховод с постоянным сечением (1,5 х 0,75 метра), в свою очередь расположенный в осевой части помещения на расстоянии более 21 метра. Подача воздушной массы осуществляется с двух сторон, в результате чего ее общий расход составляет 40,82 тысячи кубических метров в час. При этом удаляемый воздух направляется в сторону подпотолочных каналов.
Альтернативный сценарий распределения воздуха
Исследовательская методика
В данном случае микроклиматические параметры спортивного помещения анализировались с помощью методов создания математических моделей, в основу которых заложены универсальные законы сохранения (уравнения Навье-Стокса). По данным методикам разрабатывались две схемы распределения воздушной массы. Использование вышеуказанных уравнений дает возможность распределять микроклиматические параметры на любых строительных объектах. Их аналитическое решение не представляется возможным по причине нелинейности дифференциальных уравнений массовой и тепловой транспортировки. При этом для их решения используется численное моделирование, которое зачастую применяют в промышленности.
Данное исследование проводилось с использованием гидродинамического пакета STAR-CCM+, который позволял решать уравнения Навье-Стокса и успешно применялся в более ранних исследованиях.
Моделирование воздушных потоков проходило с использованием подхода RANS, позволяющего с учетом оптимальных вычислительных расходов (приблизительно восемьдесят часов, в течение которых было обработано порядка девяти миллионов ячеек) получать результаты, которые по точности могут применяться в решении любых технических задач, связанных с вентиляционными системами и системами кондиционирования воздуха.
Полученные результаты
Сценарий распределения воздушных потоков №1
На основании формируемых в зоне активности скоростных и температурных полей можно сделать вывод, что расход воздушной массы на уровне 40,82 тысячи кубических метров в час способствует полной ассимиляции теплового выделения на спортивной площадке. Отметим, что в данном случае формируются допустимые температурные и скоростные поля.
Распределение скоростей воздушных потоков (1,5 м над уровнем пола)
Распределение температур воздушных потоков (1,5 м над уровнем пола)
Распределение температур воздушных потоков в вертикальных сечениях
Нормативную транспортировку воздуха поддерживает качественный анализ, способствующий формированию предельно допустимых параметров воздушной массы.
При этом данная модель является интригующей. Расчетные предположения сводились к одинаковому расходу воздушной массы посредством сопел, равному 1,02 тысячам кубических метров в час. Несмотря на это, с учетом высоких объемов нагнетаемой воздушной массы и площади сопел, равномерное высвобождение воздушной массы посредством каждого сопла представляется маловероятным даже, если оно будет регулироваться в индивидуальном порядке. Также нужно учитывать, что за управлением воздушной массой наблюдает датчик углекислого газа, поэтому ее расход нельзя считать постоянным по причине неравномерного и непостоянного присутствия людей в помещении.
По этой причине требуется применение математического моделирования, которое позволит учитывать потоки внутри воздуховода.
Расход воздуха на каждом из сопел притока
Можно смело говорить, что данный случай отрицает идеализированную модель транспортировки воздушных потоков.
Распределение скоростей воздушных потоков (1,5 м над уровнем пола)
Распределение температур воздушных потоков (1,5 м над уровнем пола)
Проанализировав результаты созданной математической модели транспортировки воздушных потоков, можно определить следующие фактические показатели:
- скорость перемещения воздушной массы в рабочей зоне составила 0,2-0,4 метра в секунду с повышением скорости в некоторых местах до уровня 0,5-0,6 метра в секунду;
- температура воздушной массы в условиях идеального коэффициента вместимости и максимальной фактической температуры уличного воздуха составила не более 26,5 градуса Цельсия;
- происходит смешивание уличной и внутренней воздушных масс, в результате чего для рабочей зоны характерна повышенная температура и концентрация углекислого газа;
- неравномерное распределение воздушной массы через сопельные отверстия, подтверждаемое недостаточной подачей воздуха в центральную зону вывода.
Распределение температур воздушных потоков в вертикальных сечениях
Изоповерхности по скорости воздушных потоков 0,6 м/с
Распределение CO2 в вертикальных сечениях
Распределение CO2 (1,5 м над уровнем пола)
Сценарий распределения воздушных потоков №2
Подача воздушной массы посредством элементов арочного типа способна изменить скорость, температуру и концентрацию воздушного потока в сравнении с сопельным воздухораспределением.
Распределение скоростей воздушных потоков (1,5 м над уровнем пола)
Распределение температур воздушных потоков (1,5 м над уровнем пола)
Распределение температур воздушных потоков в вертикальных сечениях
Распределение скоростей воздушных потоков
Распределение CO2 в вертикальных сечениях
Распределение CO2 (1,5 м над уровнем пола)
Анализируя результаты математической модели перемещения воздушной массы посредством арочных элементов, можно прийти к следующим показателям:
- скорость перемещения воздушного потока в рабочем пространстве составила 0,2-0,4 метра в секунду по всему периметру помещения, за исключением его центральной зоны, где данный показатель составил 0,7 метра в секунду;
- в условиях самой жаркой летней погоды температура воздушной массы не превысила 26 градусов по Цельсию (учитывая максимальный коэффициент вместимости);
- процесс смешивания воздушных потоков не был обнаружен;
- наибольший объем воздушной массы подается в центральную часть элементов арочного типа, что является проблемой воздухораспределения, которая решается изменением числа таких элементов в воздуховоде;
- уменьшенный объем образования углекислого газа по сравнению с первым вариантом;
- влажностные воздушные параметры ограничены 55 процентами.
Подведение итогов
Если отбросить факт повышенной скорости движения воздушной массы в центральной зоне помещения, который решается инженерным вмешательством, использование элементов арочного типа можно считать более эффективным по сравнению с распределением воздушного потока через сопельные отверстия. В результате помещение эксплуатируется с учетом:
- транспортировки свежего воздушного потока в место расположения участников состязаний;
- дизайнерской привлекательности;
- отсутствия смешивания уличной и внутренней воздушных масс;
- облегченной установки, стартовой наладки и обслуживания вентиляционной системы, проявляемых в неприкосновенности к регулированию функционирования воздухораспределителей.
В завершении подчеркнем, что дополнительные исследования способствуют определению оптимального числа элементов арочного типа, их монтажных позиций и принципа транспортировки воздушной массы (перпендикулярно или параллельно вертикальной оси, или комбинированно) с целью достижения идеального воздухораспределения.
На основе материалов из журнала "АВОК"