аспирант с 01.01.2017 по 01.01.2019
Тюменский индустриальный университет (кафедра "теплогазоснабжения и вентиляции", Аспирант)
аспирант с 01.01.2017 по настоящее время
Тюмень, Тюменская область, Россия
ГРНТИ 67.53 Инженерное обеспечение объектов строительства
ОКСО 08.02.07 Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции
ББК 313 Теплоэнергетика. Теплотехника
ТБК 5434 Вентиляция. Кондиционирование воздуха
Основная проблема, выделенная в статье – отклонение параметров микроклимата от нормативных значений в виду неправильной организация воздушных потоков в жилых комнатах многоквартирных домов, а также затраты тепла на подогрев приточного воздуха. Цель работы: получение рабочей математической модели работы системы естественной вентиляции, и её изучение на предмет оптимизации или модернизации. Проведён анализ нормативной литера-туры, научных трудов отечественных и зарубежных учёных, наработок в области естествен-ной вентиляции и вентиляции жилых зданий в целом, описывающих или упоминающих данную проблематику. Представлена и проанализирована математическая модель воздухообмена жилой комнаты с учетом конвекции. В качестве граничных условий при создании математической модели были заданы расход и температуры воздуха, температура на поверхности отопительного прибора. Выявлены особенности и закономерности распределения воздушных потоков в помещении, полученные в результате математического моделирования. Приведены распределения скорости движения воздуха в объеме помещения. Обозначены сложности организации эффективного естественного притока воздуха и проблемы, связанные с конструкцией клапанов инфильтрации. Предложены технические решения, направленные на повышение качества микроклимата в помещении и энергосбережение.
математическое моделирование, аэродинамика, естественная вентиляция, жилые здания
Введение. Проблемы, связанные с работой систем вентиляции, появились по мере уменьшения воздухопроницаемости наружных ограждающих конструкций. Герметичность жилых домов существенно возросла с появлением технологий, позволяющих, производить «теплые», простые в эксплуатации и дешевые пластиковые окна [1]. Окна с деревянными рамами имели сравнительно низкие теплозащитные характеристики, но в тоже время термическое и гигроскопическое расширение, что позволяло не предусматривать какого-либо организованного притока воздуха в жилое помещение. Эта смена технологий в области создания светопрозрачных конструкций привела к появлению проблем с накоплением влаги, поскольку системы естественной вытяжной вентиляции не могут работать без притока воздуха [2, 3].
В качестве решения проблемы герметичности была предложена система вентиляции с приточными клапанами инфильтрации воздуха и контролируемыми вручную вытяжными вентиляторами в санузлах и кухнях. Такая система справляется с решением задачи по удалению избытков лаги и имеет некоторую энергоэффективность, в сравнении с более простыми системами [4]. Однако, вопрос затрат тепловой энергии на подогрев приточного воздуха остается актуальным [5, 6].
Цель работы – получение рабочей математической модели работы системы естественной вентиляции, и её изучение на предмет оптимизации или модернизации. В качестве объекта исследования предлагается трехмерная модель скоростей и температур воздушных потоков в пространстве жилой комнаты с отопительным прибором, заданным притоком через подоконный клапан и удалением через дверной проем (рис. 1).
Задачи:
- смоделировать распределение скоростей и температур в пространстве;
- проанализировать распределение приточного воздуха в помещении с учетом конвективного движения в районе отопительного прибора;
- оценить возможность сокращения расхода приточного воздуха.
Исходные данные.
Габаритные размеры помещения axbxh: 3,5×4,0×2,8 м.
Величина расхода воздуха определялась по нормативному расходу для спальных, общих комнат (или гостиных), детских комнат при общей площади квартиры на одного человека менее 20 м2 в размере 3 м3/ч на 1 м2 площади помещения в соответствии с требованиями СП 54.13330.2016 и является наибольшим среди нормативных расходов развитых стран [7]. Из этого условия расход воздуха составляет 42 м3/ч.
Габаритные приточного устройства axh: 0,5×0,06 м.
Температура на поверхности отопительного прибора 60 °С;
Температура приточного воздуха -10 °С (осредненная температура за отопительный период в регионах западной Сибири, является определяющей при расчете затрат тепла на подогрев приточного воздуха).
Решаемая задача рассматривается в стационарной постановке.
Характеристики разбивочной сетки (рис. 1):
минимальный шаг разбивки модели –
0,001 м;
максимальный шаг разбивки модели –
0,13 м;
количество узлов – 1160744 шт;
количество элементов – 1039844 шт.
|
Рис. 1. Общий вид 3D-модели помещения |
Рис. 2. Плотность шага разбивки геометрии |
Описание модели. Математическая модель естественной вентиляции необходима для симуляции испытаний и дальнейшего анализа работы выбранной системы. В гидрогазодинамике модель движения воздуха описывается системой уравнений Навье–Стокса, конвекция описывается приближением Буссинеска. В ANSYS Fluent в ходе моделирования процесса в качестве решателя системы уравнений используется модель Спаларта-Аллмараса (SA модель), так как является подходящей для выбранного качества сетки и низким скоростям течения воздуха в помещении [8, 9].
Результаты моделирования. По окончанию симуляции работы системы вентиляции были получены распределения скоростей и температур в помещении (рис. 3-5)
Распределения скоростей в продольном сечении (рис. 3):
наибольшая скорость движения воздуха наблюдается вдоль наружной стены ~0.8–0.9 м/с;
вдоль плоскости потолка на высоте от 1,5 до 2,5 м ~0.1 м/с;
вдоль плоскости пола на высоте до 0,2 м ~0.1 – 0.2 м/с;
в обслуживаемой зоне помещения скорость движения воздуха, ниже 1,5 м от пола ≥0,08.
Распределения скоростей в горизонтальной плоскости (рис. 4), в границах обслуживаемой зоны имеют скорости, соответствующие продольным сечениям помещения. В углах и зонах около стен скорость минимальна.
На границе обслуживаемой зоны (0,5 м от стены) у наружной стены (рис. 4) скорость движения воздуха ~0.08–0.15 м/с.
Полученные результаты распределения температур свидетельствуют об отсутствии в обслуживаемой зоне областей пониженных температур. Распределение скорости в объеме помещения говорит о низкой эффективности проветривания, обслуживаемая зона помещения является застойной. Таким образом описанная схема вентиляции отвечает регламентируемым требованиям ГОСТ Р. 30494-2011 и СанПиН 2.1.2.2645-10, которые не затрагивают вопросы организации потоков воздуха и энергосбережения [10, 11], является рабочей и приемлемой, но низкоэффективной.
Также невозможно полностью исключить инфильтрацию от приточного клапана, требующего отверстие в ограждающей конструкции, и естественную тягу в холодный период года, за счет разности плотностей наружного и внутреннего воздуха [12].
Рис. 3. Распределение скоростей в сечении через центр помещения от приточного клапана до двери
Рис. 4. Распределение скоростей на высоте 1,2 м от пола
Рис. 5. Распределение температур в сечении через центр помещения от приточного клапана до двери
В случае неконтролируемой инфильтрации в холодный период даже при авторегулировании по показателям относительно влажности воздуха, невозможно поддерживать ее минимальное значение, так как при отключенной системе и закрытой створке клапана не прекращается полностью инфильтрация, и наружный холодный воздух с низким влагосодержанием осушает внутренний, что приводит к множеству негативных последствий: повышенный расход тепловой энергии, появление пыли, ухудшение самочувствия и т.д. [13, 14].
Естественный приток воздуха через клапан инфильтрации не гарантирует комфортных гигиенических условий во всем объеме помещения или в какой-то конкретной его зоне, в виду отсутствия организованного распределения воздуха [15].
При работе в теплый период года потребность в устройстве естественного притока отпадает, однако, потребление электрической энергии вытяжным вентилятором остается, так как в теплый период года естественная вытяжная вентиляции способна работать только при условии устройства дефлектора на оголовке вытяжной шахты и наличии достаточной скорости ветра [16].
Из существующих способов притока воздуха наиболее перспективным и эффективным с точки зрения распределения воздушного потока в помещении является использование механической децентрализованной системы по типу «бризер», за счет возможности создать и направить в обслуживаемую зону струю воздуха, также они требуют меньшего отверстия в конструкции стены [17]. Применение же щелевых оконных клапанов хоть и может позволить сформировать направленную струю воздуха, однако является энергозатратным мероприятием, так как нарушает профиль оконной рамы с изолированными воздушными камерами, что приводит к теплопотерям [18].
Применение «бризеров» может стать более эффективной альтернативой приточных клапанов при работоспособной системе естественной вытяжной вентиляции в теплый период, при такой схеме потребление электрической энергии в теплый период на работу системы вентиляции будет нулевой, в отличии от механической вытяжки и естественного притока, где вентилятор должен работать круглогодично. В географиях с регулярными ветрами, актуально применение дефлекторов. В безветренных регионах следует рассмотреть возможность применения солнечного вытяжного воздуховода (solar chimney), который создает тягу за счет нагрева стенок трубы от теплового солнечного излучения [19].
Выводы. По результатам математического моделирования и анализам распределения скоростей и температуры можно сделать следующие выводы:
- воздухообмен, организованный описанным образом, позволяет удовлетворить требованиям нормативной литературы, но нарушенная герметичность наружного ограждения приводит к перерасходу тепловой энергии на подогрев инфильтрующегося воздуха на периоды времени, когда постояльцы отсутствуют в помещении и приток не требуется;
- низкая эффективность проветривания приводит к образованию застойных зон в помещении, способствует осушке воздуха, и, как следствие, появлению пыли, ухудшение самочувствия и т.д;
- оптимальной схемой для достижения целей энергоэффективности и сменяемости воздуха будет являться механический приток и естественная вытяжка.
1. Лебедев И.Ю., Чамчиян Ю.Е. Влияние окон повышенной герметичности на микроклимат помещений // Энергетика, экология, химия: сборник статей. 2018. С. 206-211.
2. Пензин В.Э., Спиридонова Е.В. Использование клапанов инфильтрации воздуха для проветривания помещений // Актуальные проблемы и перспективы развития строительства, теплогазоснабжения и энергообеспечения. 2018. С. 224-226.
3. Береговой А.М., Дерина М.А. Наружные ограждающие конструкции в системе воздухообмена жилого многоэтажного здания // Современные проблемы науки и образования. 2015. №. 1-1. С. 24-24.
4. Каминская В.А., Перцев А.Н. Разновидности, технические особенности и условия эксплуатации приточных устройств // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2018. № 4. С. 102-109.
5. Грахов В.П., Мохначев С.А., Егорова В.Г. Эффективность энергосберегающих мероприятий в жилищном строительстве // Современные проблемы науки и образования. 2015. №. 2. С. 273-273.
6. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Перспективы повышения энергетической эффективности жилых зданий в России // Вестник МГСУ. 2011. №. 3-1. С. 192-200.
7. Ливчак В.И. Исходные данные для расчета годового теплопотребления зданий в России // АВОК. 2015. № 5. С. 66-70.
8. Левченя А.М., Кириллов А.И., Смирнов Е. М. Численное моделирование отрывного течения в кольцевом осерадиальном диффузоре // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2017. № 4. С. 172-180.
9. Spalart P., Allmaras S. A one-equation turbulence model for aerodynamic flows. 30th aerospace sciences meeting and exhibit. Seattle, 1992. 439 p.
10. Костуганов А.Б., Вытчиков Ю.С. Качество воздуха помещений гражданских зданий: состояние проблемы и пути решения // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии: сборник статей. 2016. С. 309-313.
11. Аверкин А.Г., Иващенко Н.Ю. К вопросу совершенствования системы естественной вентиляции в жилых зданиях // Образование и наука в современном мире. Инновации. 2018. № 1. С. 164-172.
12. Симбирев О.В., Жилина Т.С. Анализ процессов движения воздуха и его параметров в системах естественной вентиляции при помощи математического моделирования // Вестник ИШ ДВФУ. 2018. № 3. С. 112-117.
13. Guidelines for ventilation requirements in buildings. Bruxelles: Commission of European Communities. Luxembourg, 1992. 44 p.
14. Лобанов Д.В., Шичкин В.В. Учет комплекса параметров при оценке состояния микроклимата в помещении // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2017. № 4. С. 70-75.
15. Vardoulakis S. et al. Impact of climate change on the domestic indoor environment and associated health risks in the UK. Environment International. 2015. Pp. 299-313.
16. Montazeri H., Azizian R. Experimental study on natural ventilation performance of one-sided wind catcher. Building and Environment. 2008. № 12. Pp. 2193-2202.
17. Бодров М.В., Кузин В.Ю., Морозов М.С. Шаповал А.Ф. Обоснование границ применения естественных систем вентиляции многоквартирных жилых домов для Нижегородской области // Приволжский научный журнал. 2016. № 1. С. 65-71.
18. Бодров М.В., Кузин В. Ю., Морозов М.С. Влияние выбора оконных блоков на показатели энергетической эффективности теплового контура и воздушный режим малоэтажных жилых зданий // Жилищное строительство. 2017. № 6. С. 24-26.
19. Barbolini F., Cappellacci P., Guardigli L. A design strategy to reach nZEB standards integrating energy efficiency measures and passive energy use. Energy Procedia. 2017. Pp. 205-214.
