Научная статья на тему 'Проблемы организации воздухораспределения при вытесняющей вентиляции с переменным расходом воздуха на примере зрительного зала театра'

Проблемы организации воздухораспределения при вытесняющей вентиляции с переменным расходом воздуха на примере зрительного зала театра Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
587
107
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЕНТИЛЯЦИЯ С ПЕРЕМЕННЫМ РАСХОДОМ ВОЗДУХА / МОДЕЛИРОВАНИЕ / КАМЕРА СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ / VENTILATION WITH VARIABLE AIR VOLUME / MODELING / PLENUM CHAMBER

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Нагорная Анастасия Николаевна, Морозова Нина Сергеевна

Рассмотрена модель системы вентиляции с переменным расходом воздуха, регулируемая по датчику углекислого газа, использование камеры статического давления для раздачи приточного воздуха на примере зрительного зала театра.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PROBLEMS OF AIR DISTRIBUTION AT DISPLACEMENT VENTILATION AND VARIABLE AIR VOLUME ON THE BASIS OF THE THEATRE HALL

Model of ventilation system with variable air volume controlled with carbon dioxide sensor; and the use of plenum chamber for air supply of theatre hall are considered in the article.

Текст научной работы на тему «Проблемы организации воздухораспределения при вытесняющей вентиляции с переменным расходом воздуха на примере зрительного зала театра»

Краткие сообщения

УДК 697.34

ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИ ВЫТЕСНЯЮЩЕЙ ВЕНТИЛЯЦИИ С ПЕРЕМЕННЫМ РАСХОДОМ ВОЗДУХА НА ПРИМЕРЕ ЗРИТЕЛЬНОГО ЗАЛА ТЕАТРА

А.Н. Нагорная, Н.С. Морозова

Рассмотрена модель системы вентиляции с переменным расходом воздуха, регулируемая по датчику углекислого газа, использование камеры статического давления для раздачи приточного воздуха на примере зрительного зала театра.

Ключевые слова: вентиляция с переменным расходом воздуха, моделирование, камера статического давления.

Одной из самых значительных статей расхода при эксплуатации современных общественных зданий и, в частности, театров являются затраты теплоты на нагрев приточного вентиляционного воздуха в зимний период и затраты холода на его охлаждение летом. Согласно нормам [1] расход вентиляционного воздуха определяется по количеству людей, находящихся в помещении. Обычно в течение недели залы театров заполняются неравномерно. В отличие от премьерных показов и выходных дней, в будни зал может быть заполнен всего на 30 %. В условиях жестких требований по энергосбережению нерационально постоянно подавать номинальный расход свежего воздуха.

Основным источником тепло- и влагопоступ-лений в зале являются люди. Поскольку при изменении числа людей в помещении меняется концентрация СО2, то регулирование расхода воздуха можно осуществить по датчику углекислого газа, как правило, размещенному в вытяжном воздуховоде. Автоматика приточной и вытяжной установки реализует переменный режим подачи и удаления воздуха в зависимости от наполненности зрительного зала. Однако при уменьшении расхода воздуха нарушается аэродинамический режим вентиляционной сети, а следовательно, и равномерность воздухораспределения. Эту проблему можно решить, используя пространство под амфитеатром и балконом зрительного зала как камеру статического давления [3]. Данное решение позволяет обеспечить равномерность выхода воздуха из приточных отверстий, размещенных под креслами зрителей. Преимущество сохраняется, когда изменяется расход воздуха при переменном режиме, что и было исследовано в данной работе.

Стандартных аналитических методик расчета распределения давления в камере статического давления нет. В связи, с чем для расчета использо-

вался программный пакет SolidWorks Flow Simulation. При решении конкретных задач были смоделированы три режима работы системы вентиляции в большом зале Челябинского академического театра драмы им. Наума Орлова: при номинальном расходе воздуха, при расходе 70 % от номинального и при расходе 30 %.

Для расчетов программа строит прямоугольную сетку, произвольным образом пересекающую поверхность модели, созданной в системе графического проектирования. Для наблюдения физических процессов используются дифференциальные уравнения. Поскольку используемые в математической модели системы дифференциальных уравнений обычно не имеют аналитических решений, их приводят к дискретному виду и решают на расчетной сетке. Чем меньше шаг расчетной сетки, тем точнее будет смоделирован процесс. В данном расчете был выбран шаг 3 мм.

Движение и теплообмен текучей среды моделируются уравнениями Навье - Стокса, описывающими в нестационарной обстановке законы сохранения массы, импульса и энергии среды. Для моделирования турбулентных течений уравнения усредняются по числу Рейнольдса, то есть используется осредненное по малому масштабу времени влияние турбулентности на параметры потока, а крупномасштабные временные изменения осред-ненных газодинамических параметров воздушного потока учитываются введением соответствующих производных по времени. В результате уравнения имеют дополнительные члены - напряжения по Рейнольдсу.

Эта система уравнений сохранения массы, импульса и энергии нестационарного пространственного течения имеет следующий вид в рамках подхода Эйлера в декартовой системе координат, вращающейся с угловой скоростью Q вокруг оси, проходящей через ее начало:

Краткие сообщения

+т°- (р% ) =0; (1)

д/ дхк

д(и) +50-(л -%) +0^{рикиг -хгк) = £; (2)

д/ дхк дхг

д(рЕ) д /, ч ч

5/ +~дХГ РЕ Р Р)к + Чк - %гкиг ) = )кик + <2и , (3)

где Х - время; и - скорость текучей среды; р -плотность текучей среды; Р - давление текучей среды; £ - внешние массовые силы, действующие на единичную массу текучей среды, включающие в себя: действие сопротивления пористого тела, действие гравитации, действие вращения системы координат; Е - полная энергия единичной массы текучей среды; Qи - тепло, выделяемое тепловым источником в единичном объеме текучей среды; % - тензор вязких напряжений текучей среды; Цк - диффузионный тепловой поток, нижние индексы обозначают суммирование по трем координатным направлениям [4].

Для описания движения газов используется уравнение состояния следующего вида: р _ / (Р,Т, у) ,

где у - вектор концентрации компонентов текучей среды.

Для газов используется уравнение идеального

газа

_ Р_ р _ ЯТ ’

где Я - газовая постоянная моделируемого газа.

Ламинарные и пограничные слои течения около поверхностей твердого тела, а также переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный, и наоборот, турбулентного в ламинарный, моделируются с высокой точностью с помощью модифицированных универсальных пристеночных функций.

Для привязки математической модели к конкретной физической задаче и области пространства необходимо задать граничные условия. Граничные условия определяют связь физических про-

цессов в расчетной области с физическими процессами вне ее. Расчетная область ограничена стенками камеры статического давления, при этом отверстия для выхода воздуха считаются соединенными с наружной воздушной полостью, заполненной неподвижным воздухом с атмосферным давлением. В качестве граничных условий в расчете задается система единиц измерений, тип текучей среды (воздух), величина атмосферного давления, в каких атмосферных условиях ведется расчет - в замкнутом или открытом пространстве. На входе в камеру задается скорость воздуха, его температура, степень турбулентности потока. Параметры поверхностей твердых тел, контактирующих с текучей средой, задаются автоматически.

Для нахождения численного решения задачи непрерывная нестационарная математическая модель физических процессов дискретизируется как по пространству, так и по времени. Чтобы выполнить дискретизацию по пространству, вся расчетная модель покрывается расчетной сеткой, грани ячеек которой параллельны координатным плоскостям декартовой системы координат, значения независимых переменных рассчитываются в центрах ячеек.

Чтобы выполнить дискретизацию по времени, для каждой ячейки расчетной сетки из условия Куранта определяется допустимый минимальный шаг по времени, зависящий от значения физических величин и шага дискретизации по времени в этой ячейке. Далее определяется минимальный из шагов по сетке, для него рассчитывается вся модель.

Программа полностью интегрирована с пакетом геометрического моделирования, это позволяет оптимизировать геометрию объекта любой сложности в максимально короткие сроки [5].

В номинальном режиме воздух входит в модель камеры со скоростью 1,5 м/с через 4 отверстия в боковых стенках размером 1000x1000 мм. На рис. 1 в разрезе камеры видно интенсивное затухание струи. Черным цветом обозначены области с нулевой скоростью, белым - 1,5 м/с. В центре

Нагорная А.Н., Морозова Н.С. Проблемы организации воздухораспределения

при вытесняющей вентиляции с переменным расходом воздуха...

Рис. 2. Воздухораспределение в камере статического давления при понижении расхода воздуха на 30 %

Рис. 3. Воздухораспределение в камере статического давления при понижении расхода воздуха на 70 %

камеры скорость падает до 0,6 м/с (серый цвет), а вблизи отверстий - до 0,2 м/с (тёмно-серый). За счет разности атмосферного давления и давления внутри камеры из всех отверстий воздух выходит равномерно с одинаковой скоростью.

При понижении расхода воздуха на 30 % скорость выхода из отверстий падает до 0,186 м/с (тёмно-серый цвет), но воздухораспределение остается равномерным (рис. 2). Белому цвету соответствует скорость воздуха - 1,3 м/с, серому -

0,45 м/с, черному - 0 м/с. Качественно картина распределения скоростей сходна в первом и во втором режиме.

Когда автоматика приточной установки уменьшает расход воздуха на 70 %, скорость выхода из крайних угловых отверстий падает значительно. На рис. 3 видно, что качественная картина полей скоростей остается прежней, в основном воздух выходит из решеток под креслами равномерно со скоростью 0,11 м/с (тёмно-серый цвет).

С каждым годом требования по энергосбережению ужесточаются. При неравномерном поступлении вредностей в помещение оптимальным вариантом является применение систем вентиляции с переменным расходом воздуха. Проблемой применения этого решения является нарушение аэродинамики приточных струй при снижении

скорости на выходе из приточных отверстий ниже номинальной.

Как показал выполненный расчет, идеальным решением в этом случае является использование камеры статического давления, что позволяет выровнять скорость выхода воздуха через все воздухораспределители, при изменении подаваемого расхода. При этом чистый приточный воздух попадает непосредственно в рабочую зону.

Литература

1. СП 60.13330.2012. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха - М.: Минрегион России, 2012. - 81 с.

2. СНиП 31-06-2009. Общественные здания и сооружения. - М.: Госстрой России, 2009. -67 с.

3. Схистад, Х. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях / Х. Схистад. - М.: АВОК-Пресс, 2006. - 99 с.

4. Алямовский, А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks БтиШюп / А.А. Алямовский. - М.: ДМК Пресс, 2010 - 464 с.

5. Алямовский, А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов и др. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

Краткие сообщения

Нагорная Анастасия Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабже-ние и вентиляция», Южно-Уральский государственный университет, Челябинск. Тел.: 8(351)2679144; nagomaya74@mail.ru.

Морозова Нина Сергеевна, аспирант кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», Южно-Уральский государственный университет, Челябинск. Тел.: 8(351)2679144; wiide@mail.ru.

Bulletin of the South Ural State University Series “Construction Engineering and Architecture” ________________________2013, vol. 13, no. 2, pp. 65-68

PROBLEMS OF AIR DISTRIBUTION AT DISPLACEMENT VENTILATION AND VARIABLE AIR VOLUME ON THE BASIS OF THE THEATRE HALL

A.N. Nagornaya, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, nagornaya74@mail.ru, N.S. Morozova, South Ural State University (Chelyabinsk, Russian Federation), wiide@mail.ru

Model of ventilation system with variable air volume controlled with carbon dioxide sensor; and the use of plenum chamber for air supply of theatre hall are considered in the article.

Keywords: ventilation with variable air volume, modeling, plenum chamber.

Поступила в редакцию 16 сентября 2013 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.