CC BY
69
СТРОИТЕЛЬСТВО. Водоснабжение, теплоснабжение и вентиляция
DOI.org/10.5281/zenodo.1408239 УДК 697.92:628.83
О.В. Симбирев, Т.С. Жилина
СИМБИРЕВ ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ - аспирант, e-mail: simbirevov@gmail.com ЖИЛИНА ТАТЬЯНА СЕМЕНОВНА - к.т.н., доцент кафедры, e-mail: ts-z@yandex.ru Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции Строительного института Тюменский индустриальный университет Володарского ул. 38, Тюмень, 625000
Анализ процессов движения воздуха и его параметров
в системах естественной вентиляции
при помощи математического моделирования
Аннотация: Основная проблема, выделенная в статье, - неправильная работа централизованных систем естественной вентиляции в большинстве жилых домов. Предпринята попытка получения рабочей математической модели системы естественной вентиляции и её изучение на предмет закономерностей. Проведён анализ отечественных и зарубежных трудов и наработок в области естественной вентиляции и вентиляции жилых зданий в целом, а также конкретных натурных экспериментов, описывающих схожую проблематику. Представлены и проанализированы авторская математическая модель системы естественной вентиляции жилого пятиэтажного здания и полученные в процессе моделирования результаты. Выявлены особенности и закономерности распределения воздушных потоков в сборных каналах и каналах-спутниках систем естественной вентиляции, полученные в результате математического моделирования вертикальной сборной вытяжной шахты с пятью каналами-спутниками. В качестве граничных условий при создании математической модели были заданы перепады давления между устьем сборной шахты и вытяжными решетками. При расчете математической модели были приняты следующие вентиляционные допущения: отсутствие сопротивления на приточных устройствах и возможности управлять притоком воздуха. Приведенные закономерности также применимы к зданиям с большей этажностью.
Ключевые слова: математическое моделирование, аэродинамика, естественная вентиляция, жилые здания.
Введение
Вследствие различных обстоятельств система вентиляции зачастую работает некорректно, вовсе не работает или опрокинута [2]. Основной причиной нестабильной работы системы естественной вентиляции является низкий естественный перепад давлений в тёплый и переходный периоды года. В свою очередь в холодный период расходы воздуха на каждом этаже различны, могут быть в несколько раз выше, чем на каком-либо другом этаже.
Для того чтобы понять и проанализировать процессы, происходящие в системах вентиляции жилых домов, необходимо построить ее математическую модель. Цель исследования - выявление особенностей и зависимости режима работы системы вентиляции от темпе-
© Симбирев О.В., Жилина Т.С., 2018
О статье: поступила: 05.03.2018; финансирование: бюджет Тюменского индустриального университета.
ратуры наружного воздуха, соответствующей разным периодам года. Предлагается трёхмерная модель системы естественной вентиляции 5-этажного жилого дома, вытяжные каналы которого с каждого этажа объединены в сборный короб (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид 3D-модели вытяжной вентиляционной шахты.
Рис. 2. Плотность шага разбивки геометрии.
Описание модели
Математическая модель естественной вентиляции необходима для симуляции испытаний и дальнейшей модернизации системы [8]. В гидрогазодинамике эта модель описывается системой уравнений Навье-Стокса. В ANSYS CFX в ходе моделирования процесса используют к-8 (к - кинетическая энергия, 8 - диссипация) модель [5]. Уравнение движения преобразуется к типу, в котором добавлено влияние флуктуации средней скорости (в виде турбулентной кинетической энергии) и процесса уменьшения этой флуктуации за счёт вязкости (диссипации). Математическая модель течения среды имеет вид, приведенный ниже.
Уравнение неразрывности:
д(Ри) | д(рУ) | = 0
дх ду дг
Уравнения движения:
ди ди ди др д , ди^ д , ди^ д , ди^ дх ду дг дх дх дх ду ду дг дг ду ду ду др д , дуч д , дуч д , дуч
р+ру1.г= )(ът- ) ),
дх ду дг ду дх дх ду ду дг дг
да да да др д , да. д . да д . дач
ри--V ру--V ра— = ———I--(р —) V--(р —) V— (р —).
дх ду дг дг дх дх ду ду дг дг
Уравнения к- 8 модели:
д „ , д „ . д , дк . д , дк . д , дк . ^ ри—(к) + ру—(к) + ры—(к) = —(!и(—) + — (1и(—) + — (1и(—) + - ps, дх ду дг дх дх ду ду дг дг
д
д
д
д .и де д .и де д де
ри^(е) + ру^ (е) + рю^ (е) = + + + - С2 р—.
дх
ду
дг
дх ае дх ду ае ду дг ае дг"
к
к
2
Уравнение для эффективной и суммарной вязкости:
+ г
е
где р - заданная плотность воздуха (р=сом1); и, V, ш - проекции вектора скорости воздуха, ц - заданная физическая (ламинарная) вязкость (ц=сопб^; щ - турбулентная кинематическая вязкость; к - кинетическая энергия турбулентности, отнесённая к единице массы воздуха, 8 -скорость диссипации в тепло кинетической энергии турбулентности в единице объёма воздуха; Сц, С1е, С2, сЕ- эмпирически константы к-8 модели.
- Характеристики разбивочной сетки (рис. 2):
- максимальный шаг разбивки модели - 0,02 м;
- количество узлов - 775529 шт;
- количество элементов - 3911082 шт.
Исходные данные. В качестве граничных условий при создании математической модели были заданы перепады давления между устьем сборной шахты и вытяжными вентиляционными решетками (см. таблицу). Естественный перепад давления ДР^ для каналов ьго этажа, Па:
ДР1 = Лг^(РЯ-РВ),
где ^ - разность отметок устья вытяжной шахты и середины вентиляционной решетки рассчитываемого этажа, м;
g = 9.81 м/с - ускорение свободного падения;
рн , Рв - соответственно плотность наружного и внутреннего воздуха, кг/м3:
353
Р =-•
г 273-г
Расчетные перепады давления при математическом моделировании работы системы вентиляции
Этаж, № 1 2 3 4 5
Перепад в переходный 11,86 9,85 7,84 5,83 3,83
период
давления, Па в холодный 57,76 47,98 38,20 28,41 18,63
период
Каналы приняты с кирпичными стенками, шероховатость - 4 мм.
Так как в подавляющем большинстве квартир приточные устройства отсутствуют, некорректно установлены (в наружной стене, выходящей на закрытую остекленную лоджию или балкон) или не обслуживаются (не делаются очистка или замена фильтрующих элементов), расчет проводился при условии отсутствия аэродинамического сопротивления на приточных устройствах и возможности управлять притоком воздуха (открытые окна).
Решить проблемы притока свежего воздуха в помещения можно следующими путями:
- следует рассматривать приточную и вытяжную вентиляции как единую систему;
- необходимо заниматься разработкой устройств, которые будут балансировать расходы между этажами, а также дросселировать систему в холодный период года [1];
- требуется переход на современные нормы проектирования систем естественной и механической вентиляции жилых многоквартирных домов, отвечающий всем современным требованиям и учитывающий все актуальные конструктивные решения, технологии и оборудование [4, 6];
- в дальнейшем необходимо исследовать и внедрять технологию пассивного охлаждения жилых зданий за счет естественной приточной вентиляции с грунтовыми каналами, так как их эффективность доказана и успешно применяется в европейских странах с мягким теплым климатом, таких как Италия [7].
Результаты моделирования
По окончании симуляции работы системы вентиляции в разные периоды года были получены распределения скоростей (рисунки 3, 4). Исходя из значений распределения скоростей в системе вентиляции в холодный период (рис. 3), можно сделать следующие выводы:
- на последних (четвертый и пятый) этажах расход увеличен;
- на пятом этаже расход максимальный;
- на четвертом и втором расходы приблизительно равны;
- расход воздуха на первом этаже имеет среднее значение;
- средний (третий) этаж имеет наименьший расход воздуха;
- нижние этажи (первый и второй) имеют средний расход благодаря большому аэродинамическому сопротивлению и перепаду давлений.
Рис. 3. Результаты расчета системы Рис. 4. Результаты расчета системы
вентиляции в холодный период. вентиляции в переходный период.
Из распределения скоростей в системе вентиляции в переходный период (рис. 4) можно сделать следующие наблюдения:
- с первого по третий этаж расход воздуха уменьшается;
- третий и четвертый этажи имеют приблизительно одинаковый расход;
- на пятом этаже наблюдается увеличенный (по сравнению с третьим и четвертым этажами) расход.
В теплый период года такая система не будет работать.
Анализ результатов
Результаты в виде расхода на вытяжных решетках разных этажей, полученные путем математического моделирования, совпадают с замеренными показателями в ходе натурных экспериментов [3], а именно распределение расходов по этажам, что позволяет использовать математическую модель для выявления зависимостей и закономерностей движения воздуха в каналах систем естественной вентиляции.
Выводы
По результатам математического моделирования и анализа распределения скоростей можно сделать следующие выводы:
- в дальнейшем необходимо массовое внедрение систем организованного притока воздуха и увязка вытяжных и приточных систем между собой;
- процессы математической модели соответствуют работе реальной системы;
- на средних этажах большую часть года будет наблюдаться недостаточный воздухообмен;
- распределения скоростей в смоделированной системе вентиляции демонстрируют, что в холодный период года, когда имеет место большой естественный перепад давлений и, как следствие, расход воздуха в системе, на последних этажах расход максимальный из-за эжекции и малого аэродинамического сопротивления;
- выявленные закономерности позволят в дальнейшем сбалансировать систему путём изменения геометрии сборного канала или установки специальных балансировочных воздушных клапанов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреев И.В., Бороздин Е.Г. Моделирование работы систем вентиляции с механическим централизованным удалением воздуха и децентрализованным притоком // Вестник СибАДИ. 2015. № 2(42). С. 47-53.
2. Жилина Т.С., Вяткина С.Д., Вяткина Ю.С. Влияние работы систем естественной вентиляции на микроклимат помещений в жилых зданиях // Молодой ученый. 2016. № 8. С. 214-218.
3. Жилина Т.С., Вяткина С.Д., Вяткина Ю.С. Эффективность работы систем естественной вентиляции в жилых зданиях // Фундаментальные исследования. 2017. № 7. С. 25-29.
4. ТР АВОК 4-2008. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. М.: Авок-Пресс, 2008. 32 с.
5. Фаттахаев Р.М., Назаров А.А., Поникаров С.И. Методы моделирования гидродинамики // Вестник Казанского технолог. ун-та. 2014. № 11.
6. ASHRAE, 2016 ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipments. Atlanta, 2016.
Fausto Barbolinia, Paolo Cappellaccib, Luca Guardiglia. A design strategy to reach nZEB standards integrating energy efficiency measures and passive energy use. 8th Intern. Conf. on Sustainability in 7. Energy and Buildings. SEB-16, 11-13 Sept., Turin, Italy, 2016, p. 205-204. 8. Montazeri H., Montazeri F. CFD simulation of cross-ventilation in buildings using rooftop windcatchers: Impact of outlet openings. Renewable Energy. April 2018,Vol. 118, p. 502-520.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Water Supply, Heat Supply and Ventilation
D0l.org/10.5281/zenodo.1408239
Simbirev O., Zhilina T.
OLEG SIMBIREV, Postgraduate, e-mail: simbirevov@gmail.com TATYANA ZHILINA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, e-mail: ts-z@yandex.ru
Department of Heat and Gas Supply and Ventilation of the Construction Institute Tyumen Industrial University 38 Volodarsky St., Tyumen, Russia, 625000
The analysis of the processes of air movement in the systems of natural ventilation through mathematical modelling
Abstract: The article presents the results of mathematical modelling of the natural ventilation system of a residential five-story building. The results of the field experiments of other researchers describing the general problems have been considered in it. The main problem highlighted in the article is the incorrect operation of the centralised systems of natural ventilation in most residential buildings. The paper describes the peculiarities and patterns of the distribution of air flows in the assembled air ducts and satellite air ducts of the natural ventilation systems obtained as results of mathematical modelling of the assembled air shaft with five satellite ducts. The pressure differentials between the mouth of the assembled shaft and exhaust grills were taken as boundary conditions when designing the mathematical model. The survey of the research works of domestic and foreign specialists has been carried out and the developments in the field of the natural ventilation and the ventilation of residential buildings in general are presented. The mathematical model and the results obtained in the process of modelling have been considered. The obtained results and conclusions may be applied to taller buildings as well.
Key words: mathematical modelling, aerodynamics, natural ventilation, residential buildings. REFERENCES
1. Andreev I.V., Borozdin E.G. Modeling the operation of ventilation systems with mechanical centralized air removal and a decentralized inflow. Vestnik SibADI. 2015;2:47-53.
2. Zhilina T.S., Vyatkina S.D., Vyatkina Yu.S. Influence of the work of natural ventilation systems on the microclimate of premises in residential buildings. Young Scientist. 2016;8:214-218.
3. Zhilina T.S., Vyatkina S.D., Vyatkina Yu.S. Efficiency of natural ventilation systems in residential buildings. Fundamental Research. 2017;7:25-29.
4. TR ABOK 4-2008. Technical recommendations on the organization of air exchange in the quarters of a multi-storey residential building. M., Abok Press, 2008. 32 p.
5. Fattahayev R.M., Nazarov A.A., Ponikarov S.I. Methods of simulation of hydrodynamics. Bulletin of Kazan Technological University. 2014; 11.
6. ASHRAE, 2016 ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipments. Atlanta, 2016.
7. Fausto Barbolinia, Paolo Cappellaccib, Luca Guardiglia. A design strategy to reach nZEB standards integrating energy efficiency measures and passive energy use. 8th Intern. Conf. on Sustainability in Energy and Buildings. SEB-16, 11-13 Sept. Turin, Italy, 2016, p. 205-204.
8. Montazeri H., Montazeri F. CFD simulation of cross-ventilation in buildings using rooftop windcatchers: Impact of outlet openings. Renewable Energy. April 2018,Vol. 118, p. 502-520.
