CC BY
200
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 628.852.2
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ОБОГРЕВА ВЕНТИЛИРУЕМОГО ПОМЕЩЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ СОВРЕМЕННЫХ ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Г.В. Лепеш1, Г.А. Спроге2, Ю.В. Однодворец3
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ)
191023, г. Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
Данная статья посвящена исследованию влияния различных способов обогрева, на распределение температуры в объеме помещения. В качестве инструмента исследования используется система конечно-элементного анализа (МКЭ) Ansys с применением прикладного пакета Fluent. Граничные условия решения задачи определены условиями нагрева и вентиляции помещения, а также теплозащитными параметрами ограждающих конструкций. В результате исследования получено распределение параметров воздуха в объеме помещения при различных способах обогрева.
Ключевые слова: способы обогрева помещения, распределение параметров микроклимата, энергосбережение, отопительные приборы, конвекция, радиационный нагрев, теплый пол, имитационное моделирование, тепломассообмен.
IMITATING MODELLING OF THE DIFFERENTIATED HEATING OF THE VENTILATED ROOM THE COMPLEX OF MODERN HEATING DEVICES
G. V. Lepesh, G. A. Sproge, Yu.V. Odnodvorets
St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, street Sadovaya, 21
This article is devoted to research of influence of various ways of heating, on distribution of temperature in volume of the room. As the instrument of research the system of the final and element analysis (FEM) of Ansys with application of an applied Fluent package is used. Boundary conditions of the solution of a task are determined by conditions of heating and ventilation of the room, and also heat-shielding parameters of the protecting designs. As a result of research distribution of parameters of air in volume of the room at various ways of heating is received.
Keywords: ways of heating of the room, distribution of parameters of a microclimate, energy saving, heating devices, convection, radiation heating, heat-insulated floor, imitating modeling, heatmass exchange
Введение
Современный этап развития российской и мировой экономики напрямую связан с повышением энергоэффективности и снижением энергопотребления во всех сферах деятельности, обусловленных с одной стороны энергетической безопасностью, а с другой - экологическими факторами загрязнения природы отходами и парниковыми газами [1]. Энергопотреб-
ление зданий и сооружений в значительной степени зависит от показателей, характеризующих микроклимат помещений и влияющих на здоровье, производительность труда и комфорт находящихся в них людей. При этом грамотно спроектированная система отопления и вентиляции здания позволяет экономить до 40% ресурсов затрачиваемых на поддержание микроклимата [2].
1 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.:+7 921 751 2829,e-mail: gregoryl@yandex. ru;
2Спроге Глеб Александрович - магистрант СПбГЭУ тел.: +7952 242 58 11, e-mail: [email protected];
3 Однодворец Юрий Валерьевич - магистрант СПбГЭУ тел.: +7962 709 70 44, e-mail: uron008@mail.
Энергосберегающие мероприятия по отношению к ним - это мероприятия, обеспечивающие их минимально возможное потребление топлива и других источников энергии.
На сегодняшний день разработаны и широко применяются различные технологии отопления зданий и сооружений, основанные на применении многочисленных отопительных приборов, различающихся способами передачи тепла воздуху помещения:
-конвекторов (водяных, электрических и др.), устанавливаемых на стенах помещений (чаще под окном) и предназначенных для нагрева воздуха помещения за счет использования эффекта естественной конвекции;
-теплых полов (водяных, электрических и др.), обеспечивающих нагрев пола и предназначенных для нагрева воздуха помещения как за счет использования эффекта естественной конвекции так и путем радиационного обмена с окружающими предметами и ограждениями;
-тепловентиляторов, обеспечивающих нагрев воздуха и его искусственную конвекцию за счет побуждения к движению вентилятором;
-инфракрасных нагревателей, устанавливаемых, как правило, под потолком и обеспечивающих радиационный нагрев окружающих предметов и ограждений с последующей конвективной передачей теплоты воздуху помещения и др.
Очевидно, что соблюдение теплового баланса при проектировании системы отопления
Сот = Сут, (1)
где: Qот - количество теплоты, снимаемой с отопительных приборов; Qут - количество теплоты, отводимой в окружающую среду, обеспечивается также второй важнейшей составляющей этого процесса - отведением теплоты в окружающую среду, которая связана с процессами передачи теплоты через ограждающие поверхности и вентиляции воздуха помещений здания. Здесь значимыми факторами выступают объем (1^) и температура (¿у), вентилируемого воздуха, термическое сопротивление ограждений строительных конструкций (Кст), окон (Яок) и др.
Таким образом, проектирование систем вентиляции связано с моделированием процесса тепломассопереноса внутри помещения и с учетом при этом сложных граничных условий тепломассообмена с окружающей средой.
Очень часто на этапе проектирования системы отопления при условии соблюдения теплового баланса (1) и выборе той либо иной системы отопления и соответственно отопительных приборов, получают различное значе-
ние ощущаемой температуры в различных точках пространства помещения. Связано это с неравномерным обогревом помещения особенно в условиях доступа входящего воздуха с относительно низкой температурой (tBX). Попытки устранения неравномерности, как правило связаны с установкой дополнительных отопительных приборов и "перетопом" помещения, которое в свою очередь приведет в повышению теплопотерь QyT. Для того чтобы рационально обеспечить параметры микроклимата в помещении уже на этапе проектирования возможно производить моделирование тепломассопере-носа в пределах каждого помещения в специальных компьютерных программах, обеспечивая при этом комфортное состояние микроклимата в необходимом пространстве и наименьшие теплопотери.
Имитационное моделирование
расчетной области
Проведем анализ возможности дифференцированной оценки параметров микроклимата путем имитационного моделирования среды внутри помещения. В качестве объекта моделирования примем вентилируемое помещение свободного назначения площадью S= 17,5 М (3,5м X 5м) и высотой потолков 2,5м с условием трехкратного воздухообмена. Материал стен - деревянный брус 200 X 200мм, в оконный проем помещения установлен стеклопакет общей толщиной 200мм занимающий 2,8м2 площади стены. Для обеспечения заданного воздухообмена используются входное и выходное вентиляционные отверстия, расположенные в верхней части противоположных стен помещения.
Для выявления наиболее эффективного способа отопления помещения рассмотрим четыре различных способа обогрева:
1) Нагрев калорифером, установленным под окном вблизи пола
2) Обогрев за счет применения технологии тёплого пола
3) Обогрев инфракрасными нагревателями, установленными под потолком помещения
4) Совместное использование трех выше перечисленных способа.
В качестве инструмента исследования применим систему конечно-элементного анализа (МКЭ) Ansys, включающего в себя прикладной пакет Fluent, предназначенный для решения задач механики жидкостей и газов. Граничные условия решения задачи определены условиями нагрева и вентиляции помещения, а
также теплозащитными параметрами ограждающих конструкций.
На рисунке 1 приведена геометрическая модель помещения, построенная непосредственно в Ansys с применением подпрограммы DesignModeller. Здесь строятся все необходимые элементы модели: теплозащитные ограждения помещения: стены окна, дверные проемы и др, вентиляционные отверстия, нагревательные приборы, и т.д. Построения заключаются в выборе плоскости, затем на плоскости отображается эскиз будущего элемента, проставляются размеры, после чего готовый эскиз конвертируется в поверхность с помощью встроенных функций. Стоит заметить, что при решении такого типа задач толщина теплозащитных ограждений и их теплофизические свойства задаются непосредственно в решателе Fluent, что значительно облегчает процесс построения геометрической модели.
1.500
Рисунок 1 - Геометрическая модель помещения, построенная
в Ansys/ DesignModeller
Для решения задачи методом конечных элементов проводится дискретизация расчетной области геометрической модели с помощью подпрограммы Ansys: Meshing. Для получения приемлемого по точности расчета и в тоже время учитывая временный ресурс вычислений, дискретизация выполнена неравномерной, так что сетка выполнена более мелкой в областях, где ожидаются наибольшие градиенты рассчитываемых характеристик (вентиляци-
онные отверстия, окно, нагревательные элементы). В результате построения сетки получено 120037 конечных элементов, что укладывается в рамки ресурсных ограничений, определяемых производительностью имеющейся в распоряжении исследователей ЭВМ (Intel® Core™ I5-3470 CPU @3.2GHz 3.2GHz 4,00 ГБ).
При определении теплофизических свойств материалов ограждений и воздушной среды использовались стандартные библиотеки Ansys. Для твердых тел - потолка, пола и боковых стен выбран материал "дерево" с коэффициентом теплопроводности 0,173Вт/мхК, толщина стенки 0,2м; оконного проема задан материал "стекло" с приведенным коэффициентом теплопроводности 1Вт/мхК и толщиной 0,27м, что соответствует коэффициенту термического сопротивления окна R0 = 0,42 м2хК/Вт [3]. Для нагревательных элементов задан материал "алюминий" с коэффициентом теплопроводности 202 Вт/мхК, толщина стенки 0,003 м. Для газообразных/жидких тел - "воздух".
В качестве граничных условий примем следующие:
1) Массовый расход воздуха, определенный из объема помещения и кратности воздухообмена GB = 0,04375 кг/с на входе и выходе вентиляционных отверстий
2) Температура внутри помещения in = ty = 20°С (293 К) и температура с наружи iBH = -10°С (263 К).
3) Теплообмен с окружающей средой ограничен одной наружной стеной (внутри установлен калорифер) и окном (рис.1).
4) Тепловые потоки, исходящие с поверхностей отопительных приборов Q0T, определяются в каждом расчетном случае исходя из расчета теплового баланса помещения (1), где расчет мощности теплопотерь помещения QyT (Вт) выполняется по формуле
QyT = QCT + Qo + QB, (2) где: QCT - теплопотери стенок, Q0 - теплопоте-ри окон, Qb- теплопотери вентиляции. Определим значение составляющих в уравнении (2):
_ ^ст (tn ^вн) / _
ст — /R~
ст
74,6 • (20 + 10)/1,15 = 1946 Вт;
_ ^0 (tn ^вн) / _
0 = 'Ro =
... = 2'8-(20 + 10)/0,42 = 200 Вт; (3)
QB = GB-CB- (tn - tBH) ■ к = 0,04375 ■ 1000 ■ (20 + 10) ■ 1,2 = 1350 Вт. Здесь: FCT, F0 - площади стен и окон (м2); RCT, R0 - тепловое сопротивление ограждающих конструкций (стены и окна соответственно), GB - массовый расход воздуха (кг/с); Св - теплоемкость воздуха; к - коэффициент запаса, равный 1,2.
Суммируя вычисленные значения составляющих тепловых потерь получим:
QyT = 200 + 1350 + 1728 = 3278 Вт.
Из расчета видно что для получения необходимой по условию температуры внутри помещения in = 20°С необходимо компенсировать Q0T = 3278 Вт теплоты путем передачи ее конвекционным способом и с учетом радиационного обмена между ограничивающими помещение поверхностями.
Нагрев с применением калорифера
При построении геометрической модели расчетной области прорисован калорифер общей площадью SK =4,2 м2 выполненный из материала "алюминий" с толщиной пластины 0,003м, установленный на расстоянии 1,25м от боковой стены и 0,1м от пола, под оконным проемом.
В качестве граничных условий будем учитывать плотность теплового потока от калорифера qK = 0,8 ^0т/5 = 0,8 3278/4 2 =
624,4 Вт/м2. Другие отопительные приборы также будут присутствовать в расчетной модели и участвуют в теплообмене (они выключены).
Результаты исследования данного варианта в пакете Fluent, интерпретированные в постпроцессоре CFD-Post, представлены на рис.2,3. Число итераций численного решения выбиралось по сходимости результатов. В качестве критерия сходимости использовалась средняя объемная температура воздуха помещения. Из полученных результатов (рис. 2) следует, что в данном случае температура воздуха практически равномерно распределена по объему помещения и составляет 20 22 °С, т.е. практически является комфортной. Здесь поступающий холодный и нагретый калорифером воздушные потоки интенсивно перемешиваются (рис.3).
Рисунок 2 - Изолинии температуры (К) в помещении, отапливаемом калорифером: а) - в вертикальной плоскости; б) - в горизонтальных плоскостях в верхней и нижней частях помещения
Рисунок 3 - Траектории (и скорости, м/с) воздушных потоков в помещении с теплым полом
При этом вблизи ограждений помещения температура несколько ниже за счет отвода теплоты в окружающую среду (в ограждения). Поток воздуха имеет наибольшую скорость у
потолка напротив входного вентиляционного отверстия и составляет величину около 0,2 м/с. Вблизи поверхности калорифера образовалась устойчивая зона более высокой температуры, достигающей 75 °С.
Оценивая полученные значения параметров микроклимата данного помещения, можно считать рассмотренный способ обогрева достаточно комфортным при ограничении доступа к вентиляционным отверстиям и калориферу.
Обогрев за счет применения
технологии тёплого пола
Рассмотрим пример обогрева помещения за счет технологии теплого пола. В данном примере площадь теплого пола составляет 5п=17,5 м2, для упрощения создания модели пол выполнен из материала "алюминий". Здесь учитывается то, что, как правило, нагревательные элементы от теплого пола укладываются на фольгированную оболочку, отражающую тепловой поток в сторону помещения.
В качестве граничных условий будем задавать плотность теплового потока от пола , обеспечивающего необходимую для поддержания комфортной температуры тепловую мощность Q0T. Тогда • 3278,
qn = 0,8^0T/s =
'-'гт
0,832/8/175 = 149,9 Вт/м2. Другие отопительные приборы также будут выключены, но будут присутствовать в расчетной модели.
Результаты исследования данного варианта в пакете Fluent, интерпретированные в постпроцессоре CFD-Post, представлены на рис.4,5.
Из полученных результатов (рис. 4) следует, что в данном случае температура воздуха еще более равномерно распределена по объему помещения и, как в предыдущем примере, составляет 20 22 °С, т.е. практически является комфортной. Здесь поступающий холодный и нагретый исходящим от пола воздушные потоки интенсивно перемешиваются в верхней части помещения (рис.5), однако наибольшие скорости потока воздуха также составляют величину около 0,2 м/с. При этом вблизи стен температура несколько ниже за счет отвода теплоты в окружающую среду (в ограждения), а вот у потолка и тем более у пола температура более высокая. Причем температура пола достигает 70 °С, что не допустимо для помещения общего назначения.
Рисунок 4 - Изолинии температуры (К) в помещении с теплым полом: а) - в вертикальной плоскости; б) - в горизонтальных плоскостях в верхней и нижней частях помещения
Рисунок 5 - Траектории воздушных потоков в помещении с теплым полом
На рис.4 б) очевидно влияние присутствия выключенного калорифера, излучающего полученную от пола теплоту и передающую ее конвективным способом.
Оценивая полученные значения параметров микроклимата данного помещения, можно считать рассмотренный способ обогрева
возможным только в том случае, если будут применены специальные мероприятия по съему теплоты от пола, понижающую до комфортного состояния его температуру.
Обогрев инфракрасными нагревателями
Для определения граничных условий в случае обогрева потолочными инфракрасными обогревателями определим площадь инфракрасных излучателей 5и =0,96м2 как проекцию площади отражателя на поверхность потолка
[5].
Рисунок 6 - Изолинии температуры (К) в помещении с инфракрасным обогревом: а) - в вертикальной плоскости; б) - в горизонтальных плоскостях в верхней и нижней частях помещения
Тогда граничные условия будет определять плотность теплового потока, исходящего от инфракрасных нагревателей, т.е. с их поверхности, площадью 5и: ди = 0,7^от/г. =
0,8 3278/о 96 = 2731,7Вт/м2. Влияние других отопительных приборов будем учитывать также как и в других предыдущих случаях.
Результаты исследования данного варианта в пакете Fluent, интерпретированные в постпроцессоре CFD-Post, представлены на рис. 6,7.
Рисунок 7 - Траектории воздушных потоков в помещении с инфракрасным обогревом
Из полученных результатов (рис. 6) следует, что в данном случае температура воздуха внутри помещения, составляет 20 21 °С, т.е. является комфортной. Причем температура ограждающих конструкций - стен и пола на один-два градуса выше и составляет 21 ^ 22 °С за счет радиационного теплообмена между окружающими ограждениями. Поступающий холодный и нагретый конвективным способом окружающими поверхностями ограждений воздушные потоки интенсивно перемешиваются в середине помещения (рис.7), причем наибольшие скорости потока воздуха составляют величину около 0,2 м/с, что способствует установлению комфортного микроклимата.
Оценивая полученные значения параметров микроклимата при инфракрасном способе обогрева, можно считать его наилучшим для создания наиболее комфортных условий из всех рассмотренных по отношению данного помещения.
Совместное использование
отопительных приборов
В случае использования нескольких отопительных приборов необходимо распределить их необходимую мощность Q^ при условии сохранения баланса энергии (1), так что
Il7t=1Qi = Qот . (4)
В этом случае все имеющиеся приборы будут излучать энергию. Для рассматриваемого случая можем распределить ее поровну между отопительными приборами. Тогда в качестве
граничных условий будем учитывать плотность данный нагревательный прибор. Характерно теплового потока, рассчитанную от каждого также распределение траектории движения
отопительного прибора:
4к = 0,89°т/з5к = 0,83278/з^2 = 208,1 Вт/м2;
qn = 0,8 ^0т/з5п = 0,8 3278/з • 1/ 5 =
50 Вт/м2;
= 0,7 ^0т/з5и = 0,83278/з^ 0,96 = 910,6 Вт/м2.
Результаты исследования данного варианта в пакете Fluent, интерпретированные в постпроцессоре CFD-Post, представлены на рис.8, 9.
воздуха в виде сформировавшейся застойной зоны в середине помещения.
Рисунок 8 - Изолинии температуры (К) в помещении с комбинированным обогревом: а) - в вертикальной плоскости; б) - в горизонтальных плоскостях в верхней и нижней частях помещения
Здесь получено равномерное поле комфортной температуры в объеме помещения, а вблизи калорифера - зона повышенной температуры, которую можно исключить, выключив
Рисунок 9 - Скорости воздушных потоков в помещении с комбинированным обогревом
Выводы
1. На базе системы конечно-элементного анализа (МКЭ) Ansys с применением прикладного пакета Fluent разработан метод имитационного моделирования дифференцированного отопления вентилируемого помещения.
2. Проведена апробация метода путем исследование влияния различных способов обогрева, на распределение температуры в объеме помещения общего назначения.
3. Полученные результаты дают основание рекомендовать разработанный метод для анализа эффективности систем отопления и дифференцированного обогрева любых помещений, в том числе вентилируемых и неизолированных от окружающей среды.
Литература
1. Энергетическая стратегия России до 2030 г. (утв. Распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 года N 1715-р).
2. Лепеш Г.В. Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений/ Г.В. Лепеш. -СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2014 г. - 437 с.
3. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий / Госстрой России. - М.: ФГУП ЦПП, 2004.
4. Лепеш Г.В., Потемкина Т.В. Способ энергоэффективного обогрева вентилируемых помещений// Технико-технологические проблемы сервиса. 2014. №4(30).С.42-54.
