CC BY
9
Исследование работы локального рециркуляционного воздухораспределителя в офисном помещении в холодный период года
И.И. Суханова, И.В. Федорова, В.Ю. Попов Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Аннотация: Выполнено исследование системы вентиляции с локальным рециркуляционным воздухораспределителем. Построена трехмерная модель офисного помещения. С помощью гидродинамического вычислительного комплекса STAR-CCM+ выполнено численное моделирование работы системы вентиляции. Проанализированы результаты расчетов, приведены достоинства исследуемой системы.
Ключевые слова: системы вентиляции, локальные рециркуляционные воздухораспределители, качество внутреннего воздуха, энергосбережение, численное моделирование, STAR-CCM+.
Главное назначение систем вентиляции и кондиционирования воздуха - обеспечение требуемого качества воздуха в помещении. Выбор системы определяется назначением помещения, архитектурно-планировочным решением, нормируемыми параметрами воздуха, необходимым объемом приточного воздуха.
Действующими нормативами в обслуживаемой зоне административных здании предусмотрено подавать на каждого сотрудника 60 м /ч наружного воздуха и поддерживать в помещениях допустимые или оптимальные параметры микроклимата [1].
В административных зданиях в основном применяются централизованные системы вентиляции. В некоторых случаях используют централизованные системы приточной вентиляции с частичной рециркуляцией. В приточной установке этих систем происходит смешение холодного наружного воздуха с нагретым отработанным. Несмотря на простоту и надёжность, такая система имеет ряд недостатков. В удаляемом из помещений воздухе могут содержаться вредные вещества, применение таких систем ограничивается нормативными документами (СП
М Инженерный вестник Дона, №6 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2021/7020
60.13330.2016). Система работает с постоянным расходом, но теоретическая потребность ее функционирования (по фактическому количеству и времени пребывания сотрудников) значительно меньше, поэтому перерасход энергии составляет 50-70 % [2].
Поддержание допустимых значений микроклимата на рабочих местах можно обеспечивать не постоянно, а во время присутствия на них сотрудников. Это повысит энергоэффективность систем вентиляции и кондиционирования воздуха до 30-50 % по сравнению с системами с постоянным расходом воздуха, сохранив высокие показатели комфортности пребывания персонала [1]. Для этих целей как нельзя лучше подходит система вентиляции с локальными рециркуляционными воздухораспределителями (рис. 1).
Рис. 1. - Принципиальная схема системы вентиляции с локальными рециркуляционными воздухораспределителями
В систему с локальными рециркуляционными воздухораспределителями наружный воздух температурой ¿н подается в количестве санитарно-гигиенических требований, в воздухонагревателе приточной установки происходит его нагрев до температуры ¿пр1, а значение расхода подаваемого в помещение воздуха равно сумме значений приточного наружного (£пр) и рециркуляционного (£р). Данная система позволяет сохранить преимущество
централизованных систем, которым является снижение энергетических затрат на нагревание наружного воздуха путем смешивания его с нагретым рециркуляционным, а также устранить их недостатки [3].
В современных условиях при проектировании зданий и анализе проектных решений используют В1М-технологии [4] и численное моделирование [5, 6].
Моделирование работы локального рециркуляционного воздухораспределителя [7] выполнено в программном комплексе STAR-ССМ+. Для этого в программе SoHdworks построена его твердотельная модель (рис. 2).
Рис. 2. - Локальный рециркуляционный воздухораспределитель (а);
турбулизирующая ячейка (б)
Воздух от приточной установки подается в патрубок 1 и через диффузор 2 попадает в помещение (рис. 2, а). Диффузор 2 формирует настилающуюся на потолок струю. С помощью патрубка 3 рециркуляционный воздух направляется в камеру статического давления 4 и после ее прохождения попадает в помещение через турбулизирующие ячейки 5, расположенные на лицевой панели 6. Турбулизирующие ячейки 5
а
формируют настилающуюся на потолок струю рециркуляционного воздуха, которая смешивается с приточным, поступающим из диффузора 2.
Поворотные пластиковые турбулизирующие ячейки (рис. 2, б) могут индивидуально вручную поворачиваться в плоскости панели на 360°. Благодаря этому возможно добиться на одном изделии различных схем подачи воздуха. Поворот ячеек не влияет на уровень генерируемого шума и не изменяет потери полного давления. Турбулизирующие ячейки имеют геометрически сложную форму, что позволяет увеличить эжектирующие способности приточного воздуха.
Объект исследования - офисное помещение на 8 человек в г. Петрозаводск площадью 35,28 м2, высотой 3,2 м (рис. 3).
Рис. 3. - Трехмерная модель помещения: 1 - окна; 2 - отопительные приборы; 3 - люди; 4 - столы с оборудованием; 5 - локальный рециркуляционный воздухораспределитель; 6 - наружная ограждающая конструкция; 7 - внутренние ограждающие конструкции
Суммарные теплопотери помещения через наружные ограждения - 646 Вт, суммарные теплопоступления - 2818 Вт. Наружный воздух нагревается в
1
7
приточной установке до температуры ¿пр1 = 8 °С и подается в помещение через локальный рециркуляционный воздухораспределитель в количестве
3 3
480 м /ч. Рециркуляционный воздух поступает в количестве 244 м /ч [8].
После построения в программном комплексе STAR-CCM+ расчетной сетки с призматическими слоями и областями сгущения, задания физической модели процесса, определения начальных и граничных условий выполнено численное моделирование вентиляционных процессов. Ниже приведены результаты численного моделирования в виде полей распределения параметров.
Поля температур в продольной плоскости помещения показаны на рис. 4.
Тетрегаиге (О
17.00 >7.Д> 17.40 17.60 I/80 1800 1870 1840 1860 1880 19.00
Рис. 4. - Температурное поле в продольной плоскости помещения
В верхней части помещения происходит смешение приточного наружного и рециркуляционного воздуха, что приводит к образованию областей с более низкими значениями температур. В обслуживаемой зоне температура воздуха находится в диапазоне 18-19 °С (рис. 5). Скорость движения воздушного потока на входе в обслуживаемую зону не превышает
и
0,2 м/с, что соответствует требуемым значениям для условий холодного периода (рис. 6).
Рис. 5. - Температурное поле на высоте 1,5 м от уровня пола
Рис. 6. - Поле скоростей воздушного потока на высоте 1,5 м от уровня пола
Заключение
Система с локальным рециркуляционным воздухораспределителем [8] эффективно смешивает приточный наружный воздух с нагретым рециркуляционным в верхней зоне помещения, не позволяя холодному потоку поступать в обслуживаемую зону и обеспечивая нормируемые показатели микроклимата в исследуемом офисном помещении. Такая система имеет ряд преимуществ пред традиционными:
• исключается передача загрязнений (в том числе - вирусов) из одного помещения по всему зданию. В наше время это достоинство имеет особую значимость;
• снижается стратификация температуры воздуха по высоте помещений [9];
• сокращается потребление энергии на подогрев наружного воздуха в воздухонагревателе приточной установки;
• уменьшаются диаметры воздуховодов, что снижает стоимость монтажа системы, увеличивая при этом долю полезного объема здания;
• используется потенциал наружного воздуха для ассимиляции внутренних теплоизбытков в холодный период года.
В ходе дальнейших исследований планируется выполнить расчет полей концентраций вредных веществ в воздухе офисного помещения, в частности - углекислого газа (СО2) [10].
Литература
1. Наумов А.Л., Капко Д.В. Локальные системы кондиционирования воздуха в офисных зданиях // АВОК. 2012. №2. URL: abok.ru/for_spec/articles.php? nid=5176.
2. Zhilkina T., Pukhkal V., Pankov V. Influence of the scheme of air exchange organization in the room on the efficiency of the air-jet hood of the heat
treatment chamber // E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 224 Topical Problems of Agriculture, Civil and Environmental Engineering (TPACEE-2020). URL: doi.org/10.1051/e3sconf/202022403026.
3. Naumov A.L., Kapko D.V., Brodach M.M. Ventilation systems with local recirculation diffusers // Energy and buildings. 2014. № 85. Рр. 560-563.
4. Суханова И.И., Гнедых В.С., Демшина Д.А. Анализ гидравлического и аэродинамического расчётов систем отопления и вентиляции на основе BIM-моделирования // Инженерный вестник Дона. 2019. № 9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N9y2019/6220.
5. Денисихина Д.М., Иванова Ю.В., Мокров В.В. Численное моделирование истечения из современных воздухораспределительных устройств // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4972.
6. Sukhanova I., Sukhanov K. Numerical Simulation of a Stable Microclimate in a Historic Building // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. V. 982. Рр. 84-90. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_9.
7. Патент РФ № 2015135632, 24.08.2015. Баландина Л.Я., Капко Д.В., Кочарьянц К.В., Тисленко И.Н. Рециркуляционный воздухораспределитель // Патент России № 2607609. Бюл. № 1.
8. Попов В.Ю. Моделирование воздушного потока, поступающего в помещение от локального рециркуляционного воздухораспределителя // Инженерные системы и городское хозяйство: материалы III Региональной научно-практической конференции - магистерские слушания; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. СПб, 2021. С. 179 -185.
9. Rahimi M., Tajbakhsh K. Reducing temperature stratification using heated air recirculation for thermal energy saving // Energy and Buildings. Vol. 43. Issue 10, October 2011. Рр. 2656-2661.
М Инженерный вестник Дона, №6 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2021/7020
10. Таурит В.Р., Кораблева Н.А. Численное исследование соответствия концентрации СО2 в зоне пребывания людей природному воздуху при оборудовании помещения вытесняющей вентиляцией нового поколения // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 2 (55). С. 158-162.
References
1. Naumov A.L., Kapko D.V. Lokal'nye sistemy kondicionirovanija vozduha v ofisnyh zdanijah. AVOK. 2012. №2. URL: abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5176.
2. Zhilkina T., Pukhkal V., Pankov V. E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 224 Topical Problems of Agriculture, Civil and Environmental Engineering (TPACEE-2020). URL: doi.org/10.1051/e3sconf/202022403026.
3. Naumov A.L., Kapko D.V., Brodach M.M. Energy and buildings. 2014. № 85. Рр. 560-563.
4. Sukhanova I.I., Gnedyh V.S., Demshina D.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019. № 9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N9y2019/6220.
5. Denisihina D.M., Ivanova Ju.V., Mokrov V.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2018. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4972.
6. Sukhanova I., Sukhanov K. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. V. 982. Pр. 84-90. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_9.
7. Patent RF № 2015135632, 24.08.2015. Balandina L.Ja., Kapko D.V., Kochar'janc K.V., Tislenko I.N. Recirkuljacionnyj vozduhoraspredelitel' [Recirculating air diffuser]. Patent Rossii № 2607609. Bjul. № 1.
8. Popov V.Ju. Inzhenernye sistemy i gorodskoe hozjajstvo: materialy III Regional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii - magisterskie slushanija; Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj arhitekturno-stroitel'nyj universitet. SPb, 2021. S. 179 -185.
9. Rahimi M., Tajbakhsh K. Reducing temperature stratification using heated air recirculation for thermal energy saving // Energy and Buildings. Vol. 43. Issue 10, October 2011. Pp. 2656-2661.
10. Taurit V.R., Korableva N.A. Chislennoe issledovanie sootvetstvija koncentracii SO2 v zone prebyvanija ljudej prirodnomu vozduhu pri oborudovanii pomeshhenija vytesnjajushhej ventiljaciej novogo pokolenija // Vestnik grazhdanskih inzhenerov. 2016. № 2 (55). S. 158-162.
