CC BY
25Ильина Т.Н., канд. техн. наук, доцент Феоктистов А.Ю., канд. техн. наук,
Дивиченко И.В., Дивиченко В.И.
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В БОЛЬНИЧНОЙ ПАЛАТЕ
Комплексное решение вопросов определения воздухообмена и расчета воздухораспределе-ния является актуальным направлением. С помощью математического моделирования процессов воздухораспределения получены линии тока воздуха в расчетном объеме и профили скоростей в интересующих областях. Анализ результатов математического моделирования позволил выявить причины несоответствия параметров микроклимата нормативным требованиям и наметить пути решения возникшей проблемы.
Системы вентиляции и кондиционирования воздуха в больничных помещениях служат для создания микроклим ата и пр оектируются в со ответствии с требов ания-ми гигиены и асептики в зависимости от предназначения помещений. Для создания комфортных условий применяется кондиционирование воздуха, для соблюдения гигиенических треб ований - вентиляция с тонкой очисткой воздуха, для соблюдения асептики - вентиляция с особо тонкой очисткой воздуха.
Во всех помещениях больниц организовывают при-точно-вытяжную вентиляцию. Приточный воздух очищается и обрабатывается в зависимости от назначения помещения, рециркуляция воздуха не допускается.
В соответствии со СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» в больничных палатах общего назначения должны поддерживаться следующие нормативные условия:
- темпер атур а в оздуха - 20 0С;
- кратность вытяжки естественного воздухообмена - 2;
- объем подаваемого воздуха - 80 м3/ч на койко-место.
Воздухораспределению в помещениях больниц необходимо уделять особое внимание, так как от него, в конечном счете, зависит эффект действия вентиляции и бактериальная обсемененность.
В настоящее время вопросы рациональной подачи и эффективного использования приточного воздуха в вентилируемых помещениях становятся все более актуальными.
Большой вклад в развитие аэродинамики вентиляци-онно-отопительных систем, в том числе и систем воздухораспределения, оказали работы Г.Н. Абрамовича, И.А. Шепелева, В.Н. Талиева, В.В. Батурина и В.И. Хон-жонкова и др.
В конце 70-х годов были созданы первые алгоритмы и программы расчета воздухораспределения и воздухообмена с использованием ЭВМ (работы ВНИИОТ (Ленинград) совместно с Новосибирским инженерно-строительным институтом).
Методы расчета и выбора систем воздухораспределения базируются на интегральных закономерностях турбулентных течений и учитывают специфические особенности вентиляционных струй: условия их формирования на истечение из приточного отверстия (затенение сетками, решетками, перфорированными листами, изменение начального угла впуска струй), взаимодействие струй между собой и с ограждениями, влияние на движение струй гравитационных сил.
В настоящее время наиболее актуальным является принцип комплексного решения вопросов определения воздухообмена и расчета воздухораспределения на базе закономерностей струйных течений и приближенных ма-тем атических м оделей тепло - м ассо о бменных процессов в вентилируемых помещениях. Для определения закономерностей формирования скоростных и температурных полей в вентилируемом помещении используются результаты решения численными методами на ЭВМ системы уравнений, включающей уравнение На-вье-Стокса, энергии, массопереноса и диссипации турбулентной кинетической энергии.
Для математического моделирования движения воздушных потоков в вентилируемом помещении разработаны и успешно применяются универсальные вычислительные программы: STAR-CD, FLUENT, CFX, Flow Vision, в основе которых лежит численное решение уравнений Навье-Стокса в пространственной постановке, осредненных по Рейнольдсу.
Из представленных выше, программный комплекс Flow Vision является наиболее доступным, довольно про-
стым в использовании и позволяющим решать широкий спектр задач. Он предназначен для моделирования трехмерных турбулентных движений жидкости в приближении несжимаемой, слабосжимаемой и абсолютно сжимаемой жидкости. С его помощью можно получить изолинии, тоновую заливку на плоскости, вектора на плоскости и изоповерхности. Система отображения результатов расчетов программного комплекса Flow Vision основана на механизме слоев визуализации. Этот механизм заключается в построении трехмерной сцены (3D-сцены) рисунка как набора картинок (слоев), генерируемых с помощью различных методов визуализации.
Следует отметить, что гигиенические нормативы для микроклимата больничных помещений, в виду различных причин, не всегда соблюдаются. Например, по просьбе администрации областной клинической больницы святителя Иоасафа г. Белгорода проведен анализ состояния микроклимата в больничных палатах, где замечены отклонения от нормативных параметров, которые привели к образованию грибковых отложений на строительных конструкциях. В больничных палатах установлены пластиковые оконные блоки. Из палаты в санузел и между палатой и коридор ом стоят пластиковые двери. Дверь между палатой и санузлом с уплотнителем по периметру двери, между палатой и коридор ом - без уплотнителя. В больничных палатах организована принудительная приточно-вытяжная вентиляция. Подача воздуха производится в палату через две вентиляционные решетки размером 150х150 мм, вытяжка - из санузла через вентиляционную решетку размером 150х150 мм.
Сотрудниками кафедры «Отопление, вентиляция и кондиционирование» БГТУ им. В.Г. Шухова проведено
исследование состояния параметров микроклимата и эффективности работы вентиляции в больничных палатах №№ 6 и 11 5-го этажа корпуса № 8 областной клинической больницы. Обследование проводилось в сухую морозную солнечную погоду при температуре наружного воздуха -10С при работающей приточно-вытяжной вентиляционной системе.
Исследование включало в себя замеры значений параметров микроклимата: температуры воздуха, относительной влажности, подвижности воздуха, а также температуры ограждающих поверхностей, скорости инфильтрации воздуха через оконные проемы, расходы воздушных потоков приточной и вытяжной вентиляции.
Температура воздуха и стен замерялась на высоте 1,5 -1,8 м от поверхности пола, температура потолка - у наружных стен и в центре палаты, скорость воздушного потока - на высоте 1,5 - 1,8 м от поверхности пола в помещении палаты и у вентиляционных решеток.
План палат и р асполо жение точек замера пр едстав -лен на рис. 1.
7000
2200
санузел
5800
3000
Рис. 1. План палаты и расположение точек замера состояния воздушной среды
Таблица
Параметры микроклимата и термическое состояние ограждающих конструкций в палатах №№ 6 и 11
№ п/п Место замера t 0С ^воздуха? ^ t 0С 1стен> ^ t 0С 1потолка> ^ ф, % v, м/с Примеч.
Палата № 11
1 Точка 1 22,5 19,6 20,5 36 = 0,1
2 Точка 2 22,4 18,2 17,5 38 = 0,1
3 Точка 3 22,4 18,8 20,3 36 = 0,1
4 Точка 4 22,6 22,1 21,4 40 = 0,1
Палата № 6
5 Точка 1 25,8 19 20 38 = 0,1
6 Точка 2 25,6 18,5 17,8 39 = 0,1
7 Точка 3 26,2 22,8 21,8 41 = 0,1
8 Точка 4 26,4 24 21,9 40 = 0,1
9 подоконник 14 - - - 0,15
10 Решетка приточной системы вентиляции 2х150х150 мм 2,2
11 Решетка вытяжной системы вентиляции 150x150 мм 0,15 Дверь в санузел закрыта
12 Решетка вытяжной системы вентиляции 150x150 мм 0,87 Дверь в санузел открыта
Результаты измерений значений параметров микроклим ата в б ольничных палатах пр едставлены в таблице.
По полученным результатам измерений рассчитаны объемы приточного и удаляемого воздуха:
- приток воздуха в палату составляет 356 м3/ч;
- объем удаляемого из санузла воздуха при закрытой двери - 12 м3/ч, при открытой двери - 70 м3/ч.
Сравнение нормативных и полученных параметров показало:
1. Приток воздуха в палату составляет менее 400 м3/ч, что не соответствует норме приточного воздуха на 1 койко-место (80 м3/ч), следовательно больные не получают достаточное количество свежего воздуха.
2. В палате отсутствует вытяжка, что затрудняет удаление воздуха и вызывает перетекание воздуха из палаты в коридор.
3. Объем воздуха, удаляемого из санузла (12 м3/ч), при закрытой двери в санузел значительно меньше нормативного (50 м3/ч).
4. Герметичная дверь между помещениями палаты и санузла затрудняет вентиляцию (см. строки 11 и 12 табл.).
Рис. 2. Расположение плоскостей в расчетном объеме
Следовательно, необходима разработка мероприятий по нормализации параметров микроклимата, которые могут быть получены при определении характера распределения воздушных потоков в помещении. Для этого применен пр огр аммный комплекс Flow Vision с использованием математической модели движения слабосжи-маемой жидкости. Наибольший интерес представляет
распределение скорости в горизонтальных плоскостях на высоте 0,6 м - уровень кровати (плоскость 3), 1,5 м -уровень рабочей зоны (плоскость 4) и ряде вертикальных плоскостей (плоскости 1,2. рис. 2).
Для существующего режима работы приточно-вы-тяжной вентиляции получены линии тока воздуха в расчетном объеме и профили скоростей в определенных плоскостях. Распределения скоростей представлены в виде цветового спектра (рис. 3).
Как видно из рис. 3, максимальная скорость движения воздуха наблюдается вблизи входной двери -до 2 м/с. У вытяжного отверстия скорость воздуха составляет около 0,6 м/с. Вдоль пола и потолка имеются циркуляционные течения со скоростью 0,6-0,9 м/с, в то время как в середине помещения наблюдается устойчивая область низких скоростей до 0,1 м/с. В горизонтальной плоскости на уровне 0,6 м от уровня пола имеются циркуляционные движения воздуха со скоростью около 0,3 м/с (рис. 4,а), постепенно снижающиеся на более высоком уровне (рис. 4,б).
Таким образом, существующее распределение движения воздушных потоков не позволяет получить нормативные значения подвижности воздуха 0,25+0,05м/с и осуществлять удаление воздуха из санузла при закрытой двери.
Для достижения нормируемого воздухообмена в санузле и увеличения подвижности воздуха в палате, целесообразно в нижней части двери санузла организовать проем с декоративной решеткой и рассмотреть изменение характера распределения воздушных потоков при этом (рис. 5,6).
На рис. 5,а четко просматривается область повышенных скоростей у вытяжного проема в санузле (V = 2,1-2,4 м/с). Из рис. 5,б видно, что происходит интенсивное удаление воздуха в организованный проем двери санузла, а также щель под входной дверью.
Распределение скоростей воздуха в горизонтальных плоскостях (см. рис. 6) подтверждает увеличение подвижности воздуха во всем объеме палаты до 0,3 м/с.
Таким образом, на основании анализа результатов математического моделирования воздушных потоков получены изолинии скоростей движения вентиляционного воздуха, которые позволили выявить причины несоответствия параметров микроклимата нормативным
Рис. 3. Подвижность воздуха в вертикальных плоскостях
а)в плоскости 1
требованиям и наметить пути решения возникшей проблемы. По результатам проверок различных типоразмеров решеток, устанавливаемых в двери санузла, была рекомендована решетка размером 35х35 см, обеспечивающая требуемую подвижность воздуха.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Справочник проектировщика. Часть 3: Внутренние сани-
тарно-технические устройства. Вентиляция и кондиционирование воздуха: в 3 ч./ под ред. Н.Н. Павлова, Ю.И. Шиллера; М.: Стройиздат - 1992. к. 2 ч. 3. - 416 с. 4-е издание.
2. Гримитлин, М.И. Распределение воздуха в помещениях/ М.И. Гримитлин. - М.: Стройиздат. - 182. - 164 с.
3. Справочное пособие. Отопление вентиляция и кондиционирование воздуха жилых зданий со встроено-пристроен-ными помещениями общественного назначения и стоянками автомобилей. Коттеджи/ под ред. Г.И. Стомахиной; М.: Изд. «Пантори» - 2003 г. - 276 с.
Рис. 4. Подвижность воздуха в горизонтальных плоскостях
а) в плоскости 3
Рис. 5. Подвижность воздуха в вертикальных плоскостях после организации проема ) в плоскости 1 б) в плоскости 2
Рис. 6. Подвижность воздуха в горизонтальных плоскостях после организации проема ) в плоскости 3 б) в плоскости 4
