CC BY
11Л.А. Посельская
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОЗДУХООБМЕНА В ПОМЕЩЕНИИ ШКОЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ STAR CCM+
Объектом исследования является кабинет первого класса в средней общеобразовательной школе. Целью исследования является определить воздухообмен данного помещения, достаточный для ассимиляции теплоизбытков и поддержания оптимальных параметров микроклимата.
Ключевые слова: энергосбережение, энергоэффективность, вентиляция, вентиляция общеобразовательных учреждениях, системный подход.
Математическое моделирование позволяет предсказать параметры воздушной среды: подвижность, влажность, содержание СО2 в воздухе за счёт численного решения дифференциальных уравнений Навье-Стокса [1, 2].
Объектом исследования является кабинет первого класса в средней общеобразовательной школе. Помещение расположено в юго-восточной части школы и окнами выходит на восток. Площадь помещения 63,1 м2, длина 9 м, ширина 7 м, высота от пола до потолка 3 м. В кабинете одновременно могут обучаться до 30 учеников.
Целью исследования является определить воздухообмен данного помещения, достаточный для ассимиляции теплоизбытков и поддержания оптимальных параметров микроклимата.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Рассчитать теплопоступления в помещение для разного количества обучающихся.
2. Рассчитать количество подаваемого и удаляемого воздуха для ассимиляции теплопритоков.
Проверить выбранную схему воздухораспределения на модели кабинета, построенной в программе
Star CMM+.
Теплопритоки в помещение ассимилируются общеобменной системой вентиляции. Для того, чтобы задать расход приточного воздуха, необходимо произвести тепловой расчет.
Для расчета расхода воздуха, необходимого для ассимиляции теплопритоков, температура на вытяжке принимается Wr = 24°С - верхняя граница диапазона оптимальных температур для категории работ ¡б - легкая работа.
Температура приточного воздуха принимается 1пр = 19°С. Скорость на выходе из приточных воздухораспределителей и = 1,2 м/с, влагосодержание d = 9 г/кг.
При W явные теплопоступления от одного человека во время легкой работы (категория I) qявн (чел) = 71 Вт.
Рассмотрим помещение, полностью заполненное учениками.
Суммарные теплопоступления от 31 человека составят:
^чел = 30 • 71 • 0,75 + 71 • 0,85 = 1658 Вт.
Город находится на 57 широте, максимальное количество солнечной радиации с южной стороны попадает в 11-12 часов по солнечному времени, @снип=398 Вт/м2.
Qn = 6,72 • 0,68 • 398 = 1819 Вт.
Теплопоступления от солнечной радиации составят:
&олн = 1819 Вт.
Суммарные теплопоступления в помещение будут равны:
Ссум = Счел + Ссолн = 1658 + 1819 = 3477Вт.
Расход воздуха на притоке принят 60м3/ч на человека. L= 1860 м3/ч
Исходя из принятого расхода, определим температуру помещения.
Ссум
L =
Р • • (7Пом ^прит)
© Посельская Л.А., 2021.
Научный руководитель: Угорова Светлана Вениаминовна - зав. кафедрой ТГВиГ, Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
Т = ■
1 ттпм
0,
сум
L * р * Ср
+ Т =
' 1прит
3477
■+ 19 = 24,6
* Ср - 1860 * 1,2 * 1005 В качестве приточных решеток принято 5 решеток размером 0,5х0,25 м. Вытяжные решетки принимаются аналогично.
Для построения модели в программе STAR CCM+ необходимо задать величину поступления углекислого газа от людей.
Количество углекислого газа, выделяемого людьми в помещении.
С02(люд) = 31 • 0,00001103 = 0,0003419 кг/с. (Задано: 0,000342 кг/с)
СО?
Р • С02прит • ^ + С02люд
где С02прит = 0,00061 кг/кг.
1,2 •/,
СО,
1,2 • 0,00061 • 0,517 + 0,000342
СО-
СО-
1,2 • 0,517
= 0,0011612 кг/кг.
2(ррш)
2(кг/кг)
1,2 • 1000000
1,83
= 761 ррш.
Для моделирования в программе STAR CCM+ была выбрана подача наружного воздуха 60 м3/ч на человека при температуре 19 °С, удаляется такое же количество воздуха.
Температурные поля, получившиеся в результате модельного расчета, представлены на рисунках 1
и 2.
Рис. 1. Горизонтальное сечение помещения со скаляром температур.
Рис. 2. Вертикальное сечение помещения со скаляром температур
Согласно рисункам, струя приточного воздуха перемешивается с теплым воздухом кабинета уже через 2 метра после выхода из приточного отверстия. Воздух с наиболее высокой температурой скапливается под потолком, в рабочей зоне температура составляет 23-24°С.
На рисунках 3 и 4 изображено распределение скорости воздуха в объеме помещения.
Рис. 3. Горизонтальное сечение помещения. Подвижность воздуха
Рис. 4. Вертикальное сечение помещения. Подвижность воздуха
Из рисунков видно, что струя приточного воздуха распространяется со скоростью выше 0,8 м/с и на этой скорости достигает учеников, сидящих в последнем ряду. При этом в рабочей зоне скорость воздуха колеблется в пределах 0,1-0,2 м/с.
На рисунках 5 и 6 показано распределение углекислого газа в помещении.
Рис. 5. Горизонтальное сечение помещения. Углекислый газ
Рис. 6. Вертикальное сечение помещения. Углекислый газ
Согласно рисунку 6, средняя концентрация С02 в рабочей зоне колеблется от 740 до 900 ррт, что считается воздухом среднего качества.
На рисунках 7 и 8 представлены графики роста температуры и концентрации углекислого газа в помещении.
Рис. 7. График температуры воздуха
Iteration
Рис. 8. Концентрация ССЬ
Библиографический список
1. Гримитлин А.М., Дацюк Т.А., Денисихина Д.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционировании. СПб.:АВОК Северо-Запад, 2013.-192 с.
2. Денисихина Д.М. Использование программы STAR-CCM+ при проектировании систем вентиляции: учебное пособие/Д.М. Денисихина; СПбГАСУ. -СПб., 2013-65 с.
ПОСЕЛЬСКАЯ ЛЮБОВЬ АНАТОЛЬЕВНА - магистрант, Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
