Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Решение задач распределения воздуха в спортивном зале борьбы

Resolution of Air Distribution Problems in a Wrestling Sport Hall

D. M. Denisihina, CJSC “Byuro tehniki”
R. Zh. Shupasheva, CJSC “Byuro tehniki”
A. N. Kolubkov, LLC PPF “AK”

Keywords:air distribution, temperature pattern, velocity field, mathematic modeling

Air distribution is the final type of air treatment in ventilation and air conditioning systems, and it practically completely defines the functionality of future systems, affecting the efficiency of design solutions, and, therefore, feasibility of investment in the utility systems.

The article presents a solution for development of an efficient air exchange and air distribution system in a wrestling sports hall with bleachers for 500 visitors in a newly designed sports school building

Описание:

Воздухораспределение, являясь последним видом обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования, практически полностью определяет функционал будущих систем, влияя на эффективность проектных решений, а следовательно, на целесообразность инвестиций в инженерные системы.

В статье приведено решение задачи создания эффективной системы воздухообмена и воздухораспределения в спортивном зале борьбы с трибунами на 500 мест в проектируемом здании спортшколы

Решение задач распределения воздуха в спортивном зале борьбы

Воздухораспределение, являясь последним видом обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования, практически полностью определяет функционал будущих систем, влияя на эффективность проектных решений, а следовательно, на целесообразность инвестиций в инженерные системы.

При этом простых и достоверных универсальных инженерных методик расчета турбулентных потоков в помещениях нет и объективно быть не может. Результирующее распределение температур, скоростей и субстанций в вентилируемых и кондиционируемых объемах формируется в сложных процессах взаимодействия вынужденных и естественно конвективных течений [1–4]. При этом известные инженерные методики приближенного расчета [5, 6] носят ограниченный характер и применимы для ряда простых частных случаев.

В настоящей статье приведено решение задачи создания эффективной системы воздухообмена и воздухораспределения в спортивном зале борьбы с трибунами на 500 мест в проектируемом здании спортшколы.

Постановка задачи

Универсальный спортивный зал площадью 2275 м2 предназначен для проведения спортивных состязаний и тренировок, с двумя матами в центральной части и одним рингом. По двум сторонам зала расположены трибуны для зрителей (рис. 1).

Универсальный спортивный зал

Рисунок 1 (подробнее)

Универсальный спортивный зал

В ходе проектного процесса были отобраны два варианта распределения воздуха.

Первый вариант: подача воздуха через сопла АР600, закрепленные на воздуховодах переменного сечения от 1500×800 мм до 400×600 мм, расположенных вдоль боковых стен. Сопла на противоположных воздуховодах установлены не соосно, а со смещением в шахматном порядке. Угол поворота сопел 20° вверх. Сопла (общее количество 40 единиц, суммарный расход воздуха 40820 м3/ч) подобраны по нормативному расходу производителя с учетом длины развития струи для ее входа в рабочую зону. Удаление воздуха осуществляется в центральной части спортивного зала под потолком (рис. 2).

Первый вариант схемы воздухораспределения в спортивном зале борьбы

Рисунок 2 (подробнее)

Первый вариант схемы воздухораспределения в спортивном зале борьбы

Второй вариант: подача воздуха через систему арочных элементов–распределителей ВГК [7], установленных на горизонтальном воздуховоде постоянного сечения 1500×750 мм, расположенном по оси спортивного зала на отметке 21,1 м. Воздух суммарным расходом 40820 м3/ч подается с обеих сторон воздуховода по 20410 м3/ч с каждой стороны; удаление воздуха–по бокам помещения из подпотолочного пространства (рис. 3).

Второй вариант схемы воздухораспределения в спортивном зале борьбы

Рисунок 3 (подробнее)

Второй вариант схемы воздухораспределения в спортивном зале борьбы

Метод исследования

В настоящей работе для анализа параметров микроклимата в спортивном зале для двух схем воздухораспределения использовались методы математического моделирования, базирующиеся на универсальных законах сохранения (уравнениях Навье–Стокса) и позволяющие получить распределение параметров микроклимата в любом помещении. Так как дифференциальные уравнения тепло- и массопереноса в помещении в общем виде являются нелинейными, они не имеют аналитического решения и требуют привлечения методов численного моделирования, широко применяемых в различных промышленных отраслях.

Для численного решения уравнения Навье–Стокса в настоящем исследовании использовался гидродинамический пакет STAR-CCM+, хорошо зарекомендовавший себя в предыдущих работах [8, 9].

Для моделирования турбулентных течений использован подход RANS, позволяющий при умеренных вычислительных затратах (~80 ч счета, 9 млн ячеек) получать решения, точность которых достаточна для любых задач техники вентиляции и кондиционирования.

Результат исследования

Первый вариант воздухораспределения

На рис. 4 и 5 показаны температурные и скоростные поля, формирующиеся в плоскости рабочей зоны борцовских ковров в случае воздухораспределения соплами. Отчетливо видно, что расход 40820 м3/ч (кратность воздуха k = 1,15 ч–1) способен полностью ассимилировать тепловыделения (зрители, борцы, солнечная радиация, освещение) в спортивном зале с формированием допустимых скоростных и температурных полей.

Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 4 (подробнее)

Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 5 (подробнее)

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Поля температур в вертикальных сечениях, проходящих через сопла

Рисунок 6 (подробнее)

Поля температур в вертикальных сечениях, проходящих через сопла

На рис. 6 показано течение в вертикальных сечениях. Видно, что характер течения поддерживается качественным анализом, а формирующиеся параметры воздуха находятся в нормативном поле.

Однако в модели есть некая интрига. В расчете предполагалось, что расход воздуха через сопловые аппараты одинаков и равен 1020 м3/ч. Однако, учитывая высокие объемы подаваемого воздуха и количество сопел, достичь равномерного истечения воздуха через каждое сопло путем его индивидуального регулирования на практике почти невозможно. Ситуация усугубляется еще и тем, что расход наружного воздуха будет управляться по датчику СО2, т.е. будет переменным и зависеть от числа людей в зале.

В связи с этим для выяснения воздухораспределения в помещении при истечении воздуха из сопел с фактическими расходами была создана математическая модель, включающая в себя течение в воздуховоде (рис. 7, табл. 1).

Распределение расходов по соплам приточного воздуховода в осях 5–14/И (20 единиц)

Рисунок 7 (подробнее)

Распределение расходов по соплам приточного воздуховода в осях 5–14/И (20 единиц)

Таблица 1 (смотреть)

Видно, что скорость воздуха в воздуховоде примерно постоянна и имеет значения 4,7–4,0 м/с и только в конце воздуховода скорость уменьшается до 3,0–2,2 м/с в силу конструктивных особенностей. При этом расход воздуха по сопловым аппаратам оказывается существенно различен и изменяется от 517 до 1282 м3/ч.

На рис. 8, 9, 10 показаны температурные и скоростные поля, формирующиеся в объеме спортивного зала, с учетом реального разброса в расходах воздуха по соплам, который будет иметь место в действительности.

Видно, что в этом случае течение в объеме зала (рис. 8, 9) отличается от идеализированной модели (рис. 4, 5).

Скорость на уровне 1,5 м от пола

Рисунок 8 (подробнее)

Скорость на уровне 1,5 м от пола

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 9 (подробнее)

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Анализ результатов математического моделирования течения в объеме зала для первого варианта воздухораспределения при фактических расходах через сопла показал следующее:

  • скорость воздуха в плоскости рабочей зоны 0,2–0,4 м/с с локальными повышениями скорости до 0,5–0,6 м/с (рис. 8);
  • температура воздуха в самый жаркий день лета при 100%-ной заполненности зала зрителями составляет +25,5…+26,5 °C (рис. 9, 10), что на 1,5–2,5 °C выше расчетной проектной температуры;
  • изоповерхности по скорости 0,6 м/с (рис. 11) показывают неравномерность распределения воздуха соплами по длине воздуховода: через первые 7 единиц и последние 4 единицы сопел подается гораздо большее количество воздуха, чем через центральные;
  • наблюдается эжекция теплого воздуха из подферменного пространства, влияющая на повышение температуры и концентрацию углекислого газа в рабочей зоне;
  • концентрация углекислого газа в рабочей зоне–650–700 ppm (рис. 12, 13).
Поля температур в вертикальных сечениях

Рисунок 10 (подробнее)

Поля температур в вертикальных сечениях

Изоповерхности по скорости 0,6 м/с

Рисунок 11 (подробнее)

Изоповерхности по скорости 0,6 м/с

Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

Рисунок 12 (подробнее)

Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

Поле концентрации углекислого газа на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 13 (подробнее)

Поле концентрации углекислого газа на высоте 1,5 м от пола

 

Второй вариант воздухораспределения

Результаты исследования течения, формирующегося в объеме спортивного зала при подаче воздуха через систему арочных элементов (распределителей ВГК), приведены на рис. 14–19. Видно, что в этом случае характер скоростных, температурных и концентрационных полей существенно отличен от случая воздухораспределения с помощью сопел (рис. 8–13).

Анализ результатов математического моделирования течения в объеме зала для второго варианта воздухораспределения (через арочные элементы ВГК) показал следующее:

  • скорость воздуха в плоскости рабочей зоны 0,2–0,4 м/с, в центральной части зала до 0,7 м/с;
  • температура воздуха в рабочей зоне в самый жаркий день лета при 100%-ной заполненности зала зрителями составляет +24,5…+26,0 °C. В отличие от подачи воздуха соплами, отсутствует эжекция теплого воздуха из подферменного пространства;
  • неравномерность распределения воздуха арочными элементами ВГК по длине воздуховода: через центральные ВГК воздух подается с большим расходом и большей скоростью; данный вопрос решается перераспределением количества ВГК по длине воздуховода;
  • концентрация углекислого газа в рабочей зоне спортсменов меньше, чем в случае воздухораспределения соплами, и составляет 600–650 ppm;
  • относительная влажность воздуха около 50–55%.

Несмотря на завышение скоростей в центральной части зала, вариант подачи воздуха при помощи арочных элементов (ВГК) является более перспективным в сравнении с воздухораспределением соплами. Вот его основные преимущества:

  • отсутствие эжекции теплого воздуха из подферменного пространства;
  • подача свежего воздуха непосредственно в зону соревнований спортсменов;
  • отсутствие необходимости регулирования каждого воздухораспределителя, что облегчает монтаж, наладку и обслуживание системы;
  • более эстетичный вид.

Проведение дополнительных исследований позволит определить оптимальное количество ВГК, частоту их установки и принцип подачи воздуха (боковой или вниз, возможно, комбинация обоих вариантов) для получения картины, близкой к идеальной.

Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 14 (подробнее)

Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 15 (подробнее)

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Поля температур в вертикальных сечениях, проходящих через арочные элементы ВГК

Рисунок 16 (подробнее)

Поля температур в вертикальных сечениях, проходящих через арочные элементы ВГК

Линии тока из приточных арочных элементов ВГК

Рисунок 17 (подробнее)

Линии тока из приточных арочных элементов ВГК

Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

Рисунок 18 (подробнее)

Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

Поле концентрации углекислого газа на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 19 (подробнее)

Поле концентрации углекислого газа на высоте 1,5 м от пола

Литература

  1. Nielsen, P.V., Allard, F., Awbi, H. B., Davidson, L., and Schälin, A. // Computational fluid dynamics in ventilation design. REHVA Guide Book 10. REHVA. 2007.
  2. Ladeinde, F., Nearon, M. CFD applications in the HVAC&R industry // ASHRAE Journal. 1997. 39 (1).
  3. Zhang, Z., Zhai, J. Z., and Chen, Q. Evaluation of various CFD models in predicting room airflow and turbulence. Proceedings of Roomvent 2007, 10th International Conference on Air Distribution in Rooms, Helsinki, Finland.
  4. Lee, K., Jiang, Z., Chen, Q. Air distribution effectiveness with stratified air distribution systems // ASHRAE Transactions. 2009. Vol. 115 Issue 2.
  5. Позин Г. М. Принципы разработки приближенной математической модели тепловоздушных процессов в вентилируемых помещениях // Известия высших учебных заведений. № 11. Раздел: Строительство и архитектура. Новосибирск, 1980.
  6. Кац Р. Д. Расчет параметров воздушной среды вентилируемых помещений // АВОК. 2005. № 4.
  7. Баландина Л. Я., Бурцев C. И., Денисихина Д. М., Мальгин Ю. В. Эффективное распределение воздуха с помощью «генератора комфорта» // Инженерные системы. АВОК–Северо-Запад.2007. № 4 (31).
  8. Денисихина Д. М. Численное моделирование неизотермических турбулентных течений в помещениях плавательных бассейнов // Вестник гражданских инженеров. 2014. № 3 (44).
  9. Денисихина Д. М. Особенности численного моделирования поведения воздушных потоков в объемах концертных и театральных залов // Интернет-журнал «Науковедение». 2014. № 3 (22)].
купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №4'2015

распечатать статью распечатать статью PDF pdf версия


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте