Решение задач распределения воздуха в спортивном зале борьбы

Д. М. Денисихина, ЗАО «Бюро техники», otvet@abok.ru

Р. Ж. Шупашева, ЗАО «Бюро техники»

А. Н. Колубков, ООО ППФ «АК»

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).

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).

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).

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.

Рисунок 4 (подробнее) Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 5 (подробнее) Поле температур на высоте 1,5 м от пола

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).

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).

Рисунок 8 (подробнее) Скорость на уровне 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).

Рисунок 10 (подробнее) Поля температур в вертикальных сечениях

Рисунок 11 (подробнее) Изоповерхности по скорости 0,6 м/с

Рисунок 12 (подробнее) Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

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.

Рисунок 14 (подробнее) Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 15 (подробнее) Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Рисунок 16 (подробнее) Поля температур в вертикальных сечениях, проходящих через арочные элементы ВГК

Рисунок 17 (подробнее) Линии тока из приточных арочных элементов ВГК

Рисунок 18 (подробнее) Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

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, 10^th 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)].