Аэродинамика кольцевых вентиляционных сетей с переменным расходом воздуха

Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.

В настоящее время с целью обеспечения комфортного пребывания людей большинство современных общественных зданий оборудованы системами механической приточно-вытяжной вентиляции. Это прописано в требованиях современной нормативной литературы [1]. При этом затраты на нагревание приточного вентиляционного воздуха зимой и его охлаждение летом становятся одной из самых крупных статей расхода при эксплуатации общественного здания.

Особенностью эксплуатации некоторых общественных зданий является неравномерность их заполнения. К таким зданиям в первую очередь относятся гостиницы. Согласно статистическим данным [2], в основном, в Челябинске представлен сегмент делового туризма. На его долю приходится около 80-90 % всех прибывающих в город людей. Среднегодовой показатель заполняемости гостиниц Челябинска составляет примерно 50-65 %. При этом гостиницы в течение года заполняются крайне неравномерно. Во время проведения массовых мероприятий, таких как, например, чемпионаты мира, международные форумы, гостиницы могут заполняться на 100 %. При этом в другое время, может быть занято только 20-30 % номеров [2].

Учитывая данную особенность эксплуатации, получается, что самый экономичный способ вентилирования зданий со значительной неравномерностью использования — это применение систем с переменным расходом воздуха, когда производительность этих систем, в случае гостиниц, зависит от количества занятых номеров.

Гостиницы, как правило, являются зданиями «коридорного типа», поэтому в них используется следующая стандартная схема вентиляции: магистральный воздуховод прокладывается под потолком коридора, а в каждый номер заходит отдельное ответвление. Система вентиляции с переменным расходом воздуха реализуется с помощью электронных ключей (карточек). Когда постоялец входит в номер, вставляет такую карточку и тем самым автоматически обеспечивает подачу электроэнергии в номер, в этот момент открывается заслонка на ответвлении от магистрального воздуховода, обеспечивая подачу приточного воздуха.

Регулирование расхода воздуха на источнике (приточной установке) достигается установкой частотного регулятора скорости вращения вентилятора. Однако при уменьшении расхода воздуха изменяется скорость в сечении воздуховода и, соответственно, потери давления. Вследствие этого нарушается аэродинамический режим вентиляционной сети, а, следовательно, и гидравлическая увязка ответвлений. Расход воздуха, поступающего через ответвления на магистральном воздуховоде (в данном случае в гостиничные номера), изменяется непропорционально, при закрытии одних ответвлений он может вырасти или снизиться в других в два-три раза по сравнению с номинальным.

Проблему нарушения аэродинамики вентиляционной сети при изменении расхода воздуха предлагается решить с помощью поэтажной «закольцовки» магистральных воздуховодов. Перемычка позволяет снизить неравномерность воздухораспределения за счёт перетока воздуха от более нагруженной ветки к менее нагруженной путём смещения «нулевой» точки. Предложенная схема способствует выравниванию статического давления по длине воздуховода, тем самым повышается равномерность раздачи воздуха через ответвления. Для проверки данного предположения в программном пакете SolidWorks Flow Simulation была смоделирована вентиляционная сеть здания двухэтажной гостиницы с 12-ю номерами на каждом этаже.

Для расчётов программа CFD-моделирования строит прямоугольную сетку, произвольным образом пересекающую поверхность модели, созданной в системе графического проектирования. Для описания физических процессов используются дифференциальные уравнения. Более подробно принцип работы программного комплекса SolidWorks Flow Simulation представлен в работе [3].

Расход воздуха через каждое отверстие принят равным 500 м³/ч. Вентиляционная сеть в режиме полной загрузки в проектном режиме отрегулирована путём изменения площадей поперечного сечения отверстий, движения воздуха по перемычке нет.

В режиме эксплуатации рассмотрена ситуация наполненности гостиницы на 60 %, на втором этаже занято шесть номеров, а на первом — восемь. Расход воздуха в системе регулируется вентилятором с частотным преобразователем, пропорционально количеству занятых номеров.

На рис. 1 и 2 представлено продольное сечение вентиляционной сети с эпюрой скоростей. Области с наименьшей скоростью движения воздуха показаны чёрным цветом, цвета постепенно изменяются к белому по мере увеличения скорости. Значения скоростей на цветовой шкале даны в м/с. Цветовая градация распределения скоростей на рис. 2 соответствует значениям на шкале рис. 1. Чёрные линии показывают интенсивность и характер движения воздуха. Их концентрация прямо пропорциональна скорости движения.

Из рис. 2 следует, что при отсутствии замыкающей перемычки равномерность воздухораспределения значительно нарушается. Расход у первых отверстий сильно падает, а у последних — увеличивается почти в два раза.

Численные значения расходов через отверстия при двух конфигурациях сети представлены в табл. 1 (отверстия пронумерованы по ходу движения). Из табл. 1 видно, что при отсутствии перемычки численные значения расходов воздуха, особенно у конечных отверстий значительно меньше номинального значения 500 м^{1 2 3 4 5}/ч. В то же время, в отверстиях ближайших к вентилятору расход в несколько раз выше номинального значения, что при эксплуатации приведёт к увеличению скорости воздуха и, как следствие, к значительному аэродинамическому шуму.

Выполненные расчёты показали, что установка перемычки, которая будет закольцовывать поэтажные воздуховоды в зданиях коридорного типа, способствует выравниванию расходов при выходе воздуха через отверстия в системах вентиляции с переменной производительностью.

Аэродинамикой систем с переменным расходом воздуха занимаются многие инженеры-исследователи. Например, Таечеол Ким из университета Оклахомы (США) изучал оптимальный метод подбора сечений воздуховодов для вентиляционных систем с изменяющимся расходом воздуха [4]. Изменение расхода воздуха в процессе эксплуатации вентиляционных систем является перспективным направлением в снижении энергопотребления при решении проблем, связанных с аэродинамикой движения воздуха.

Компания Belimo предлагает устанавливать на ответвлениях в каждое помещение VAV-регуляторы, которые поддерживают заданный расход приточного воздуха в зависимости от текущей потребности [5]. Необходимая величина расхода определяется значением внешнего управляющего сигнала, который может поступать от терморегуляторов, датчиков углекислого газа или других элементов системы управления, находящихся в помещении. Такая система достаточно эффективна в поддержании заданного расхода воздуха в помещении. Её главными недостатками являются высокая стоимость средств автоматизации и высокие требования к квалификации обслуживающего их персонала.

Предложенное в работе решение с кольцевой сетью воздуховодов обеспечивает не такое точное поддерживание расходов воздуха в ответвлениях при изменении скорости в магистрали, как в случае применения VAV-регуляторов. Однако применение кольцевых сетей воздуховодов позволяет значительно снизить стоимость системы. Наличие соединяющей перемычки позволяет отказаться от дорогостоящих регуляторов, заменив их обычной двухпозиционной заслонкой. Такую систему легко автоматизировать и эксплуатировать.