Обеспечение требуемых параметров микроклимата в общественных зданиях имеет свои особенности, которые зависят от назначения здания, от климатических характеристик местности, в которой расположено здание, от его архитектурных, конструктивных и функциональных особенностей, от характера, интенсивности поступления и периодичности во времени вредных выделений в обслуживаемой зоне помещений здания [1]. Комплекс требований, методы выбора принципиальных решений систем вентиляции и кондиционирования воздуха подробно рассмотрены в монографии А. Г. Сотникова [2]. Согласно нормативным требованиям, представленным в ГОСТ 30494–2011 [3], установлены оптимальные и допустимые параметры микроклимата в зависимости от категории или наименования помещений при проектировании систем, обеспечивающих микроклимат тех или иных зданий. Кроме того, при проектировании систем вентиляции или кондиционирования воздуха общественных зданий некоторые требования представлены в ГОСТ Р 59972–2021 [4], СП 118.13330.2022 [5], СП 464.1325800.2019 [6], СП 44.13330.2011 [7].
Объектами исследования в данной статье являются общественные здания с торговыми и выставочными помещениями, расположенные в разных климатических условиях. Особенностями таких зданий является наличие торговых, офисных, складских помещений, паркингов и помещений другого назначения разных площадей и объёмов с различными тепло-, влаго- и газовыделениями. Для каждого вида указанных выше помещений могут быть выбраны различные варианты систем вентиляции и кондиционирования воздуха на основе предложенных обобщённых рекомендаций [8–12] общие и по результатам численного моделирования [11]. При этом для данных помещений наиболее важно обеспечить и качество воздушной среды [12, 13]. Наиболее сложными с точки зрения организации воздухообмена являются торговые залы, отличающиеся значительными теплоизбытками, особенности расчёта которых приведены в работе [14]. Особенности объёмно-планировочных и функциональных решений, переменный характер тепловых нагрузок, их влияние на выбор целесообразных вариантов систем вентиляции и кондиционирования воздуха рассмотрены в работах [14, 15].
Одним из наиболее эффективных методов исследования распределения параметров микроклимата в помещениях различного назначения является численное моделирование процессов тепломассообмена [16, 17], широко используемое в самых различных технических системах, в том числе для исследований систем вентиляции и кондиционирования воздуха [18]. В настоящее время разработаны и успешно применяются различные программные комплексы. Так, в работе [19] для численного моделирования воздухообмена и воздухораспределения в двух торговых залах размерами 15×9 м и смежных помещений выполнено на «облачной» платформе SimScale, разработанной немецкой компанией SimScale GmbH и предназначенной для численного моделирования гидродинамики и теплообмена.
В результате моделирования получены поля распределения температуры и скорости движения воздуха в холодный период года для выявления перетоков воздуха между помещениями и зон с повышенной скоростью движения воздуха, застойных зон. Однако отсутствие подробной информации о системах вентиляции, местах размещения приточных и вытяжных устройств не позволяет выполнить адекватную оценку целесообразности использования платформы SimScale.
Среди наиболее известных программных комплексов, успешно применяемых в исследованиях микроклимата помещений при функционировании различных систем вентиляции и кондиционирования воздуха, можно отметить STAR-CCM+ и AnsysCFX, что отмечено, например, в работе [20].
Численное моделирование позволяет выполнить анализ различных схем организации воздухообмена и воздухораспределения для обоснования выбора наиболее рационального варианта.
Методы
Применение численного моделирования в качестве методов исследования воздушной среды общественных зданий с переменными тепловыми нагрузками позволяет получить трёхмерную картину течения воздушных потоков, полей температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха, распределения вредных веществ в помещении, провести анализ принятых проектных решений по системам обеспечения микроклимата или выбрать оптимальное решение по организации воздухообмена, которое позволит избежать ошибок и неоправданных затрат, особенно если это касается проектирования, например, архитектурно сложных объектов (театры, концертные залы, торговые и спортивные комплексы, бассейны и пр.).
На формирование полей микроклиматических параметров оказывают влияние многие факторы. При этом наиболее интенсивно влияют приточные струи, конвективные струи над нагретыми источниками теплоты, потоки вблизи светопрозрачных конструкций. Также можно отметить влияние потоков вблизи вытяжных отверстий, течения, формируемые при действии механического оборудования, фанкойлов и внутренних блоков фреоновых систем, движении людей и множество других факторов. Кроме того, каждый из данных потоков в свою очередь существенно зависит от режима работы и геометрических размеров помещения, начальных и граничных условий формирования (параметров воздуха на выходе или входе в помещение; характеристики и направления потоков теплоты, влаги, газов, пыли, любых примесей и т. д.).
Учесть совместное действие всего многообразия факторов, используя аналитические методы расчёта воздухообмена и воздухораспределения, практически невозможно. Вследствие такого многообразия действующих факторов решать задачи обоснования наиболее целесообразных вариантов создания нормируемых параметров микроклимата удаётся только в результате использования численного моделирования процессов гидродинамики и тепломассообмена.
Численное моделирование основано на решении системы дифференциальных уравнений Навье — Стокса, уравнений неразрывности, энергии и примесей [16–18] с использованием k-ε-модели турбулентности [21]:
где t — время; ρ — плотность; μ — коэффициент динамической вязкости; uj — компоненты вектора осреднённой скорости по осям координат; τij — турбулентные напряжения (дополнительные напряжения Рейнольдса); ui, uj, T и C — локальные пульсации скорости, температуры и примеси потока, соответственно; a — осреднённые значения удельной плотности скалярной величины; Sm и Si — интенсивность источников массы и импульса, соответственно; Ja — интенсивность источников примеси.
Анализ состояния воздушной среды в исследуемых помещениях выполнен в программном комплексе SolidWorks (модуль Flow Simulation [22]). Поскольку объекты существенно различаются по назначению, то в каждом случае необходимо оценить наиболее важные параметры. Так, в торгово-выставочном зале автосалона должен быть выполнен анализ содержания кислорода исходя из возможного поступления выхлопных газов. Для одного из торговых залов, расположенных на первом этаже административного здания, рассмотрен анализ функционирования системы кондиционирования воздуха, обеспечивающей охлаждение в тёплый период года. Подобные объекты являются в настоящее время одним из наиболее распространённых видов торговых залов.
Согласно ГОСТ 30494–2011 [3], в помещениях общественных зданий с постоянным пребыванием людей должны быть обеспечены допустимые параметры микроклимата, в частности, в тёплый период установлены следующие: температура — 18–28°C; относительная влажность — не более 65%; подвижность воздуха — не более 0,25 м/с.
Торгово-технический центр предназначен для продажи, сервиса и технического обслуживания автомобилей. Численное моделирование воздушной среды выполнено в торгово-выставочном зале центра размерами в плане 47,8×38,2 м и высотой 4,7 м.
В качестве моделей автомобилей приняты параллелепипеды размерами 2×5,2×1,5 м, выхлопная труба задана отдельно. В качестве моделей людей также приняты параллелепипеды (блоки) размером 0,5×0,5×1,8 м. В торгово-выставочном зале одновременно находятся шесть человек и семь автомобилей, которые являются источниками выделения углекислого газа (CO2). По заданию скорость потока газов для автомобилей составляла 0,63 м/с; скорость потока углекислого газа для людей — 0,058 м/с.
Рис. 1. Массовая доля воздуха (а) и СО2 (б) в горизонтальном сечении помещения
Воздухообмен в данном помещении организован по схеме «сверху-вверх» с применением системы приточно-вытяжной вентиляции. Для подачи воздуха предусмотрены 34 вентиляционные решётки размером 500×200 мм, расположенные вдоль стен под потолком, для удаления — 14 вытяжных решёток размером 500×200 мм. Скорость воздушного потока на входе и выходе вентиляционных решёток принята 1,1 м/с. Результаты моделирования представлены в виде полей температуры, концентраций воздуха и углекислого газа, показанных на рис. 1–3.
Рис. 2. Поле температур в горизонтальном сечении помещения
На первом этаже административного здания расположены четыре торговых зала, для обеспечения требуемых параметров микроклимата предусмотрены механические приточно-вытяжная системы вентиляции и VRF-система кондиционирования воздуха. Приточные и вытяжные устройства типа ДКУ-250 равномерно размещены в подвесном потолке. Системы вентиляции предусмотрены для обеспечения двукратного воздухообмена, определённого на ассимиляцию тепловлагоизбытков в холодный период года с учётом минимальной нормы наружного воздуха. В результате расчёта воздухораспределения, выполненного в программе [23], при скорости истечения приточного воздуха 0,8 м/с на входе в обслуживаемую зону помещения получены значения скорости 0,1 м/с и перепад температуры 0,1°C при разности температуры на выходе из приточного диффузора 2°C.
Рис. 3. Векторное отображение скоростей потоков газов в горизонтальном сечении
Для компенсации теплоизбытков в тёплый период года установлены три кассетных внутренних блока VRF-системы фирмы Hisense, хладагент — фреон R410a с параметрами 7/12°C. Для построения геометрической модели объекта использованы следующее упрощение: фигуры людей, одновременно находящихся в помещении, показаны вертикальными блоками (29 шт.). Кроме того, влияние приточных струй и потоков у вытяжных отверстий учтено в граничных условиях. После построения геометрии помещения созданы расчётная сетка, сечения и области сгущения сетки с более мелкими ячейками у ламелей решёток внутренних кассетных блоков системы кондиционирования воздуха.
Общая продолжительность расчёта составила 283 итерации [повторяющееся использование методов численного решения исходной системы уравнений (1)], выполнявшихся до достижения результатов сходимостей значений температур и скоростей воздуха.
Результаты моделирования представлены полями распределения температур, подвижности воздуха и траекториями воздушного потока (рис. 4).
Рис. 4. Траектории потоков от внутренних блоков СКВ
Результаты и обсуждение
По итогам проведённого моделирования воздушных режимов исследуемых помещений получены следующие результаты.
В торгово-выставочном зале центра по продаже автомобилей при функционировании системы приточно-вытяжной вентиляции в тёплый период года концентрация углекислого газа соответствует ПДК; средняя температура воздуха в обслуживаемой зоне составляет 27°C; скорость движения воздуха — не более 0,1 м/с, кроме зон у работающих автомобилей и непосредственно рядом с людьми, где выявлена скорость до 0,3 м/с; массовая доля воздуха в объёме помещения составила 96%.
В торговом зале административного здания при действующей системе кондиционирования воздуха в рассматриваемых горизонтальном и вертикальных сечениях обслуживаемой зоны помещения получены значения температур в 20–22°C и значения подвижности воздуха — не более 0,2 м/с, что соответствует нормируемым значениям микроклимата в тёплый период года.
Заключение
В результате численного моделирования можно сделать следующие выводы:
1. Эффективность принятых в процессе проектирования инженерных решений подтверждена соответствием полученных значений параметров микроклимата нормируемым значениям.
2. Параметры воздуха в торговом помещении административного здания соответствуют допустимым параметрам для помещений с постоянным пребыванием людей данной категории 3в.
3. При работающей системе общеобменной вентиляции в выставочном помещении салона-магазина температура внутреннего воздуха 27°C, что соответствует допустимым параметрам. Однако для повышения уровня комфортности в выставочном зале салона следует предусмотреть систему кондиционирования воздуха, например, VRF-систему, эффективность которой подтверждена исследованиями для торгового зала административного здания.
