Введение

Одним из важных приоритетных направлений политики России является сохранение и укрепление здоровья граждан, в том числе благодаря строительству новых спортивных комплексов и спа-центров. Общие требования по проектированию спортивных сооружений, в том числе к системам обеспечения микроклимата, представлены в ряде нормативных документов — СП 332.1325800.2017, СП 31–112–2007, СП 310.1325800.2017, СП 31–113–2004, Р НП «АВОК» 7.1–2020. Разработаны и обобщены методы инженерных расчётов теплового, влажностного и воздушного режимов бассейнов и ледовых арен, в частности, в работах [1–2]. В [3–4] предложены также способы учёта влияния лучистого теплообмена.

Для повышения эффективности проектных решений в настоящее время уже недостаточно использовать общепризнанные интегральные (балансовые) методы расчёта воздухообменов для обеспечения комфортных параметров микроклимата или эмпирические зависимости для расчёта струйных течений при выборе способов воздухораспределения. Для всесторонней оценки проектных решений в области вентиляции необходимо иметь возможность проанализировать ситуацию в целом, то есть оценить пространственную неоднородность в распределении температуры, скорости и влажности воздуха в общественных и производственных помещениях, имеющих сложную геометрию и тепло-, влаго- и газовыделения.

В последние годы широкое распространение получили методы численного моделирования вентиляционных процессов с использованием различных гидродинамических программных комплексов. Их реализация позволяет проанализировать пространственное распределение параметров микроклимата для проектного варианта организации воздухообмена и выбранных способов подготовки воздуха, а также оценить их соответствие требованиям нормативных документов. Это особенно важно, поскольку в редких случаях есть возможность выполнить проверку принятых инженерных решений в натурных условиях [5, 6].

Воздушный режим в помещениях специального назначения с большим количеством людей формируется за счёт совокупности турбулентных приточных струй, взаимодействующих с менее активными течениями вблизи вытяжных отверстий, ниспадающими потоками вблизи холодных поверхностей и конвективными течениями от источников тепловыделений. Вследствие такой сложной картины движения воздуха оценить пространственное распределение параметров микроклимата возможно только с использованием методов математического моделирования. В значительной степени это относится и к обеспечению стационарных комфортных условий в спа-центрах с открытой водной поверхностью, где скорость воздушного потока не должна превышать 0,1 м/с, а относительная влажность — 60%.

Методы

В статье использовано численное моделирование для организации комфортных условий в спа-центре.

Численное моделирование тепломассообмена и аэродинамики вентиляционных процессов основано на решении системы дифференциальных уравнений в частных производных Навье — Стокса, неразрывности, энергии и примесей [7–9]:

где τ — время; ρ — плотность; μ — коэффициент динамической вязкости; ui — 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; a — осреднённые значения удельной плотности скалярной величины; Sm и Si — интенсивность источников массы и импульса; Ja — интенсивность источников примеси.

Достоверность получаемой методом моделирование информации о распределении параметров микроклимата зависит от выбора модели турбулентности [8]. Наиболее часто при использовании сертифицированных гидродинамических пакетов для расчёта турбулентных течений применяется модель турбулентности k-ε или более поздние её модификации. Модели этой группы, к сожалению, не всегда обеспечивают необходимую для практики точность при изучении турбулентных течений вблизи твёрдых поверхностей со сложной геометрией или при больших размерах расчётной области. Поэтому проводятся оценочные расчёты, направленные на выбор модели турбулентности.

  

Этапы расчёта, таким образом, сводятся к следующему:

  • описание всех геометрических особенностей вентилируемого объекта и построение трёхмерных моделей, например, в программном комплексе SolidWorks (рис. 1а);
  • разработка и построение расчётной сетки, причём количество ячеек должно быть достаточным для получения достоверного решения и выявления тонких структур течения (последнее достигается измельчением расчётной сетки в критичных областях);
  • корректная формулировка граничных условий для решаемой задачи;
  • выбор одной из полуэмпирических моделей турбулентности для решения рассматриваемой задачи и обоснование её применения.

Расчёты, приведённые в статье, выполнены в программном комплексе Siemens STAR-CCM+ версии 13.02.011-R8, в качестве модели турбулентности принята модель k-ω. В этой модели вместо уравнения для ε используется уравнение удельной скорости диссипации кинетической энергии турбулентности ω. Применение модели k-ω позволяет получить более точные результаты, так как учитывается влияние малых чисел Re [4].


Рис. 1. Размещение вентиляционных устройств и циркуляционные течения в зоне отдыха спа-центра [а — модель спа-центра (1 — приточные диффузоры; 2 — вытяжная решётка), б — траектории струйных течений от воздухораспределителей]

Результаты и обсуждение

В общем случае для различных периодов года необходимо рассчитать достаточно много вариантов организации воздухообмена и воздухораспределения, учитывая особенности размещения всех объектов, влияющих на распределение параметров воздуха в помещении, особенно при наличии открытой водной поверхности.

Спа-центры характеризуются разнообразием как объёмно-планировочных, так и технологических решений. Для любых проектных решений важно исключить конденсацию влаги, особенно на светопрозрачных конструкциях. Подачу воздуха рекомендуется осуществлять через систему приточной вентиляции, совмещённой с воздушным отоплением, на уровне пола вертикальными струями вдоль наиболее холодных поверхностей. В зависимости от объёмно-планировочных решений возможны особые требования с точки зрения устройства системы отопления, воздушного баланса, утилизации теплоты и осушения удаляемого воздуха.

Однако применение общих рекомендаций, к сожалению, недостаточно для создания комфортных условий в зонах отдыха. Основной проблемой в помещении спа-центра является обеспечение в зоне отдыха скорости движения воздуха 0,1 м/с, относительной влажности до 60% и концентрации CO2, не превышающей 600 ppm.

Для организации воздухообмена в помещении спа-центра, включающем джакузи, взрослый и детский бассейны, использована потолочная подача приточного воздуха с использованием воздухораспределителей фирмы «Арктос» (рис. 1б), формирующих веерные струи.

При расчёте граничные условия учитывали тепло- и влагопоступления от людей, водных и смоченных поверхностей, а также количество выделяющегося углекислого газа.

Результаты численного моделирования (рис. 2) показывают, что при выбранной схеме вентиляции и типе воздухораспределителей практически все параметры соответствуют нормируемым значениям. В зоне пребывания людей температура воздуха колеблется в диапазоне от 28,5 до 30°C, что соответствует условиям комфортности для спа-центров (рис. 2а). Поле относительной влажности воздуха в зоне отдыха однородно, значения не превышают 60% (рис. 2б). Однако выявлены зоны с подвижностью воздуха от 0,2 до 0,3 м/с (рис. 2в). Низкие скорости (0 м/с) также не относятся к оптимальным значениям, поскольку это связано с образованием застойных зон.


Рис. 2. Распределение параметров микроклимата в обслуживаемой зоне спа-центра (а — поле температуры, б — поле относительной влажности, в — поле подвижности воздуха)

В результате анализа расчётных вариантов разработаны рекомендации по регулированию расхода и направления потоков приточного воздуха. Например, было предложено изменить расположение приточных диффузоров, переместив один из них в зону расположения детского бассейна для повышения температуры воздуха в этой зоне.

Заключение

Объекты, характеризующиеся проблемами при создании микроклимата, к числу которых, несомненно, относятся спа-центры, ледовые арены, плавательные бассейны и зрительные залы, подлежат обязательному математическому моделированию термодинамического состояния внутреннего воздуха для оценки соответствия нормируемым параметрам.

Результаты численного моделирования состояния воздушной среды в виде полей распределения температуры, скорости воздуха, относительной влажности и концентраций вредных веществ в характерных зонах помещения позволяют выполнить анализ целесообразности выбранных схемы организации воздухообмена и устройств распределения воздуха в рассматриваемом здании.

При несоответствии параметров возможны различные варианты корректировки проектных решений, разработка программы наладочных работ систем вентиляции или регламента обслуживания систем, а также разработка новых проектных решений.