Такой подход реализован в программном комплексе «ПРИВОЗ-W», с помощью которого возможно нахождение требуемого количества приточного воздуха, выбор и рациональное размещение воздухораспределительных устройств в вентилируемых и кондиционируемых помещениях. Роль рациональной организации воздухообмена и воздухораспределения в помещениях с механической вентиляцией Актуальность проблемы рациональной организации воздухообмена и воздухораспределения определяется, в первую очередь, тем, что от подачи и удаления воздуха зависит конечный эффект работы всей системы вентиляции и кондиционирования воздуха. На формирование температурных, газовых, влажностных и скоростных полей в помещении влияет значительное количество факторов. Наиболее значимые из них: ❏источники тепловыделений, в первую очередь, от технологического оборудования; над ними образуются конвективные (тепловые) потоки, которые в некоторых производствах, так называемых «горячих цехах» (кузнечно-прессовых, термических, литейных и т.п.), могут быть весьма мощными и определять циркуляцию воздуха в помещении; ❏приточные струи, образуемые при выпуске вентиляционного воздуха через различные устройства; для многих производств именно приточные струи и индуцируемые ими циркуляционные течения оказывают доминирующее воздействие на схему движения воздуха в помещении; ❏ниспадающие конвективные потоки воздуха у холодных поверхностей; поступая в рабочую зону, такие потоки могут вызвать в ней существенное понижение температуры; ❏теплопотери или теплопоступления через наружные ограждения (в зависимости от времени года), потоки инфильтрующегося наружного воздуха и перетекающего из смежных помещений; ❏общеобменная вытяжная вентиляция—она оказывает гораздо меньшее влияние на картину циркуляционных потоков (скоростных полей) в помещении, чем приточная, однако на формирование температурных, влажностных и газовых полей в помещении расположение мест удаления воздуха сказывается существенным образом; ❏местная вытяжная и приточная вентиляция (местные отсосы, воздушные души, воздушные завесы и пр.). В той или иной степени они связаны с формированием тепловоздушного режима в помещении. Кроме того, на потоки воздуха в помещении могут влиять вращающееся и движущееся оборудование и другие факторы. Поскольку все представленные выше факторы формируют температурновлажностный и газовый режим помещения во взаимосвязи и взаимовлиянии, то сложность решения задачи обеспечения требуемых параметров воздушной среды совершенно понятна. Методы расчета параметров воздушной среды в помещениях Современный подход к решению таких сложных многофакторных задач тепломассопереноса в ограниченном пространстве, каким является представленная выше картина циркуляции воздушных потоков в вентилируемом помещении, заключается в математическом моделировании их движения с помощью системы уравнений турбулентного движения вязкой жидкости, представляющих аналитическое выражение законов сохранения импульса и массы (уравнения Навье-Стокса) совместно с соотношениями энергии и переноса и условиями «замыкания» системы уравнений [1]. Для описания процессов в ограждениях применяются уравнения тепломассопереноса. Математически система включает нелинейные и линейные дифференциальные уравнения второго порядка в частных производных с соответствующими граничными условиями на поверхностях ограждений и теплоисточников, а также в устройствах для выпуска и удаления воздуха (условия непроницаемости, прилипания, распределения скоростей на выходе, температуры или тепловых потоков на поверхностях и т.д.). Решение системы проводят почти исключительно численными методами. В результате получают скоростные, температурные, газовые поля во всем объеме помещения, с помощью которых можно решать различные задачи, связанные с рациональной организацией воздухообмена. Благодаря фундаментальным исследованиям в гидромеханике и значительному прогрессу в области вычислительной техники, использование системы уравнений Навье-Стокса применительно к задачам вентиляции получает все большее распространение за рубежом и у нас в стране. Несомненно, этому направлению принадлежит большое будущее, однако пока эти методы расчета достаточно сложны и не всегда доступны широкому кругу специалистов по вентиляции и кондиционированию воздуха. Кроме того, ряд научных и технических вопросов, связанных с применением системы уравнений Навье-Стокса для расчета воздушных течений в помещении, еще ждет своего решения. Поэтому в настоящее время основным инструментом для инженерных расчетов тепловоздушного режима помещений с механической вентиляцией остаются так называемые интегральные методы,использующие: ❏закономерности струйных течений, учитывающие особенности развития вентиляционных струй; ❏ эмпирическую или полуэмпирическую схему циркуляции воздушных потоков в помещении; ❏приближенные математических модели тепловоздушных процессов, связанных с решением систем балансных уравнений для характерных конечных объемов и поверхностей. Струйные течения находят широкое распространение в самых различных областях науки и техники. Исследованию их закономерностей посвящен ряд основополагающих монографий и многочисленные работы выдающихся зарубежных и отечественных ученых. На развитие аэродинамических основ вентиляционноотопительной науки и техники наибольшее влияние оказали работы Г.Н. Абрамовича [2], М.И. Гримитлина [3], В.Н. Талиева [4], И.А. Шепелева [5]. Для расчета вентиляционных струй используют так называемые интегральные методы, связанные с выделением в струе конечного объема, к которому применяют теоремы об изменения количества движения и теплосодержания, а также учитывают подобие профилей скорости и избыточной температуры в произвольном сечении струи. Разработаны инженерные методы расчета для наиболее распространенных типов вентиляционных струй (компактных, плоских, веерных, конических, закрученных и др.) с учетом их специфических особенностей: выпуском воздуха через затененные отверстия, неизотермичностью, развитием в стесненных условиях, взаимодействием струй друг с другом и с ограждениями. Учет перечисленных выше особенностей вентиляционных струй существенным образом усложняет их расчет. Главной трудностью является то обстоятельство, что все упомянутые факторы оказывают значительное влияние на поведение струй, поэтому нельзя пренебречь ни одним из них, причем действуют они, как правило, одновременно. С помощью закономерностей струйных течений решаются такие задачи, как нахождение экстремальных величин скорости и избыточной температуры в рабочей зоне, оценка равномерности скоростных и температурных полей при различных способах подачи воздуха и связанное с этой задачей определение количества воздухораспределительных устройств, проверка соответствия схем циркуляции воздушных потоков в помещении расчетным условиям и др. Расчет систем воздухораспределения на основе струйных течений разработан для всех основных схем подачи воздуха. Вычисление количества приточного воздуха является одной из основных задач вентиляции и производится с использованием приближенных математических моделей вентиляционных процессов в помещении. Трудность определения воздухообмена определяется, в первую очередь, необходимостью нахождения коэффициента воздухообмена (КL), связывающего параметры воздуха на истечении, в рабочей зоне и в удаляемом воздухе и дающего представление об эффективности использования вентиляционного воздуха. Для вычисления КL разработаны специальные методы расчета на основе построения приближенных математических моделей тепловоздушныхпроцессов в помещениях [6, 7]. Помещение рассматривают как конечную совокупность характерных объемов и поверхностей, участвующих в тепломассообмене. Для всех характерных объемов и поверхностей (рабочей зоны, конвективных и приточных струй, зон циркуляции, поверхностей оборудования и т.д.) составляют уравнения сохранения энергии (теплоты) и массы, которые в совокупности образуют основную систему уравнений, являющейся искомой математической моделью. С ее помощью помещение или сооружение изучают как единое энергетическое целое при рассмотрении всех потоков теплоты и массы, формирующих микроклимат в помещении, в их взаимосвязи и взаимовлиянии. Таким образом, реализуется современный подход комплексного решения задач строительной теплофизики, отопления и вентиляции (В.Н. Богословский [8], Ю.А. Табунщиков [9], автор статьи [10] и др.). При приведении приближенной математической модели к расчетному виду используют закономерности теплои массообмена (для выражения конвективных, лучистых и других потоков через параметры), струйных течений, а также экспериментально выявленные схемы циркуляции воздуха в помещении. С помощью методики построения приближенных математических моделей найдены аналитические выражения для коэффициентов воздухообмена и определено необходимое количество приточного воздуха для всех основных способов подачи воздуха с механической вентиляцией и кондиционированием воздуха [6]. В аналитические соотношения для КL входят основные факторы, от которых зависит воздухообмен в помещении: характеристики приточных устройств, параметры конвективных потоков, распределение теплоизбытков по зонам помещения, теплопотери, расходы и параметры инфильтрирующегося воздуха и перетекающего из соседних помещений, расходы воздуха, удаляемые местными отсосами и подаваемые воздушными душами и др. Анализ разработанных методов расчета воздухораспределения и приближенных математических моделей тепловоздушных процессов в вентилируемых и кондиционированных помещениях показал, что вопросы определения количества приточного воздуха и его раздачи в помещениивзаимосвязаны друг с другом (принцип совместного расчета воздухообмена и воздухораспределения [11]. Действительно, чтобы рассчитать параметры струйных течений, необходимо знать количество воздуха, подаваемого через приточное устройство (т.е. величину воздухообмена). С другой стороны, в соотношения для определения количества приточного воздуха следует вычислить коэффициент воздухообмена с использованием системы балансных уравнений, в которые входят параметры вентиляционных струй. Справедливость разработанных методов расчета многократно подтверждена на физических моделях и в натурных условиях. Методы расчета включены в нормативные, методические и справочные документы и руководства [12 и др.] и использованы при проектировании большого числа объектов самого различного назначения. Комплексный расчет воздухообмена и воздухораспределения и его реализация с использованием компьютеров Математически задача комплексного (совместного) расчета воздухообмена и воздухораспределения, с учетом сказанного в предыдущем разделе, сводится к решению систем линейных и нелинейных уравнений и неравенств при дискретном ряде типоразмеров воздухораспределительных устройств. Решение может быть получено методом итераций путем перебора рассматриваемых типов устройств, их типоразмеров и количества. С помощью ручного счета в полном объеме эта задача практически не может быть решена, поэтому требуется применение компьютеров. Были созданы программные комплексы для персональных компьютеров: «ПРИВОЗ-М» (расчет «ПРИтока + ВОЗдухообмена») [13, 14] и ВТБП («Воздушнотепловые балансы промзданий»), которые успешно эксплуатировались рядом ведущих научных и проектных институтов. Программные комплексы «ПРИВОЗ-М» и ВТБП были разработаны в среде DOS и в настоящее время морально устарели. Сейчас наступил новый этап в использовании ПЭВМ для расчета воздухообмена и воздухораспределения: в ЗАО «АСПО» (Санкт-Петербург) создана новая современная версия «ПРИВОЗа» в среде Windows: «ПРИВОЗ-W» (автор алгоритма — Г.М. Позин, программирование расчетов — С.В. Тварадзе, Windows-интерфейс — С.А. Перовский) [15]. В «ПРИВОЗ-W» производится: ❏ выбор типа, номеров воздухораспределителей (ВР) и их размещение в помещении из условий соблюдения равномерности полей скоростей и температур в рабочей зоне, характерного для рассматриваемого способа подачи воздуха; ❏ определение воздухообмена в теплый период года и для переходных условий; ❏ определение по известному воздухообмену требуемой температуры приточного воздуха в холодный период года, а также дополнительной отопительной нагрузки в случае всплывания нагретого воздуха; ❏ проверка геометрических ограничений, накладываемых на принятую схему воздухораспределения; ❏ определение экстремальных значений скорости и температуры в рабочей зоне («метод опасной точки»); ❏ обеспечение расчетных схем циркуляции воздушных потоков (проверка струй на отрыв и всплывание соответственно для теплого и холодного периода года и переходных условий). «ПРИВОЗ-W» предусматривает: возможность применения как имеющихся в библиотеке ПК приточных устройств ООО «Венткомплект» (г. Москва), «Арктос» (Санкт- Петербург), HALTON (Финляндия), так и дополнение базы данных воздухораспределителей (специалистами АСПО по заявке пользователя). Расчет ведется для следующих схем подачи воздуха впомещение: ❏ плафоны I (компактными и веерными настилающимися струями); ❏ плафоны II (коническими и ненастилающимися веерными струями); ❏ решетки (горизонтальными настилающимися струями); ❏ сосредоточенные струи (настилающимися и ненастилающимися струями с омыванием рабочей зоны обратным потоком); ❏ наклонные струи; ❏ подача воздуха в рабочую зону (работа над программой завершается). В результате получается одно или несколько решений, удовлетворяющих поставленным условиям. В связи с тем, что математически задача сводится к решению методом итераций систем линейных и нелинейных уравнений и неравенств при дискретном ряде типоразмеров воздухораспределительных устройств, возможны случаи отсутствия решения. В этом случае выдается диагностическое сообщение причины, по которой вариант «не прошел», и пользователь, проведя анализ, может откорректировать исходные данные и снова повторить расчет. Предусмотрена возможность расширения диапазона ограничений, облегчающих возможность получения результата. Массив результатов расчета включает сведения о типах, типоразмерах и минимальном количестве ВР, обеспечивающих заданные параметры воздуха в помещении, о скорости и температуре воздуха на выходе из ВР и в рабочей зоне, о величинах требуемого воздухообмена и дополнительной отопительной нагрузке, о значениях коэффициентов воздухообмена и критериях Архимеда и др. Массив результирующей информации можно просматривать, сохранять и выдавать на печать.
1. Лойцянский Л.Г.Механика жидкости и газа. Учебник для ВУЗов.— Изд. 6-е, перераб и доп. — М.: «Наука», 1987. 2. Теория турбулентных струй.Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П.— Изд. 2-е, перераб. и доп.Под ред. Г.Н.Абрамовича. — М.: «Наука», 1984. 3. Гримитлин М.И. Распределение воздуха в помещениях.— Изд. 3-е, доп. и испр. — СПб.: Изд-во «АВОК Северо-Запад», 2004. 4. Талиев В.Н.Аэродинамика вентиляции: Учеб. пособие для ВУЗов.— М.: «Стройиздат», 1979. 5. Шепелев И.А.Аэродинамика воздушных потоков в помещении.— М.: «Стройиздат», 1978. 6. Позин Г.М. Определение количества приточного воздуха для производственных помещений с механической вентиляцией:Методические рекомендации.ВНИИ охраны труда. — Л.:, 1983. 7. Позин Г.М. Основы расчета тепловоздушного режима производственных помещений// «Инженерные системы» АВОК — Северо-Запад,№2/2001. 8. Богословский В.Н.Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учеб. для ВУЗов.— Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: «Стройиздат», 1982. 9. Табунщиков Ю.А. Расчеты температурного режима помещений требуемой мощности для его отопления или охлаждения.— М.: «Стройиздат», 1981. 10.Ануфриев Л.Н.,Кожинов И.А., Позин Г.М.Теплофизические расчеты сельскохозяйственных производственных зданий. — М.: «Стройиздат», 1974. 11.Позин Г.М. Принцип совместного расчета воздухообмена и воздухораспределения.Научные проблемы охраны труда на современном этапе: Сб. науч. работ ин-тов охраны труда. — М.:, 1984. 12.Организация воздухообмена и распределение воздуха в помещениях// Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3, Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2, гл. 17. — М.: «Стройиздат», 1992. 13.Pozin G.M., Tvaradze S.V. Simultaneous Computer Designing of Air Exchange and Air Distribution. Cold Climate HVAC’94.— Rovaniemi, Finland, 1994. 14.Позин Г.М.ПК ПРИВОЗ создает комфорт в промышленной зоне. Журнал АВОК,№3–4/1992. 15.Позин Г.М.ПК ПРИВОЗ-W — новые возможности комплексного расчета воздухообмена и воздухораспределения.«Инженерные системы» АВОК-Северо-Запад, №1(9)/2003.
