Введение
Крытые ледовые арены относятся к спортивным сооружениям, к которым предъявляются жёсткие санитарно-гигиенические требования. Задача обеспечения требуемых параметров микроклимата в спортивных сооружениях подобного назначения заключается в создании таких систем вентиляции и кондиционирования воздуха, которые предназначены для обеспечения требуемых параметров воздушной среды как для зрителей, так и для самих выступающих спортсменов [1–3, 10]. Исходя из изложенного, можно выделить две области с характерными параметрами воздуха в объёме помещения ледовой арены: область трибуны для зрителей и область непосредственно над поверхностью ледового покрытия, высотой 1,5 м от поверхности льда.
Температура ледового покрытия зависит от вида проводимого спортивного мероприятия (табл. 1) [1–3, 10].
Актуальность решения заявленной темы
Системы вентиляции и кондиционирования расходуют значительные количества тепловой энергии, а зачастую являются основным потребителем тепловой и электрической энергии. Эффективность систем вентиляции и кондиционирования воздуха главным образом зависит от схемы организации воздухообмена (СОВ).
Традиционные способы расчёта воздухообмена не охватывают всего разнообразия факторов, влияющих на тепломассообмен в помещении, а также не учитывают схемы организации воздухообмена, что приводит к отклонению параметров воздуха в обслуживаемой зоне помещения от заданных значений [4].
В зависимости от вида проводимых мероприятий системы обеспечения микроклимата крытых ледовых арен должны обеспечивать заданные температурно-влажностные режимы по отдельным объёмам помещения. Необеспечение необходимых параметров воздуха в зоне ледового поля приводит к ухудшению качества льда, а также способствует образованию тумана над его поверхностью.
Рациональные проектные решения принимаются с помощью математического моделирования аэродинамических, тепломассообменных и других процессов, возникающих в проектируемых помещениях. Эффективность работы систем обеспечения микроклимата крытых ледовых арен зависит от принятых схем организации воздухообмена систем вентиляции и кондиционирования воздуха и инженерных методов их расчёта.
Разработка схем и методов инженерного расчёта систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен является актуальной. Улучшение качества принимаемых решений при проектировании систем обеспечения микроклимата крытых ледовых арен позволит снизить энергетические затраты [4].
Общая постановка задачи
Помещение ледовой арены является элементом здания. Рассматриваются процессы, связанные с перемещением воздуха, струйные течения в замкнутом пространстве, распределение температуры, скорость движения воздушных потоков, и диффузия примесей в объёме пространства крытой ледовой арены.
Помещение ледовой арены рассматривается как объект, состоящий из двух контрольных объёмов (КО), в каждом из которых может быть приток и удаление воздуха, поглощение или выделение вредных веществ [5–9].
К первому контрольному объёму ледовой арены относится область непосредственно над поверхностью ледового покрытия, высотой 1,5 м, совместно с приточной струёй, где необходимо обеспечить условия для нормального функционирования катка, с поверхностью льда (I КО). Ко второму контрольному объёму относится область трибун для зрителей, где необходимо обеспечить комфортные условия (II КО).
Через границы контрольных объёмов могут проходить потоки веществ и энергии. В пределах каждого контрольного объёма потоки могут поглощается или выделятся. На границах каждого контрольного объёма могут ощущаться внешние воздействия.
Поверхность контрольного объёма принято называть контрольной поверхностью (КП).
Системы кондиционирования воздуха и вентиляции крытой ледовой арены предназначены для:
- предотвращения тумана у поверхности катка;
- отсутствия конденсации на ограждающих строительных и технологических конструкциях;
- обеспечения заданных санитарно-гигиенических параметров в области постоянного пребывания зрителей.
Деление помещения ледовой арены на два контрольных объёма — условное. Параметры воздуха в каждом из КО условно приняты однородными.
В каждом из контрольных объёмов обеспечиваются характерные температурно-влажностные параметры. Необходимо учесть влияние параметров воздуха во II КО на параметры микроклимата в I КО при условии, что параметры микроклимата в данных контрольных объёмах создаются разными системами кондиционирования и вентиляции воздуха.
Тепловоздушные процессы в контрольных объёмах описываются законами сохранения (массы и энергии). Математическая модель физического процесса, происходящего внутри помещения крытой ледовой арены, позволяет определить воздухообмен для обеспечения нормируемых параметров воздуха в отдельных КО вентилируемого помещения.
В общем случае контрольные объёмы вентилируемого помещения представляется как ограниченное пространство внутри помещения с произвольно рассредоточенными по ним источниками и стоками вредных выделений М(V) и потоков вентиляционного воздуха G(V).
Члены, описывающие потоки через контрольную поверхность, в статье обозначены следующими символами: потоки вредных выделений M(F) и потоки воздушных масс G(F).
На рис. 1 представлена общая схема тепломассообмена в вентилируемом помещении крытой ледовой арены с двумя контрольными объёмами. Исходя из этого общий вид уравнений баланса по расходу воздуха и вредным выделениям для помещения ледовой арены с двумя КО следующий:
В системах уравнений первый член первых уравнений — это расход воздуха, поступающего или уходящего из различных точек контрольного объёма. Второй член тех же уравнений — массообмен между контрольными объёмами.
Задача сводится к определению расходов и параметров приточного и вытяжного воздуха по отдельным контрольным объёмам. Составление уравнений баланса для отдельных КО помещения позволяет находить требуемый воздухообмен более обоснованно.
Приточная струя распространяется в направлении истечения, перемешиваясь по пути с окружающим воздухом II КО, причём перемешивание сопровождается увеличением количества перемещаемого воздуха, торможением струи и образованием медленного течения окружающего воздуха по направлению к струе. Вследствие эжектирующего эффекта наблюдается поступление теплоты и водяных паров из второго КО в первый.
Воздух поступает через приточные насадки в количестве G0 с температурой t0 и влагосодержанием d0 (рис. 2). Струя приточного воздуха, развиваясь в направлении истечения, ассимилирует тепловыделения и влаговыделения из II КО. Воздух во II КО соответствует температуре tвп и влагосодержанию dвп. Расход воздуха в расчётном сечении струи увеличивается от начального G0 до Gстр за счёт эжекции воздуха из II КО. В конце развития струя поступает в обслуживаемую зону с температурой tстр и влагосодержанием dстр. Теплота струи расходуется на компенсацию конвективных теплопотерь от воздуха обслуживаемой зоны к поверхности льда Qт.кон.
Формула для определения требуемых параметров воздуха на выходе струи из воздухораспределителя, в вентилируемом помещении ледовой арены с двумя контрольными объёмами, выводится из систем балансовых уравнений, составленных для I КО ледового катка совместно с приточной струёй по массе и по теплоте (3), а также по массе и по влагосодержанию (5).
Из уравнения баланса приточной струи определяем параметры воздуха на выходе из воздухораспределителя для обеспечения заданных параметров воздуха на входе струи в зону катка.
Уравнение баланса приточной струи по расходу и по теплоте, в соответствии со схемой (рис. 3), принимает вид:
Из уравнения (3) определяется температура воздуха на выходе струи из воздухораспределителя:
Уравнение баланса приточной струи по расходу и по влагосодержанию, в соответствии со схемой на рис. 3, принимает следующий вид:
Из уравнения (5) определяется влагосодержание воздуха на выходе струи из воздухораспределителя:
Из уравнений (4) и (6) очевидно, что предварительные значения температуры и влагосодержания воздуха при истечении из воздухораспределителя, для обеспечения нормируемых параметров в обслуживаемой зоне ледового катка, зависят от коэффициента β — относительного расхода воздуха в струе. Чем выше установка воздухораспределителей, тем большее количество окружающего воздуха из II КО приточной струёй вовлекается в I КО. В помещениях с большими тепловыделениями или в помещениях с иными вредными выделениями рекомендуется устанавливать воздухораспределители на небольших высотах, чтобы уменьшить подмес.
Данный метод позволяет определять оптимальную высоту установки и характеристики воздухораспределительного устройства, а также параметры воздуха при истечении струи из воздухораспределителя, с целью обеспечения заданных параметров воздуха на входе струи в обслуживаемую зону ледового поля.
Аналитическую формулу для определения требуемого воздухообмена для I КО, где расположено ледовое поле, с использованием математической модели помещения крытой ледовой арены с двумя КО в наиболее общей форме можно вывести из систем балансовых уравнений по расходу воздуха и по теплоте, составленных для характерных зон I КО: ледовый каток (7) и приточная струя (9).
На рис. 2 изображена расчётная схема тепловоздушных процессов в I КО (в зоне ледового поля). Уравнения баланса в соответствии со схемой примут вид:
где Gстр — расход воздуха в приточной струе при входе в обслуживаемую зону ледового поля в I КО, кг/ч; Gух — количество уходящего воздуха, кг/ч; G0 — количество воздуха, истекающего из воздухораспределителя, кг/ч; t0 — температура воздуха при истечении из воздухораспределителя, °C; tстр — температура приточной струи при входе в обслуживаемую зону ледового поля, °C; tух — температура уходящего воздуха в объёме II КО, °C; tвл — температура обслуживаемой зоны над поверхностью льда, °C; tвп — температура воздуха во II КО; β — относительный расход воздуха в струе (коэффициент подмешивания струи); Qт.кон — конвективный приток теплоты от воздуха к поверхности льда, Вт; Qт.л — теплопритоки от людей, Вт; cв — удельная теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°C).
Совместное решение уравнений (7) и (8) позволяет определить расход воздуха в приточной струе Gстр при входе в обслуживаемую зону ледового поля в I КО:
Из уравнения (12), подставляя уравнение связей (10) и (11), выводим формулу для определения требуемого воздухообмена G0 зоны ледового поля:
Полученная зависимость (13) позволяет установить взаимосвязь между характеристиками воздухораспределительного устройства, высотой его установки и температурой приточного воздуха, подаваемого в зону ледового катка.
При проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха обслуживаемых зон ледовой арены необходимо стремиться к исключению интенсивного перемешивания приточного воздуха, подаваемого в зону ледового поля, с воздухом II КО, имеющего высокое теплосодержание. Подача завышенного количества приточного воздуха в зону льда приведёт к интенсивному смешению воздушных масс первого и второго контрольных объёмов. В результате этого температура воздуха над поверхностью (на высоте 1,5 м от льда) может превысить заданное значение.
Чтобы воспользоваться предлагаемым способом расчёта требуемого воздухообмена, необходимо ввести дополнительные условия, учитывающие обеспечение санитарно-гигиенических характеристик струи при входе её в обслуживаемую зону ледового поля.
Комплексный расчёт воздухообмена и воздухораспределения проводился с учётом закономерностей струйных течений и особенностей их развития, при этом учитывались основные характеристики воздухораспределителей. Диапазон изменения количества приточного воздуха, подаваемого в зону ледового поля, для обеспечения требуемых параметров зависит от количества избытков теплоты, выделяемых во II КО (зона трибун), характеристик воздухораспределительного устройства, высоты его расположения и температуры приточного воздуха.
Подробный учёт факторов, влияющих на параметры воздуха в зоне ледового поля, позволяет определить, а также оценить степень обеспеченности заданных параметров воздуха в обслуживаемой зоне.
При определении параметров приточного воздуха на выходе из воздухораспределителя, для обеспечения заданных параметров воздуха на входе приточной струи в обслуживаемую зону катка, с применением модели помещения крытой ледовой арены с двумя контрольными объёмами, параметры воздуха в характерных точках можно определить графоаналитическим методом, используя i–d-диаграмму влажного воздуха.
На рис. 3 изображена i–d-диаграмма изменения параметров приточного воздуха в зоне ледового поля (I КО) при изменении теплои влаговыделений во II КО (зоне трибун). Точки П1, П2 и П3 характеризуют параметры состояния воздуха, истекающего из воздухораспределителей. При расчёте использовались следующие параметры воздуха во II КО: отрезок П1–П2–П3–Стр характеризует процесс ассимиляции теплоты и влаги, вследствие перемешивания с приточной струёй воздуха из II КО, потоком приточного воздуха, подаваемого в зону льда. Отрезок Стр–Вл характеризует процесс охлаждения приточного воздуха, поступающего в обслуживаемую зону, при котором воздух отдаёт явное конвективное тепло поверхности льда.
Задача достижения требуемых параметров в приточной струе при входе в обслуживаемую зону ледового поля (точка Стр на рис. 3), при изменении тепловыделений и влаговыделений в зоне трибун, обеспечивается изменением температуры приточного воздуха (точки П1, П2 и П3, рис. 3). Снижение тепловыделений и влаговыделений в зоне трибун сопровождается повышением температуры приточного воздуха от точки П1 до точки П3.
Выводы
Предложен метод расчёта параметров микроклимата отдельных контрольных объёмов помещения крытой ледовой арены при организации распределения воздуха по схеме «сверху-вниз» для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств.
Предложенная модель физических процессов, происходящих внутри помещения крытой ледовой арены, позволяет определять начальные параметры воздуха приточной струи для обеспечения требуемых параметров воздуха непосредственно над поверхностью ледового покрытия.
Графоаналитический метод расчёта параметров воздуха в области ледового катка на базе i–d-диаграммы позволяет учесть процесс смешивания воздуха двух контрольных объёмов и уточнить начальные параметры воздуха в струе, с учётом типа струи и высоты расположения воздухораспределителя.
В существующих методиках расчёта систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен зона трибун для зрителей и зона ледового поля рассматриваются обособленно, то есть не учитывается взаимодействие зон, имеющих различные температурно-влажностные параметры.
Балансовый метод не позволяет проанализировать поля концентраций, температуры и модуля скорости в объёме арены. Более достоверные результаты получаются при использования современных методик вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics), то есть CFD-моделированием [11].
