Российский транспортно-логистический рынок, объем которого, по оценкам специалистов, сегодня превышает $ 30 млрд, а в перспективе при стабильном развитии экономики достигнет $ 120 млрд, по объективным причинам начал формироваться со значительным опозданием по сравнению с западными странами. В настоящее время, с точки зрения современных тенденций развития, Россия находится на этапе формирования и консолидации отрасли, существенно уступая западными странам, как по качеству инфраструктуры, так и по комплексности услуг, предоставляемых транспортно-логистическими компаниями [2].
Сегодня наблюдаются высокие темпы роста национального производства, объемов торговли и масштабов коммерческого и социального строительства во всех крупных городах России. Следствием этого экономического подъема является активное создание и модернизация национального логистического сектора и, прежде всего, резкое увеличение числа специализированных складских помещений — логистических парков в основных транспортных узлах страны (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Новосибирск, Екатеринбург, Самара), играющих ключевую роль в эффективной организации транзитных цепей любых товаров.
По данным исследования, подготовленного Департаментом консалтинга РБК, в ближайшие пять-семь лет в России будут превалировать тенденции, благоприятствующие развитию рынка комплексных логистических услуг. Среднегодовые темпы роста в 2008-2010 годах составят 6-7 %, против 4 % в 2005-2006 годах. Темп роста сегмента складских и дистрибьюторских услуг составит более 35 % в год и будет осуществляться, главным образом, за счет высококачественных складских комплексов классов «А» и «В». В Московской и Ленинградской областях в ближайшее время следует ожидать резкого роста популярности складских помещений класса «А».
Объекты класса «А» — это одноэтажные складские центры с высотой потолков от 10 м, ровными бетонными полами, территорией парковки и транспортными развязками. Согласно характеристикам класса «А», в здании также должно быть либо кондиционирование, либо принудительная вентиляция. Кроме того, большинство логистических центров оборудованы системами регулировки температурного режима, которые многим арендаторам представляются обязательным атрибутом складских комплексов высшего класса.
Проблемы, связанные с созданием оптимальных метеорологических условий в логистических парках, часто не получают должного внимания со стороны проектировщиков, в то время как потенциальная экономия капитальных и эксплуатационных затрат при более внимательном подходе к выбору климатических систем может быть весьма ощутимой.
Экономический подъем вызывает активное создание и модернизацию национального логистического сектора и, прежде всего, резкое увеличение числа специализированных складских помещений — логистических парков в основных транспортных узлах страны
Настоящая статья посвящена системам воздушного отопления — одному из технических аспектов инженерного обеспечения необходимых условий хранения товаров в высотных (более 4,5 м) складских помещениях логистических парков со стеллажным хранением товаров. Особое внимание уделено рассмотрению конфигураций распределения воздуха в реальных условиях стеллажных хранилищ и определению наиболее эффективной схемы подачи воздуха в инженерном и экономическом смыслах.
Схемы отопления стеллажных хранилищ
Анализ возможных схем и систем отопления стеллажных складов показал, что наиболее рациональной является система воздушного отопления, построенная по схеме вертикальной подачи воздуха сверху вниз непосредственно в рабочую зону [3, 4, 5]. Практика показывает, что эффективность систем воздушного отопления во многом зависит от рациональной организации воздухообмена, поскольку характер распределения температурного поля определяется, главным образом, возникающими воздушными течениями. Работа систем воздушного отопления при неудачно организованном выпуске нагретого воздуха характеризуется значительным градиентом температуры по высоте, что приводит к неудовлетворительным условиям в рабочей зоне и перерасходу теплоты на обогрев помещений [4].
Ввиду особенностей отопления стеллажных хранилищ сказанное выше приобретает особую актуальность. Именно, одними из основных требований к состоянию воздушной среды складских помещений являются равномерность распределения температуры по высоте и ограничение подвижности воздуха. Кроме того, для высотных помещений с многоярусными конструкциями имеются жесткие ограничения по температуре на верхних полках (верхняя граница этой температуры устанавливается в нормах пожарной безопасности и варьирует в пределах 30-35 °C).
На сегодняшний день применяются различные схемы распределения воздуха при отоплении помещений с высокими потолками. Из них мы выделим три, когда подача воздуха производится вертикально вниз через: направляющие сопла, жалюзийные решетки и специальные воздухораспределители инжекционного типа, создающие турбулентные воздушные струи с сильной инжекцией.
Более детальная классификация приточных струй в данном контексте представляется нам излишней, поскольку компактные, конические и неполные веерные струи являются частными случаями одного и того же сценария формирования структуры воздушного потока и достаточно рассмотреть их предельные реализации. Обособленно стоит лишь случай струй с сильной инжекцией, где эволюция структуры потока имеет особый характер.
В реальных условиях приточные струи распространяются не в свободном, а в стесненном пространстве. Ограничивающими конструкциями являются стены склада и стеллажные ряды, конфигурации которых определяют асимметризацию воздушных потоков.
Обычно работа систем воздушного отопления при неудачно организованном выпуске нагретого воздуха характеризуется значительным градиентом температуры по высоте
Наличие стеллажей приводит к появлению асимметрии, которая в наибольшей степени оказывает влияние на компактные приточные струи, «прижимая» ранее осесимметричные потоки только в одном направлении. В результате возникают два аэродинамических эффекта: с одной стороны, появление на пути распространения струи направляющих преград увеличивает ее эффективную дальнобойность, а с другой стороны, возникает динамическое сопротивление воздушного потока, величина которого тем больше, чем выше скорость и давление воздуха на ограничивающие приточную струю стеллажные конструкции. Вклады этих эффектов в общий сценарий формирования струи различны и зависят от вида приточной струи и структуры стеллажей, в частности, их пропускной способности по воздуху.
Гравитационные силы, возникающие из-за различия плотностей подаваемого и окружающего воздуха, оказывают воздействие как на траекторию приточного теплого потока, так и на общую циркуляцию воздуха в помещении [5]. При вертикальной подаче воздуха в случае действия гравитационных сил навстречу инерционным силам происходит торможение струи, при совпадении направлений — увеличивается дальнобойность.
Для оценки соотношения между гравитационными силами в поперечном сечении, следовательно, и характерной дальнобойности, используется критерий Архимеда, который в предположении слабонеизотермических осесимметричных струй а и б задается общей формулой [4]:
где a — константа, зависящая от вида струи; х — расстояние от выпускного устройства до рассматриваемого поперечного сечения, м; d0 — характерный линейный размер отверстия воздухораспределителя, м; Ar0 ~ ΔT0/Tокр — критерий Архимеда в начальном сечении; ΔT0 и Tокр — избыточная температура [К] в начальном сечении струи и температура окружающего пространства.
Для осесимметричных струй, исключая случай в, текущий критерий Архимеда вычисляется по формуле [4]:
где H — геометрическая характеристика струи, м [6].
Известно, что в случае неизотермической свободной струи вертикальное распределение температуры имеет градиент около 1 °С/м. Поперечный градиент на основном участке струи составляет не менее 0,4 °С/м вдоль оси симметрии, и еще больше, если учесть дополнительные теплопритоки поднимающихся масс нагретого воздуха.
Поэтому в окрестности верхней части основного участка приточной струи, где температурное ядро еще достаточно компактно, неизбежно происходит нагрев и температура в верхней зоне помещения будет лишь незначительно ниже температуры непосредственно у воздухораспределителя.
В данном контексте это будет означать, что при организации воздушного отопления с помощью компактных струй температура на верхних полках стеллажей tв в непосредственной близости от места воздухораздачи будет незначительно ниже температуры у теплогенератора t0 или, иными словами, будет наблюдаться перегрев верхних стеллажей. Подобная ситуация неприемлема, если температура на верхних полках не соответствует нормам пожарной безопасности (30-35 °C) или общим условия хранения товаров, например, изделий пищевой, медицинской, фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности и, таким образом, существенно ограничивает использование воздушного отопления свободными струями.
Второй вариант организации отопления — использование веерных струй — также не является оптимальным. В самом деле, массы теплого приточного воздуха, предназначенные для затопления рабочей зоны, имеют малую вертикальную составляющую импульса и их вертикальная дальнобойность всегда гораздо меньше, чем у любого вида компактных ниспадающих струй. Поэтому в высотных помещениях при отоплении веерными струями отопленной по высоте окажется только верхняя часть стеллажных сооружений, причем tв ~ t0. Для увеличения отопленного объема необходимо повышать тепловую мощность, что неминуемо приведет к дополнительному росту температуры в предпотолочной области. Следствием этого являются высокие теплопотери из-за разницы температур внутри и снаружи отапливаемого помещения, а также существенный перегрев верхней части стеллажей.
Необходимо отметить, что подобный способ воздухораспределения хорошо подходит для охлаждения помещений, поскольку тогда приточный воздух характеризуется более высоким удельным весом по сравнению с воздухом в помещении и, следовательно, имеет тенденцию опускаться, равномерно затапливая рабочую зону без создания сквозняков.
Массы теплого приточного воздуха, предназначенные для затопления рабочей зоны, имеют малую вертикальную составляющую импульса и их вертикальная дальнобойность всегда гораздо меньше
Агрегаты инжекционного типа
Обратимся, наконец, к третьей схеме распределения воздуха на основе струй с сильной инжекцией, которая оказывается самой подходящей для отопления высоких стеллажных хранилищ. Рассмотрим данную схему на примере системы децентрализованного отопления, представляющей развернутую сеть моноблочных агрегатов, обслуживающих отдельные участки помещения и несвязанные воедино конструктивно [7].
Моноблочные агрегаты крепятся к потолку и обеспечивают раздачу воздуха сверху вниз по принципу затопления приточным воздухом рабочей зоны [8, 9] как в режиме полной рециркуляции, так и с возможностью регулируемой подачи свежего воздуха. Принципиальной особенностью агрегатов является отсутствие необходимости устройства вентиляционных воздуховодов.
Конструктивно агрегаты состоят из двух секций: секции нагрева (с вентилятором и поверхностным теплообменником) и секции воздухораспределителя.
Воздухораспределитель включает два элемента, прямо противоположных по механизму формирования воздушного потока: дисковый рассекатель, ответственный за формирование инжекционной струи с максимальной дальнобойностью; вихревой воздушный генератор, выполняющий закручивание потока и, тем самым, изменяющий угол раскрытия струи. В зависимости от соотношения вкладов обоих механизмов производится управление дальнобойностью.
Рассмотрим принцип действия инжекционных агрегатов. Приточный воздух, нагнетаемый вентилятором, попадает в воздухораспределительный блок, встречает на своем пути дисковый рассекатель и затем подается на регулируемые направляющие лопатки, после которых нагнетается в помещение через диффузор. Рассекатель является центральным элементом в создании сильной инжекции в воздушном потоке, выполняя формирование зоны разряжения в корне струи. Обтекание воздухом дискового рассекателя приводит к тому, что на начальном участке у потока формируется длинная компактная шейка и угол раскрытия струи оказывается близким к нулю, в отличие от рассмотренной выше свободной струи, раскрывающейся под углом порядка 11°. Направляющие лопатки, в зависимости от угла разворота, способствуют закручиванию струи, остающейся компактной на начальном этапе развития. По мере удаления от сопла эффект поджатия, за счет изначально формируемого ядра разрежения, ослабевает, в то время как эффект закручивания, за счет присоединенных масс воздуха, усиливается и струя резко раскрывается, обеспечивая покрытие необходимой площади без избыточной подвижности воздуха.
В контексте данной статьи это будет означать, что усиленная инжекция способствует внутренней направленности воздушных потоков в корне струи; направление движения воздуха в районе верхней части стеллажей будет от полки на струю, благодаря чему обеспечивается возможность высокой степени нагрева воздуха на выходе из устья сопла без нарушения требуемых температурных режимов хранения товаров на верхних полках стеллажей, tв << t0. По мере своего развития температура в струе снижается и достигает требуемых значений на входе в рабочую зону.
На основе многочисленных экспериментов была предложена формула оценки критерия Архимеда для струй, формируемых инжекционным генератором в свободном пространстве:
где d0 — диаметр соплового диффузора, м; Нэкв = Нп - 1,5 — эквивалентная геометрическая характеристика турбулентного потока; Нп — высота помещения, м. Непосредственно из сравнения формул (2) и (3) видно, что наличие инжекции увеличивает дальнобойность струи более чем в два раза.
Воздушные инжекционные теплогенераторы обеспечивают регулируемое равномерное отопление рабочей зоны без опасности перегрева верхних частей стеллажей
Регулировка дальнобойности струи основана на эффекте закручивания потока и производится поворотом направляющих лопаток: в зависимости от угла разворота меняется расстояние, на котором расширение начинает превалировать над поджатием. При угле α = 0° длина компактного участка максимальна, при углах 0° < α < 50° — она уменьшается. Предельное значение угла разворота лопаток составляет 50°, когда образуется горизонтальная веерная струя, стелящаяся вдоль потолочного покрытия.
Из этого следует, что воздушные инжекционные теплогенераторы обеспечивают регулируемое равномерное отопление рабочей зоны без опасности перегрева верхних частей стеллажных конструкций, а также минимальную стратификацию температур и, как следствие, уменьшенные теплопотери помещения, обусловленные теплопроводностью кровли.
Поиск оптимального решения
В заключение коснемся практической стороны организации отопления высотных складских помещений с помощью сети теплогенераторов — рекомендациям по нахождению оптимального решения при подборе и размещении агрегатов.
1. Определение типоразмера и количества агрегатов
Выбор типоразмера осуществляется в зависимости от заданной высоты помещения и минимальной и максимально допустимой высот установки агрегатов. Месторасположение и число воздухораспределительных точек определяется из условия наименьшего перекрытия приточных потоков при полном покрытии площади всего помещения. Расчет минимально необходимого количества агрегатов n производится на основании оценок:
-
по критерию покрытия площади S всего помещения:
-
по критерию компенсации суммарных теплопотерь Q:
где q и s — покрываемая площадь [м2] и теплопроизводительность [кВт] одного агрегата.
Суммарная потребная тепловая мощность агрегатов, компенсирующая теплопотери помещения Q, определяется теплопроизводительностью каждого агрегата, которая оценивается формулой:
где ε — коэффициент, зависящий от конструкции теплогенератора; L — расход воздуха, м3/ч; Δt = t0 - tп — разность температур [K] приточного воздуха t0 и воздуха в помещении tп.
Максимальная высота монтажа вычисляется по формуле:
где μ — коэффициент, зависящий от конструкции теплогенератора.
Из формул (6) и (7), (4) и (5) следует важный вывод: экономически более выгодно при отоплении высотных складских помещений выбирать теплогенераторы большего типоразмера, которые обеспечивают максимальную разность температур Δt в приточной струе и окружающем пространстве, а также имеют наибольшую воздухопроизводительность L и, следовательно, обрабатываемую площадь s и высоту установки Hmax.
В складских помещениях ограничения на подвижность воздуха накладываются очень редко, поэтому применение большего типоразмера является наиболее экономичным решением. Однако при повышенных требованиях к комфорту необходимо увеличение числа воздухораспределительных точек, что влечет выбор большего количества агрегатов меньшего типоразмера. Отметим, что при этом происходит уменьшение теплопроизводительности и обрабатываемой площади одним агрегатом, сокращение дальнобойности и, следовательно, максимальной монтажной высоты.
Типы теплообменников для соответствующих типоразмеров подбираются из условия наиболее близкого значения суммарной тепловой мощности агрегатов, необходимой для компенсации общих теплопотерь помещения Q.
2. Размещение агрегатов
В складских помещениях теплопотери распределены крайне неравномерно. Оконные проемы, места выполнения погрузочных работ, внешние ограждения и особенно проемы открываемых ворот характеризуются значительной инфильтрацией наружного воздуха.
Поэтому размещение агрегатов рационально выполнять пропорционально теплопотерям определенных участков помещения или, другими словами, по зонам регулирования. В соответствующую зону регулирования входят агрегаты, предполагаемые для работы в одинаковых условиях (температура, тепловая нагрузка) с несколькими ведомыми и одним ведущим агрегатом, по которому производится синхронное управление всей группой.
Размещение агрегатов в межстеллажном пространстве производится с учетом специфики формирования инжекционных струй. Так, при наличии стеллажей конфигурация струи меняется. Теоретически она удлиняется, превращаясь из осесимметричной практически в плоскую струю, что ведет к удлинению пятна покрываемого пространства вдоль рядов стеллажей. При этом один инжекционный теплогенератор отапливает площади сразу нескольких межстеллажных пространств. Это достигается благодаря наличию зазоров между этажами стеллажей, поскольку в соответствии с правилами пожарной безопасности [10] загрузка полок должна осуществляться с обеспечением возможности свободного доступа к хранимым товарам. При резком расширении струи на нижнем участке, часть объема приточного воздуха распространяется вдоль стеллажей, а часть проникает в смежные ряды через незаполненные товаром ниши и зазоры. Вследствие этого агрегаты размещаются, как минимум, через два ряда в третьем, или более.
Принцип децентрализации позволяет применять одновременно агрегаты различных типоразмеров и комплектаций, что обеспечивает возможность нахождения оптимального технического решения для конкретного объекта.
В случае необходимости, возможна установка агрегатов с функцией подачи свежего воздуха. Рациональным решением в таком случае будет расположение группы данных агрегатов в центральной зоне стеллажного пространства, характеризующейся наименьшей инфильтрацией наружного воздуха. Количество агрегатов определяется заданной кратностью воздухообмена. При этом установка каких-либо вытяжных систем не требуется — воздухообмен организуется путем эксфильтрации воздуха через неплотности ограждающих конструкций вследствие создания избыточного давления в помещении, что обеспечивает снижение доли инфильтрации, и тем самым, сокращает общие теплопотери.
При резком расширении струи на нижнем участке, часть объема приточного воздуха распространяется вдоль стеллажей, а часть проникает в смежные ряды через незаполненные товаром ниши и зазоры
Преимущества инжекционных отопительных агрегатов
Основные преимущества инжекционных отопительных агрегатов таковы. Равномерное распределение температурного поля за счет оптимального воздухораспределения; градиент по высоте составляет 0,1-0,15 °С/м. Минимальное число единиц устанавливаемого оборудования благодаря большой площади, покрываемой каждым агрегатом. Высокая энергетическая эффективность, обусловленная минимальной температурной стратификацией — рациональный расход тепловой энергии на обогрев рабочей зоны и сокращение потерь тепла через потолочные ограждающие конструкции за счет существенного уменьшения перегрева воздуха в предпотолочном пространстве. Отсутствие приточных и вытяжных воздуховодов. Малые отклонения контролируемых параметров (Δt = ± 1,5 °C) за счет качественного воздухораспределения и алгоритмов системы управления. Принцип децентрализованной организации: высокая степень надежности, простота и экономичность наращивания существующих систем.
Опыт внедрения [7, 9] свидетельствует о высокой экономической эффективности инжекционных отопительных агрегатов и позволяет рекомендовать решения на их основе для организации воздушного отопления современных логистических комплексов.
