CFD моделирование HVAC как неотъемлемая часть современного проектирования климатических систем

Даннная статья опубликована в печатной и электронной версии международного журнале "Наука и образование сегодня" №7 (42) 2019 г. издательства "Проблемы науки", прошла положительное экспертное заключение и имеет соответствующий сертификат о публикации


Дорогие друзья, давайте разберемся в этой статье, почему современные методы проектирования климатических систем диктуют новые подходы к созданию климатических технологий на основе обязательного трехмерного компьютерного CFD моделирования проектируемого микроклимата помещений с достоверным прогнозированием температурно-влажностных, скоростных, газовых и воздушных потоков, параметров комфортности человека и ряда многих других параметров, дающих полную картину воздухораспределения уже на начальном этапе проектирования? Почему, до сих пор, многие проектно-архитектурные компании и институты игнорируют данный процесс достоверного компьютерного прогнозирования, хотя, например, стандарты и ГОСТы [1], регламентирующие порядок определения и интерпретации параметров комфортности при CFD моделировании, вступили в силу и действуют уже более десяти лет? В чем преимущества математического трехмерного прогнозирования и анализа микроклимата на начальном этапе проектирования? И что вообще такое CFD моделирование HVAC, возможно ли без него обойтись, ведь раньше о нем даже никто и не слышал? На эти и другие вопросы, на сколько возможно объективно с моей точки зрения, на основе конкретных примеров и попытаюсь ответить в этой статье.

  • Видео 1. Пример предварительного исследования CFD-моделирования HVAC помещений обеденных залов ресторана:

Начнем по порядку, разберемся с терминологией, основами и преимуществами рассматриваемой технологии. CFD моделирование (Computational Fluid Dynamics) — это подраздел вычислительной гидродинамики, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов, иными словами: исследования в области гидродинамики на основе уравнений гидро- или газодинамики потоков с широчайшими возможностями представления расчётных данных. В результате CFD моделирования мы получаем объект исследования с визуализацией цветовым полем градиента практически любых параметров гидро-газо-динамических потоков, то есть, грубо говоря, мы имеем возможность визуально увидеть не только всю картину распределения гидро-газо-динамических потоков, влияние внешних факторов (солнечной радиации, атмосферного давления, потоков из смежных помещений или проемов, инфильтрации, тепло-влаго-газо-выделений от технологического оборудования, освещения, человека и прочее), но и, грубо говоря, «ткнув» в любую точку в 3-D пространстве исследуемого объекта - увидеть все интересующие нас параметры. Всё это в дальнейшем ложится в основу выполнения определенных задач с последующим включением результатов в разработку проектной документации, например, выработке концепций по размещению и типу воздухораспределительных и воздухозаборных устройств, определению конкретных температурно-влажностных параметров, достоверному прогнозированию удаления вредных газовых веществ до норм ПДК, подтверждению математических расчетов и внесение изменений при конструкторской разработке вентиляционных и аспирационных устройств (бортовых и кольцевых местных отсосов, систем газоочистки, фильтров, скрубберов, циклонов и многого, многого другого), исследованию различных воздушно-температурных течений и влияние их на объекты анализа, определение параметров комфортности в рабочих зонах, создание максимально комфортного микроклимата, экологически чистых и энергоэффективных помещений и так далее и тому подобное... Одним словом, возможности CFD моделирования в исследовании гидро-газо-динамических процессов и применении их при разработке конструкторской и проектной документации просто безграничны. Далее. HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning) - в дословном переводе, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а в более широком понимании - технологии поддержания нормируемых, безопасных и комфортных параметров температуры, влажности, скорости воздушного потока, воздухообмена в целом, химического состава воздуха и прочих параметров в помещениях зданий и сооружений различного назначения. То есть, CFD моделировании HVAC - это мощное решение вычисления гидродинамики, позволяющее моделировать эффекты потока жидкостей и газов в условиях прогнозируемой реальности, запускать неограниченное число «сценариев» и эффективно анализировать последствия потоков, теплообмена, гидродинамических и связанных сил, действующих на компоненты и проходящих через них, которые критически важны для успешного проектирования еще на начальном этапе.

  • Рисунок 1. Пример CFD моделирования HVAC:

В чем основные плюсы CFD-моделирования, я думаю мы разобрались. Почему же тогда до сих пор, при явных преимуществах трехмерного математического моделирования, не имеющего на данном этапе ни каких альтернативных решений, проектно-архитектурные бюро продолжают об этом только говорить, но не спешат внедрять в проектную практику? Давайте разбираться в минусах. Мое твердое убеждение, что, во-первых, это очень сложная, требующая высококвалифицированных специалистов, больших трудозатрат и времени, работа. А это означает увеличение сроков проектирования и заметного удорожания стоимости проектных работ. Так же сюда можно отнести эксклюзивность и единичность выполняемых проектов, а также наличие у исполнителя, то есть проектанта, мощных (очень мощных и дорогостоящих) компьютеров для данных расчетов. Во-вторых, анализ CFD моделирования безоговорочно укажет на все недостатки и промахи принятых проектных решений, а следовательно, на профессионализм и качество работ проектанта, и уже не получится сделать проект «как бы» по всем нормам, но на практике не дающего требуемых результатов и качества. Следовательно, обойтись минимальными трудозатратами не выйдет. Проектант, в большинстве случаев, не заинтересован, что бы его расчеты и решения «перепроверялись» и опровергались при анализе CFD-моделирования. Например, он рассчитал нормируемую скорость, температуру, влажность воздуха в рабочей зоне, подобрал климатическое оборудование, проделал огромный объем работ, а достоверное CFD прогнозирование показало совершенно другие результаты... В-третьих, выполнение исследований по CFD моделированию требует более тщательных и максимально полных работ на подготовительном этапе: по сбору исходных данных, инженерному обследованию, предварительным замерам, а следовательно, наличие определенного опыта, привлечение дополнительных ресурсов и специалистов. Ведь процент достоверности прогнозирования CFD моделирования напрямую зависит от качества и объема внесенных исходных данных в исследуемую модель объекта. При полноценных исходных данных достоверность прогнозирования должна быть не менее 90%.

  • Видео 2. исследование параметров комфортности человека при воздушном потоке турбулентными свободными неизотермическими струями:

Для исполнителя незаинтересованность понятна. А что же для заказчика, кроме задержки выхода проектных решений и дополнительных затраченных денежных ресурсов, в чем еще недостатки? Я убежден, что для заказчика больше недостатков нет, всё остальное — это вышеперечисленные плюсы! Но. Здесь, как и в остальной нашей жизни, ко всему надо подходить «без фанатизма». На мой взгляд, применение CFD моделирования не всегда обосновано, я имею ввиду небольшие проекты, стандартные и типовые, где всё уже давно проверено опытом и временем. Повторюсь, это моё субъективное мнение, ведь «красивые цветные картинки» CFD моделирования и затраты на них иногда просто не целесообразны и не оправдывают себя. Другое дело - сложные объекты и задачи с определенными параметрами и требованиями, где без CFD моделирования невозможно получить положительный результат. Однозначно, к таким объектам, требующим безоговорочного выполнения CFD моделирования HVAC, я отношу здания и сооружения с большими объемами и количеством людей, со сложной геометрией или, например, с большими теплоизбытками не только от людей, освещения, оборудования, но и от той же солнечной радиации: торговые и зрительные залы, атриумы, бассейны, спортивные сооружения, банки, рестораны и прочее; производственные помещения различных отраслей: металлургия, энергетика, машиностроение, химпром и прочее с большим количеством технологического оборудования, тепло-, влаго- и газовыделениями; помещения с особыми индивидуальными требованиями по микроклимату: музеи, выставочные залы, ЦОД и серверные (с дорогостоящим тепловыделяющим оборудованием), лаборатории, «чистые» помещения операционных и другие. Более того, большие и серьезные объекты требуют больших капиталовложений для устройства инженерных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (далее ОВиК) и я однозначно считаю, что заказчику, тратя огромные деньги на устройство систем ОВиК, перед началом строительно-монтажных работ (далее СМР) необходимо достоверно убедиться в эффективности принятых проектных решений и целесообразности затрат на их реализацию. Одной из моих специализацией является независимый аудит уже сданных в эксплуатацию проектов, к сожалению, как правило, с последующей их реконструкцией, техническим перевооружением, то есть доведением их до "ума". И поверьте, в моей практике не единичные случаи, когда, например, заказчик потратил огромные деньги, на проект, оборудование, материалы, строительно-монтажные работы, а в результате нет того эффекта, который он ожидал, или этот эффект практически равен нулю. Например, после неудовлетворительных результатов по итогам выполненных работ по устройству систем ОВиК, приглашают независимого эксперта и после проведенного аудита, он выносит заключение (подтвержденное обследованием, замерами, расчетами и прочим), что всё что вы смонтировали можно, грубо говоря, «взять и выбросить» и начинать всё сначала - делать новый грамотный проект с гарантией (которую можно получить только после достоверного прогнозирования CFD моделирования), а уже после этого приступать к закупке нового оборудования и к новым СМР. В результате - потеря денег, судебные тяжбы, экспертизы, потраченные нервы и, самое главное, потерянное время... Конечно можно было бы сказать про заказчика, что "скупой платит дважды", но я бы отнес это к элементарному незнанию заказчиком всех нюансов проектирования, которые он и не должен знать, но которые иногда умышленно замалчивает проектант, и доверием заказчика к исполнителю: они же проектировщики, заканчивали институты, есть опыт и так далее, а по факту я бы их назвал "горе-проектировщиками", из за халатности или низкой квалификации которых (умышленно или не умышленно - это уже другой вопрос) заказчику приходится выкидывать деньги (и время) буквально «на ветер», в прямом и переносном смысле. То есть напрашивается однозначный вывод, что при больших и сложных проектах систем ОВиК, заказчику просто жизненно необходимо «подстраховаться» и потратить энную сумму и время на проведение CFD-моделирования, которое в последствии исключит финансовые и последующие риски, и однозначно многократно окупится в случае, если проект вдруг окажется «мертвым» - не эффективным и не рабочим.

  • Рисунок 2. Пример исследования параметров комфортности человека при нахождении его в зоне действия воздушного потока:

Условно состав работ при CFD моделировании можно разбить на несколько основных этапов:

- подготовительный этап (сбор исходных данных, формирование геометрии исследуемой модели, необходимых физических условий и прочее);

- непосредственно сам расчет (численное решение основных уравнений по базовым физическим параметрам);

- анализ (исследование) с отображением результатов.

Причем для достижения требуемого результата расчет и анализ производится неограниченное количество раз, с построением сеточной модели пространства на большом количестве поперечных и продольных сечений, с верификацией общей геометрии расчетной модели, воспроизводимой со всеми подробностями в масштабе 1 : 1.

Рассмотрим применение CFD моделирования HVAC, решаемые им задачи и различные нюансы проектирования на конкретных примерах ниже.

  • Рисунок 3. Пример результатов CFD-моделирования разреза камеры линии горячего цинкования с ваннами травления, обезжиривания и флюсования:

1. Один из стандартных примеров применения CFD моделирования. Объект: крытый общественный бассейн на 30 человек (плюс 350 зрителей) в ДК НКМЗ г. Краматорск, Украина, проект реализован в январе 2014 г. Особенностями проектирования данных систем ОВиК бассейна являлись: новые проектные решения с применением современного климатического оборудования, создание комфортного микроклимата для пловцов и посетителей, эффективное осушение и удаление влаги, соблюдение скорости воздушного потока в рабочей зоне и над зеркалом бассейна, с максимальным использованием существующих коммуникаций, вентиляционных каналов, воздухоприемных и воздухораздающих отверстий под вентиляционные решетки и диффузоры для минимального переустройства существующего уникального внутреннего архитектурного ансамбля. На начальной стадии проектирования «П» однозначно было принято решение о проведение CFD-моделирования. Сначала было проведено исследование воздушно-температурных и влажностных потоков с учетом существующих коммуникаций и пожеланий заказчика. В ходе анализа были внесены корректировки, исключены коллизии, было произведено дополнительное моделирование с различным числом исходных данных и определена окончательная концепция с визуализацией газодинамических потоков, в результате чего был получен желаемый результат с минимальными затратами на реконструкцию и переустройство, с созданием требуемого микроклимата помещений, максимальной энерго эффективностью и минимальными затратами на СМР, приобретение климатического оборудования и дальнейшую эксплуатацию.

  • Рисунок 4. Результаты CFD-моделирования микроклимата бассейна:

  • Видео 3. Выборочные результаты CFD-моделирования HVAC бассейна:

2. Примеры применения численного трехмерного моделирования при конструировании воздухозаборных устройств систем вентиляции, а именно бортовых и кольцевых местных отсосов. Очень часто при проектировании промышленных объектов, проектировщик сталкивается с определенной задачей по разработке индивидуальных устройств вытяжной местной вентиляции, аспирации или пылеудаления. Например, в моей практике часто встречается разработка и моделирование бортовых местных отсосов различных типов и конструкций (одно-, двух- бортовых, кольцевых, опрокинутых, активированных притоком и прочие) от технологического оборудования термических цехов, машиностроительных и металлургических предприятий, от ванн травления, горячего цинкования, гальваники и прочее (в частности, разрабатывалась проектная документация на следующих заводах и предприятиях: «Металлинвест» и «Инвестер» г. Черкассы, «Первая Украинская Цинковня» Львовская обл., «Стальканат-Силур» г. Одесса, «Завод алюминиевых профилей АММТ» Киевская обл., "Запорожсталь" г. Запорожье, «Тара» г. Мелитополь, «Юнистил» г. Кривой Рог и другие).

  • Рисунок 5. Компьютерное CFD моделирование бортового отсоса от ванн травления и хроматирования:

Для удовлетворительной работы таких вентиляционных устройств существуют свои индивидуальные требования: определённая расчетная скорость всасывания удаляемых газов и подачи приточного воздуха, равномерность скорости воздушной струи по всей длине щелевого или воздухозаборного отверстия, скорость воздуха и тип воздушных струй над зеркалом ванн с определенным химическим составом, конструкция, обеспечивающая минимальные аэродинамические сопротивления и потери давления, а так же другие индивидуальные требования, исходя из конкретных задач. От соблюдения этих требований напрямую зависит не только эффективность местной системы вентиляции / аспирации / газоочистки, но и возможность осуществления самого технологического процесса.

  • Рисунок 6. Компьютерное CFD моделирование кольцевого отсоса от термической шахтной печи:

Что, в подавляющем большинстве, в данной ситуации предпримет проектировщик? Воспользуется наработанными методиками расчета, нормативными и рекомендательными документами, типовыми сериями конструкций и прочее. Надо отдать должное нашим ученым, внесшим, по моему мнению, колоссальный вклад не только в отечественную, но и всемирную летопись теоретических основ аэрогидрогазодинамики, воздухораспределения, тепломассообмена и науки в целом. Для меня до сих пор являются настольными книги по практическому применению основ технологии вентиляции в этой области таких авторов как Староверов И.Г., Богословский В.Н., Волков О.Д., Елинский И.И., Рысин С.А., Батурин В.В... Но, к сожалению, все эти методики и рекомендации применимы в основном к типовому стандартному оборудованию, ваннам и другим источникам газовыделения, а конструкторские чертежи и схемы в типовых сериях разрабатывались под определенные условия и исходные данные. Не говоря уже о том, что данное оборудование и ванны применялись еще в прошлом веке, конечно они и до сих пор функционируют, но на современное оборудование типовых серий Вы, естественно, не найдете. То есть, все нюансы по геометрической форме оборудования и ванн, химическому составу и концентрации газов/пыли и прочих вредных выделений, влияние на воздухообмен сторонних факторов и индивидуальные особенности каждой единицы источника выделений предусмотреть во всех методичках просто невозможно. Верней, рассчитать аэродинамику и воздухообмен можно, но смоделировать саму конструкцию индивидуального отсоса, без его предварительной проверки - нет.

  • Рисунок 7. Компьютерное CFD моделирование двухбортового отсоса от ванны термической закалки:

На практике проектировщики применяют уже готовые решения и в лучшем случае делают перерасчет геометрических форм и размеров щелевых отверстий. Что, по большому счету в целом, является недостаточным, влияет на производительность и эффективность местного отсоса, скорость всасывания, образующихся завихрений воздуха над зеркалом раствора ванны и так далее, а в итоге – приводит к нарушению технологического процесса и низкой эффективности, казалось бы, «правильно» подобранного местного отсоса. Поэтому применение CFD моделирования при разработке индивидуальных местных отсосов особо важно и других методов определения предварительных результатов (кроме как на практике или в специализированных лабораторных условиях), по моему мнению, на сегодняшний момент не существует.

  • Видео 4. Результаты CFD-моделирования кольцевого отсоса от термической печи:

  • Видео 5. Результаты CFD-моделирования двухбортового отсоса от ванны термической закалки:

  • Видео 6. Результаты CFD-моделирования разреза герметичной камеры участка подготовки (травления) линии горячего цинкования:

  • Видео 7. Результаты CFD-моделирования бортового отсоса от ванн травления и хроматирования:

  • Видео 8. Результаты CFD-моделирования активированного двухбортового отсоса от спаренных ванн травления, обезжиривания и флюсования:

3. Пример численного трехмерного моделирования здания с большими объемами, сложной геометрической формы, с атриумом и большими светопрозрачными арочными конструкциями: крытый рынок в г. Петропавловск-Камчатский, Россия, проект выполнен в сентябре 2017 г. Основными задачами при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха (далее СВК) в данном здании были: принятие новых проектных решений для создания комфортного микроклимата в торговых залах, бутиках и атриуме по аэродинамическим и температурно-влажностным характеристикам с соблюдением параметров комфортности для посетителей и персонала, обеспечения максимальной энергоэффективности и минимизации затрат на приобретение климатическое оборудования, СМР и дальнейшую эксплуатацию.

Дело в том, что на момент разработки нами проектной документации, в здании была существующая система вентиляции, смонтированная по проекту местного проектного института, но она фактически полностью не удовлетворяла элементарным требованиям и нормам.

  • Рисунок 8. Этапы CFD моделирования HVAC одного из торговых залов здания крытого рынка:

Например, в торговых залах помещения атриума были даже единичные случаи, когда в летний период года, при большом скоплении посетителей, люди падали в обморок из за нехватки свежего приточного воздуха (параметры комфортности PPD и PMV занижены в десятки раз), низкой влажности (менее 30%) и высокой температуры воздуха (более +30 градусов), то есть из за полного отсутствия не то что комфортного, а просто нормируемого микроклимата в рабочих зонах. Кстати, это наглядный пример того, когда заказчиком потрачены большие финансовые ресурсы, время и прочее, а по итогу результат нулевой, о чем я писал выше, что опять подтверждает моё утверждение об обязательном применении трехмерного численного прогнозирования CFD на таких сложных объектах. Решение задач по реализации поставленных задач осложнялось конструктивом здания: сложная геометрическая форма в плане в виде формы полуокружности, состоящее из двух основных блоков, разбитых, в свою очередь на торговые залы большого объема (высота потолков 6,8 метров) с балконами и антресолями, между собой основные блоки соединены светопрозрачной арочной конструкции в виде атриума (высота потолков 12,5 метров). Всё это усугублялось большими теплоизбытками, в основном от солнечной радиации через витринные окна и светопрозрачные купола, большими открытыми проемами через смежные помещения, вызывающими неорганизованный естественный воздухообмен, перетоки воздушных потоков и прочими усложняющими факторами. Поэтому, по согласованию с заказчиком, было принято решение об однозначном применении, при разработке проектных решений, CFD моделирования HVAC с достоверным прогнозированием микроклимата помещений.

  • Рисунок 9. Этапы CFD моделирования HVAC атриума со светопрозрачным куполом здания крытого рынка:

В результате многократно проведенного трехмерного CFD моделирования, с большим числом исходных данных и многочисленных «сценариев» воздухораспределения, была определена окончательная концепция систем СВК (на основе метода вытесняющей вентиляции с применением центральных кондиционеров и низкоскоростных воздухораспределителей), подтверждены и скорректированы математические расчеты, приняты технические решения по реализации и разработке проектной документации.

  • Рисунок 10. Исследование воздействия газодинамических потоков воздушной среды на человека с точечными замерами параметров скорости, температуры, индексов комфортности PMV, PPD и других параметров при CFD моделировании здания крытого рыка:

Отдельно был произведен расчет оценки качества прогнозируемых параметров комфорта: PMV (ожидаемая средняя оценка степени комфорта или индекс комфортности по Фангеру, основанный на тепловом балансе человека), PPD (ожидаемый процент неудовлетворенных воздушной средой), уровень сквозняковых явлений DR, ожидаемый процент людей ощущающих дискомфорт от сквозняка, степень турбулентности TU. Для рабочих зон были определены такие параметры как средняя скорость воздуха, градиент температуры воздуха, температура в зоне пола, относительная влажность, асимметричность излучений.

  • Рисунок 11. Этапы CFD моделирования HVAC здания крытого рынка в целом, с учетом открытых проемов между смежными помещениями:

Всё это вместе привело к положительному результату по решению поставленных задач с последующей реализацией в проектных решениях. Послесловие. На момент написание этой статьи, к сожалению, "воз и ныне там": из-за отсутствия финансирования, работы по реконструкции систем СВК, согласно новому проекту, так и не реализованы...

  • Видео 9. Результаты CFD-моделирования HVAC здания крытого рынка:

4. Далее рассмотрим пример трехмерного компьютерного моделирования в промышленности. Объект: термический цех в здании сталепрокатного завода «Стальканат-Силур», г. Одесса, Украина, проект реализован в марте 2018 г. В связи со сложностью поставленных заказчиком задач, проектные работы были разбиты на три этапа: предпроектные инженерные изыскания (для выработки нескольких вариантов концепций с видеопрезентациями для заказчика и инвесторов), стадии проектирования «Проект» и «Рабочая документация». На момент начала работ, в помещении термического цеха находилось оборудование двух устаревших линий термической обработки и одной линии подготовки (травления и цинкования). Из за отсутствия системы СВК и местной вытяжной вентиляции (далее ВМ), из-за больших тепловыделений от термического оборудования линий термообработки, влажностных и вредных выделений от ванн линии подготовки, воздухообмен и микроклимат в помещении цеха был полностью неудовлетворительным. В рабочих зонах постоянного пребывания персонала, кроме значительного превышения ПДК вредных выделений, температура воздуха в теплый период года достигала +40 градусов. Так же, из-за полного дисбаланса между притоком и вытяжкой, большого перепада температур и постоянно открытых дверных проемов в смежные цеха, существовал неорганизованный естественный воздухообмен с перетоками воздушных масс из грязных зон в чистые и смежные цеха, в рабочих зонах преобладали сквозняковые эффекты и прочее.

  • Рисунок 12. CFD моделирования HVAC термического цеха:

По заданию заказчика, разработка проектной документации, с последующей реализацией устройства систем СВК и ВМ, должна была полностью устранить все недостатки и обеспечить нормируемый микроклимат в рабочих зонах производственного цеха. Но главной особенностью данного проекта являлась разработка систем СВК и ВМ не только для конкретной климатической ситуации, а и разработка проекта с несколькими переходными вариантами, с условием замены старых линий термообработки на новые, с увеличением их количества и заменой на современное оборудование. То есть, запроектированные системы СВК и ВМ должны были обеспечить нормируемый воздухообмен и микроклимат как на данный момент, так и на последующие, после демонтажа старых линий термообработки и постепенного добавления новых линий с другим технологическим оборудованием, другими параметрами и размещением. Положительно решить поставленную задачу возможно было только с помощью достоверного прогнозирования посредством CFD моделирования, что и было осуществлено на стадии предпроектных инженерных изысканий.

Первоначально, для определения последующей общей концепции воздухораспределения, моделировалось тепло-влаго-воздушное состояние микроклимата, движение температурно-воздушных потоков термического участка, с учетом поступления воздушных масс из смежных цехов, из открытых проемов аэрационных фонарей и пр. в существующем состоянии (без применения систем вентиляции), прогнозирование производилось с учетом устанавливаемого в будущем технологического оборудования. После этого моделировались климатические ситуации, исходя из различных вариантов расположения приточных диффузоров и вытяжных устройств с различным числом исходных данных, в разные временные периоды эксплуатации, но уже с применением систем СВК и ВМ.

  • Рисунок 13. CFD моделирования HVAC термического цеха:

Далее производились исследования и детальный анализ полученных результатов на предмет принятия наиболее эффективной концепции по производительности, типоразмеру и размещению приточных и вытяжных устройств, в результате достоверного прогнозирования по средством CFD моделирования HVAC. В итоге была определена окончательная концепция воздухораспределения, приняты технические решения по реализации и разработке проектной документации, были внесены корректировки по расчетному сечению воздуховодов, достоверному типоразмеру, количеству и расположению воздухораспределительных и воздухозаборных устройств, был определен оптимальный воздухообмен и холодопроизводительность приточных агрегатов.

  • Видео 10. Результаты CFD-моделирования HVAC термического цеха:

5. Ну и рассмотрим несколько нестандартных ситуаций.

В 2013 году был реализован проект систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха здания теннисного клуба «Smart-TT» в г. Донецке, Украина. Особенность этого проекта заключалась в том, что заказчик хотел решить проблемы микроклимата помещения, с устройством систем вентиляции, кондиционирования воздуха и воздушного отопления, с помощью всего одного агрегата – руфтопа (центрального кондиционера). Да, такой климатический агрегат способен решить данную задачу, но нестандартность данного проекта заключалось в том, что для обеспечения требуемого микроклимата надо было подавать большой объем приточного воздуха (наружного и рециркуляционного) в рабочую зону теннисного зала с очень малой скоростью, не более 0,1 – 0,2 м/с (чтобы исключить любое внешнее воздействие на теннисные шарики при игре). Более того, в связи с особенностями конструктива здания: геометрической формой и низкими потолками (не желательными для помещений с таким функционалом) и расположением теннисных столов, комфортный микроклимат и воздухообмен, с нормируемой скоростью, должен был обеспечиваться полностью по всему залу, без «застойных» зон. Были произведены математические расчеты, выбрана концепция воздухораспределения, но правильность выбранных проектных решений надо было подтвердить и убедиться в их эффективности. А решить эту задачу возможно было только с достоверным прогнозированием при помощи CFD моделирования, что и было проделано. В ходе анализа трехмерного моделирования HVAC были выявлены все недостатки, внесены корректировки в выбранную концепцию воздухораспределения теннисного клуба и в итоге был получен требуемый результат.

  • Рисунок 14. CFD моделирования HVAC теннисного клуба:

Или, например, в 2017 г. был реализован проект технологической вентиляции в г. Владивосток, Россия, на международном Восточном экономическом форуме. Задача была действительно очень нестандартная. От делегации Камчатского края, в рамках экспозиции «Улицы Дальнего Востока», было построено сооружение под названием «Пурга» или «Снежный куб» - здание в форме прозрачного куба, занесенного «снегом», внутри которого располагался ресепшн представительства и тренажер-симулятор для горных лыж и сноуборда. Стенки и потолок представляли собой замкнутую светопрозрачную конструкцию и, по задумке авторов, внутри этих стен должна была быть имитация настоящей снежной пурги, чтобы у людей, занимающихся на горнолыжном тренажере, было максимально реалистичное ощущение. Был закуплен специальный материал «снег», применяемый в кинематографии, оставалось только осуществить задумку при помощи системы технологической вентиляции: создать внутри светопрозрачных стен турбулентные, постоянно меняющиеся воздушные потоки, подхватывающие «снег» и имитирующие метель. Перед началом выставки данный павильон «Снежный куб» был широко разрекламирован, и посетители с нетерпением ждали его открытия. Поэтому, из-за очень ограниченных сроков, ошибиться в проектном решении было нельзя, предполагалось сделать проект и сразу же его реализовать, на экспериментальные испытания, корректировки и переустройство, если бы что-то пошло не так, времени не оставалось.

  • Рисунок 15. CFD моделирования павильона «Снежный куб»:

И здесь, конечно, на помощь пришло CFD моделирование, было произведено достоверное прогнозирование воздушных потоков внутри стен «Куба», по результатам которого, был определен фактический воздухообмен и принята окончательная концепция на основе сопловых и щелевых воздухораспределителей с последующей реализацией.

  • Рисунок 16. CFD моделирования павильона «Снежный куб»:

Итак, мы с вами рассмотрели особенности трехмерного компьютерного CFD моделирования HVAC и различные примеры применения данной технологии в области проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, аспирации, пылеудаления, газоочистки и прочего. А также убедились, что современные условия и новые возможности, в области цифровых компьютерных исследований по средством достоверного прогнозирования гидрогазодинамических потоков, открывают новые перспективы и возможности в проектировании климатических систем для достижения реалистичных и эффективных результатов.


Руководитель ТС "МАСТЕРСКАЯ КЛИМАТА" Иващенко Г.А.

май, 2019г.

Список литературы:

[1]. ГОСТ Р ИСО 7730-2009. Эргономика термальной среды. Аналитическое определение и интерпретация комфортности теплового режима с использованием расчета показателей PMV и PPD и критериев локального теплового комфорта.


Тип лицензии на данную статью: CC BY 4.0. Текст статьи может быть размещен на сторонних интернет и информ ресурсах с обязательным указанием авторства и ссылки на первоисточник (согласно закона об авторском праве и интеллектуальной собственности)






Просмотров: 0