Применение средств CFD-моделирования для расчета воздухораспределения различных помещений

Опубликовано: 04.09.2018

Summary:

Описание:

На сегодняшний день существует множество задач требующих точного расчета распределения температурных и аэродинамических полей в различных помещениях. Действующие российские нормативы не дают методик, с помощью которых можно было бы решать подобные задачи. В то же время непосредственное применение CFD-моделирования при проектировании весьма трудоемкое и, как правило, затратное по времени. В статье приведен пример расчета распределения температурных и аэродинамических полей для помещений небольших объемов, концентрирующих высокую тепловую нагрузку с помощью средств CFD-моделирования.

А. А. Арбатский , канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры ТМПУ НИУ «МЭИ», директор департамента разработки новых продуктов ТПХ «Русклимат»

Введение

На сегодняшний день существует множество задач, требующих точного расчета распределения температурных и аэродинамических полей в различных помещениях. Действующие российские нормативы не дают методик, с помощью которых можно было бы решать подобные задачи. В то же время непосредственное применение CFD-моделирования при проектировании весьма трудоемкое и, как правило, затратное по времени.

Среди помещений, требующих точного расчета температурных и аэродинамических полей в помещениях, можно выделить:

тип 1: чистые помещения и помещения с контролируемыми средами; тип 2: производственные помещения с аппаратурой, требующей точного поддержания климатических параметров; тип 3: помещения небольших объемов, концентрирующие высокую тепловую нагрузку; тип 4: дата-центры с высокой плотностью загрузки.

Таким образом, возможно поставить задачу выработки рекомендаций для расчета распределения температурных и аэродинамических полей для перечисленных выше типов помещений с помощью средств CFD-моделирования для дальнейшего применения при проектировании.

Рисунок 1.

Общий вид холодильного центра

Помещения типов 1 и 2 рассматривались в работах [1, 2]. Помещения типа 4 будут приведены в следующих публикациях. В данной работе проанализируем достаточно редкий тип помещений – 3.

Моделирование распределения температурных и аэродинамических полей для холодильного центра высокой загрузки

Объект моделирования представляет собой холодильный центр, расположенный в подвале здания на отметке – 5,700 см (рис. 1), с суммарной электрической мощностью тепловыделяющего оборудования порядка 800 кВт (имеется в виду оборудование, выделяющее тепло непосредственно в помещение).

На рис. 1 цветом выделены тепловыделяющие элементы, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Тепловые характеристики оборудования в первом приближении
Оборудование Электрическая мощность, кВт Тепловая мощность, кВт Коэффициент теплоотдачи, ВТ/(м2.К) Значение температуры поверхности в первом приближении, °С
Насос IL_E_150_270_22_4 22,4 4,48 21,3 72,58
Насос NL_80_160_18.5_2 18,5 2,664 19 53,70
Насос NL_100_160_5.5_4 5,5 1,012 16 38,82
Насос NL_100_160_30_2 30 5,04 20 69,84
Насос NL_125_200_90_2 90 13,68 21 79,87
Электрический шкаф 3,2 18 55,27
Светильники 0,028 10 29,78

Проанализированные схемы размещения воздухораспределительных устройств приведены на рис. 2.

Рисунок 2.

Варианты размещения приточных и вытяжных устройств в хладоцентре: а – продольное размещение с подачей воздуха на границу помещения, б – продольное размещение с распределенной подачей воздуха, в – поперечное размещение с подачей воздуха на границу помещения, г – поперечное размещение с распределенной подачей воздуха

Для обработки результатов моделирования применялась методика [3]. Были получены следующие результаты при температуре подаваемого воздуха 28 °C (наиболее высокая температура воздуха для принятого региона – Москва согласно [4]) и следующих расходах: 3300, 2300, 1300 м3/ч

(1 крат, 1,5 крата, 2 крата). Схема размещения приточных и вытяжных устройств была принята (рис. 2, в) как оптимальная по результатам предварительного моделирования.

На рис. 3–5 видно, что наилучшая картина распределения температур и скоростей получается при расходе воздуха 3300 м3/ч (рис. 3). Однако при расходе воздуха 2300 м3/ч (рис. 4) также имеет место приемлемая картина распределения температур и скоростей внутри холодильного центра. Максимальная температура не превышает 33–34 °C, и при этом в рабочей зоне практически нет зон застоя воздуха, несмотря на общую низкую скорость перемещения воздуха.

Рисунок 3.

Поля температур (а), скоростей (б) при расходе воздуха 3300 м3/ч

Рисунок 4.

Поля температур (а), скоростей (б) при расходе воздуха 2300 м3/ч

Рисунок 5.

Поля температур (а), скоростей (б) при расходе воздуха 1300 м3/ч

Расход 1300 м3/ч неприемлем, так как образуется большое количество зон локального перегрева (выше 35 °C) и практически нет движения воздуха в помещении.

Таким образом, оптимальным является расход воздуха 2300 м3/ч при схеме распределения воздуха согласно рис. 2, в. При этом значения расстояний между воздухораспределителями и расходы воздуха необходимо принимать по табл. 2.

Таблица 2

Значение параметров для принятой схемы воздухораспределения согласно рис. 2, в при расходе воздуха 2300 м3/ч

Параметр

Значение

L1, м 3–4
L2, м 1–2
L3, м 1–2
L4, м 1–3
G1, м3/ч 460
G2, м3/ч 575
Рекомендуемые типы

воздухораспределителей
4АПН 600×600,

4АПН 450×450,

любые другие

аналогичные по размерам

Заключение

Произведено моделирование распределения температурных и аэродинамических полей для хладоцентра высокой загрузки. Выработаны рекомендации по воздухообмену, из которых можно предварительно вывести величину воздухообмена для хладоцентров: 1,5 крата при электрической мощности установленных агрегатов до 800 кВт. При электрической мощности 800–1000 кВт необходимо увеличить воздухообмен до двух крат. Данные действительны для хладоцентров с коэффициентом загрузки 0,4–0,6 кВт/м3.

Объединив все подобные исследования, возможно выработать устойчивые рекомендации для инженерных расчетов помещений всех типов.

Литература

Арбатский А. А., Глазов В. С. Расчет систем вентиляции производственных и общественных зданий с применением средств CFD-моделирования : сб. научн. тр. VI Междунар. науч.- техн. симпоз. «Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии СЭТТ – 2017» Междунар. науч.-техн. фор. «Первые международные Косыгинские чтения (11, 12 октября 2017 года). М.: ФГБОУ ВО «РГУ им. А. Н. Косыгина», 2017. Т. 1. C. 176–180. Арбатский А. А., Глазов В. С. Оптимизация расчета воздухообмена в производственных цехах : сб. тр. XI Междунар. науч.-технич. симпоз. «Теоретические и экспериментальные основы создания энерго- и ресурсосберегающих процессов и оборудования» (ЭРПО-2014). М., 2014. Т. 2. С. 170–175. Сергиевский Э. Д., Хомченко Н. В., Овчинников Е. В. Расчет локальных параметров течения и теплообмена в каналах : метод. пос. по курсу «Математическое моделирование процессов тепломассообмена». М.: Изд-во МЭИ, 2001. СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». М., 2012.

www.rusklimat.com

rss