close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности работы системы естественной вентиляции при формировании теплового движения воздуха

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Абрамкина Дарья Викторовна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ
ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ТЕПЛОВОГО
ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА
05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование
воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Национальный
исследовательский Московский государственный строительный университет».
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Рымаров Андрей Георгиевич
Официальные
оппоненты:
Бодров Михаил Валерьевич
доктор технических наук, доцент,
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурностроительный университет», кафедра «Отопление и
вентиляция», профессор
Тихомиров Сергей Алексеевич
кандидат технических наук, доцент,
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Донской государственный технический
университет», кафедра «Теплогазоснабжение и
вентиляция», заведующий кафедрой
Ведущая организация:
Акционерное общество «Центральный научноисследовательский и проектно-экспериментальный
институт промышленных зданий и сооружений –
ЦНИИПромзданий»
Защита состоится «26» декабря 2018 г. в 15 часов 00 минут (по местному
времени) на заседании диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базе
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный
строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.
26, ауд. №9 «Открытая сеть»
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Национальный
исследовательский Московский государственный строительный университет» и
на сайте www.mgsu.ru
Автореферат диссертации разослан «___» ___________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Гогина Елена Сергеевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования.
Согласно сведениям Федеральной службы государственной статистики
большую часть жилого фонда г. Москвы составляют дома, построенные в период
с 1956 по 1990 гг. Основной особенностью этих сооружений является то, что в
них предусматривались канальные системы естественной вентиляции. Такая
тенденция жилищного строительства сохраняется и в настоящее время, что
связано со сравнительно невысокими капитальными и эксплуатационными
затратами, простотой обслуживания и долговечностью подобных систем.
Существующие системы естественной вентиляции обладают рядом
недостатков. В холодный период года естественная вентиляция в полной мере
обеспечивает требуемый воздухообмен, что связано с наличием достаточной
разности температур между наружным и внутренним воздухом в помещении.
Однако в теплый и переходный периоды года работа систем оказывается
неэффективной. Фактически, в данное время года, вентиляция осуществляется в
основном за счет обеспечения периодического проветривания, но подобный
подход порождает проблему создания требуемого микроклимата в помещениях
санитарных узлов. Эффективность естественного проветривания зависит от силы
и направления ветра и может значительно различаться в течение суток. Согласно
сведениям Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды (Росгидромет) средняя скорость ветра на территории РФ из
года в год уменьшается в течение всех сезонов. Наибольшие отрицательные
аномалии имеют место в Европейской части России. Увеличение плотности и
этажности городской застройки приводит к образованию зон с пониженными
скоростями воздуха, что зачастую создает неблагоприятные условия для
пребывания человека в помещении.
В связи с вышесказанным, исследование, направленное на оптимизацию
работы канальных систем вентиляции в теплый и переходный периоды года,
является актуальной научной задачей.
Степень разработанности темы исследования.
В современных научных работах, посвященных исследованию систем
вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха, рассматривались лишь
конструкции с радиационным подогревом лучепрозрачных вытяжных каналов,
размещаемых снаружи здания. Однако подобные системы удобно использовать
только при малоэтажном строительстве, что связано со значительной площадью
поперечного сечения воздуховодов. На внутренней поверхности воздуховодов
при определенных условиях в холодный период года может образовываться
конденсат, что вызывает постепенное разрушение конструкции вентиляционного
канала.
Наружное размещение прозрачных вентиляционных каналов в жилом
здании может значительно испортить внешний облик сооружения, что связано с
высоким уровнем загрязненности удаляемого воздуха из помещений кухни и
санузла. Чистка внутреннего пространства подобных воздуховодов включает в
себя более дорогостоящие операции, чем при использовании традиционных
4
систем.
Таким образом, одной из задач настоящего исследования является проверка
возможности реализации теплового побуждения для существующей конструкции
систем естественной вентиляции многоэтажного жилого здания, основанной на
подробном анализе характера движения формирующихся конвективных течений в
нагреваемом канале.
Исследованию свободного конвективного течения воздуха в условиях
внутренней задачи посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Г.А.
Остроумова, Г.З. Гершуни, С.В. Патанкара, Б. Гебхарта, В.Н. Варапаева и др.
Данный вопрос был изучен с точки зрения различных областей науки: геофизики,
ракетостроения, строительной теплофизики и прикладной математики.
Объектом исследования являются канальные системы вентиляции с
тепловым побуждением движения воздуха.
Предметом исследования являются свободные конвективные течения
воздуха, формирующиеся в нагреваемых вентиляционных каналах.
Целью исследования является повышение эффективности работы систем
вентиляции многоэтажного жилого здания за счет применения теплового
побуждения движения воздуха в теплый и переходный периоды года.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены
следующие задачи:
1.
Провести оценку работоспособности систем естественной вентиляции
многоэтажных жилых зданий, и выявить причины, препятствующие их работе;
2.
Проанализировать существующие технологии, направленные на
обеспечение стабильной работы систем естественной вентиляции в течение года;
3.
Разработать математическую модель процессов теплообмена в
вентиляционном канале при движении свободноконвективных потоков,
формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движения
воздуха;
4.
Разработать конструктивное решение системы вентиляции с тепловым
побуждением движения воздуха для типового жилищного строительства;
5.
Составить алгоритм расчета систем вентиляции с тепловым
побуждением движения воздуха, с учетом разработанной модели для анализа
качественной структуры свободноконвективных потоков на основе программного
комплекса Ansys Fluent;
6.
Провести экспериментальное исследование процессов конвективного
теплообмена в вытяжных каналах системы вентиляции с тепловым побуждением
движения воздуха.
Научная новизна диссертации:
1.
Разработана математическая модель процессов теплообмена в
вентиляционном канале при движении свободноконвективных потоков,
формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движения
воздуха;
2.
Доказано наличие зависимости средней скорости воздушного потока
на входе в вентиляционный канал от расчетной разности условной температуры
5
на стенке воздуховода и температуры внутреннего воздуха в помещении;
3.
Определены длины участков стабилизации течения после
вентиляционного отвода при различных способах нагрева вентиляционного
канала;
4.
Разработана методика определения локальных коэффициентов
конвективной теплоотдачи для систем вентиляции с тепловым побуждением
движения воздуха.
Теоретическая значимость результатов работы.
1.
Применительно к проблематике диссертации результативно
использован метод расчета коэффициента обеспеченности воздухообмена, на
основе которого был обоснован период применения теплового побуждения
движения воздуха;
2.
Изложены условия применения и составлена классификация
существующих технологий, направленных на обеспечение стабильной работы
систем естественной вентиляции в течение года;
3.
Изучена качественная структура свободноконвективных потоков,
формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движения
воздуха при различных способах нагрева вентиляционного канала.
Практическая значимость результатов работы:
1.
Разработан алгоритм расчета систем вентиляции с тепловым
побуждением движения воздуха, позволяющий определить изменение
температуры и скорости воздушного потока по высоте вентиляционного канала.
2.
Определены геометрические характеристики вентиляционного канала,
и месторасположение его нагрева, позволяющие обеспечить стабильный расход
воздуха в системе вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха;
3.
Разработана методика определения локальных коэффициентов
конвективной теплоотдачи для систем вентиляции с тепловым побуждением
движения воздуха;
4.
Представлены результаты исследования устойчивости конвективных
течений в системе вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха со
сборным вертикальным каналом, которые позволили выявить причины изменения
объемного расхода воздуха по высоте здания;
5.
Создана система практических рекомендации по эксплуатации систем
естественной вентиляции, разработанная на основе проведенной оценки
работоспособности существующих систем.
Методология и методы исследования.
Методологической основой исследования являются:
- существующие теоретические положения и экспериментальные
исследования отечественных и зарубежных ученых в области свободной
конвекции, а так же теплового побуждения систем вентиляции;
- стандартные методики численного моделирования свободных
конвективных потоков воздуха в условиях внутренней задачи.
Основные методы, используемые в диссертационной работе:
1.
Численное моделирование производилось с помощью CFD
6
моделирования, основанного на методе конечных объемов с неструктурированной
сеткой;
2.
Методика экспериментального исследования основывалась на
требованиях государственных стандартов по аэродинамическим испытаниям
вентиляционных систем и базировалась на показаниях поверенных приборов;
3.
Социологический опрос проводился с помощью выборочного
исследования в форме анкетирования.
Положения, выносимые на защиту:
1.
Разработанная математическая модель процессов теплообмена в
вентиляционном канале при движении свободноконвективных потоков,
формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движения
воздуха;
2.
Разработанная методика определения локальных коэффициентов
конвективной теплоотдачи для систем вентиляции с тепловым побуждением
движения воздуха;
3.
Результаты натурного исследования по определению профилей
температуры, локальных и средних коэффициентов конвективной теплоотдачи
воздушного потока по высоте вентиляционного канала при различной расчетной
разности условной температуры на стенке воздуховода и температуры
внутреннего воздуха в помещении;
4.
Составленный алгоритм расчета систем вентиляции с тепловым
побуждением движения воздуха, с учетом разработанной модели для анализа
качественной структуры свободноконвективных потоков на основе программного
комплекса Ansys Fluent.
Степень достоверности полученных результатов исследования:
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и
результатов обусловлена использованием фундаментальных физических законов,
корректностью математических постановок задач, использованием современных
апробированных методов численного моделирования и верифицированных
методик экспериментальных исследований, сопоставлением полученных
результатов
с
аналитическими,
численными
и
экспериментальными
исследованиями других авторов.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы
были представлены на:
1.
Международном
конкурсе
на
лучший
проект
в
сфере
энергосбережения и энергоэффективности в номинации «Лучшее инженернотехническое решение по повышению энергетической эффективности и по
энергосбережению в зданиях, сооружениях и строениях», г. Москва, 2016 г.;
2.
Профессиональном конкурсе НОПРИЗ на лучший проект – 2017 в
номинации проектов, представленных студентами и аспирантами вузов,
молодыми архитекторами, г. Москва, 2017г.;
3.
Научно-практической конференции «Технологии в инженерноэкологическом строительстве, механизации и жилищно-коммунальном
комплексе», г. Москва, 2017 г.
7
4.
XXI Международной научной конференции «Строительство –
формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, 2018 г.
5.
Всероссийском
конкурсе
научно-технических
и
научноисследовательских проектов «Молодёжные инновации», г. Москва, 2018 г.
6.
Научном семинаре «Modern problems of engineering sciences and their
solutions. Experience of interuniversity cooperation», г. Москва, 2018 г.
Личный вклад автора в получении результатов заключается:
1.
В непосредственном участии в разработке научной проблемы;
2.
В
проведении
математического
моделирования
свободноконвективных течений, формирующихся в нагреваемом канале и
натурных исследований режимов работы системы вентиляции с тепловым
побуждением движения воздуха, обработке и анализе полученных результатов.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной
специальности 05.23.03. – «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование
воздуха, газоснабжение и освещение» пункт 1 – «Совершенствование,
оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления,
вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования.
Использование
нетрадиционных
источников
энергии»;
пункт
2
–
«Технологические
вопросы
теплогазоснабжения,
вентиляции
и
кондиционирования воздуха»; пункт 3 – «Создание и развитие эффективных
методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения,
вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от
шума».
Результаты работы внедрены на предприятии путем производства
образцов опытной партии воздуховодов систем вентиляции с тепловым
побуждением движения воздуха за счет электрического нагрева.
Публикации по результатам исследования.
Основные результаты
диссертационной работы изложены в 10 научных работах, в том числе в 6
рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 работа
опубликована в журнале, индексируемом в международной реферативной базе
Scopus.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка
литературы, включающей 116 наименований, в том числе 23 иностранных и
приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит
86 рисунков и 9 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи исследования, определены объект и предмет
исследования, представлены положения, выносимые на защиту, научная новизна
и практическая значимость исследования, перечислены основные научные и
практические результаты, публикации по теме, объем и структура работы.
В первой главе проведена оценка работоспособности систем естественной
8
вентиляции многоэтажных жилых зданий, с целью выявления причин,
препятствующих их работе. Результативно использован метода расчета среднего
коэффициента обеспеченности воздухообмена nL , %, на основе которого были
обоснованы границы эксплуатации канальных систем естественной вентиляции и
периода применения дополнительного побуждения для города Москвы (Рисунок
1).
Рисунок 1 - Динамика среднего коэффициента обеспеченности воздухообмена для
г. Москвы с января 2011 г. по декабрь 2016 г.
В первой главе представлены результаты экспериментального исследования
работы систем естественной вентиляции в теплый и переходный периоды года.
Исследование проводилось в квартире, расположенной на последнем этаже
многоэтажного жилого здания серии П-44 с помощью прямого и косвенного
методов измерений. Было выявлено, что отключенный осевой вентилятор,
установленный в санитарном узле квартиры, создает значительное
аэродинамическое сопротивление, не смотря на конструкцию с облегченными
лопатками, в связи с чем, система вентиляции находится в нерабочем состоянии.
Для верификации полученных данных был проведен социологический
опрос в виде индивидуального анкетирования, направленный на выявление
степени удовлетворенности жителей многоэтажных жилых домов качеством
работы систем естественной вентиляции. В опросе участвовало 100 респондентов
в возрасте от 20 до 65 лет, проживающих в Центральном Федеральном округе РФ.
Доверительная вероятность опроса составила 95%, доверительный интервал –
10%. Социологический опрос позволил определить реальные условия
эксплуатации систем естественной вентиляции многоэтажных жилых зданий. Так,
чуть более чем в 70% случаях проживающие самовольно устанавливают осевые
вентиляторы в санитарный узел. Из них 18,3% утверждают, что, не смотря на
принятые меры, были замечены случаи образования плесени в межплиточных
швах и углах помещений. У 50% опрошенных людей в квартирах установлены
системы местного кондиционирования воздуха. Согласно результатам
проведенного социологического опроса, 65%
респондентов не довольны
качеством работы систем вентиляции у себя в квартире.
9
В первой главе изложены условия применения и составлена классификация
существующих технологий, направленных на обеспечение стабильной работы
систем вентиляции в течение года: тепловое, ветровое
и механическое
побуждение. Теоретическое исследование основано на научных работах
отечественных и зарубежных ученых: В.Г. Залесского, К.А. Ушакова, В.В.
Шведова, Т. Кливена, Н.К. Бансала, Дж. Хирунлабха, Г.С. Войницкого и др. В
заключении к первой главе представлены рекомендации по эксплуатации систем
естественной вентиляции в теплый и переходный периоды года.
Во второй главе представлена разработанная математическая модель
процессов
теплообмена
в
вентиляционном
канале
при
движении
свободноконвективных потоков, формирующихся в системе вентиляции с
тепловым побуждением движения воздуха. Представлена общая постановка
задачи и предмета исследования. Исследование было разделено на два этапа:
1.
Математическое моделирование свободной конвекции в системе
вентиляции последнего этажа многоэтажного жилого здания с целью определения
наиболее эффективного способа нагрева, а так же разработки конструктивного
решения системы вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха;
2.
Исследование устойчивости конвективного течения в системе
вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха со сборным
вертикальным каналом.
1 этап. Рассматривается конвективное движение воздуха в канале системы
вентиляции, изготовленном из тонколистовой стали. Движение воздуха
происходит в ограниченной незамкнутой области Ω1 с условной температурой на
подогреваемых стенках (граница Г1) равной tк (Рисунок 2). Нижняя часть канала
является входным сечением Г2, через которое внутренний воздух из помещения
(Ω2) с температурой tв и давлением Pв поступает в рассматриваемую область.
Верхняя часть канала представляет собой выходное сечение Г3, через которое
вытяжной воздух с температурой tу поступает в атмосферу (Ω3). воздух во
внешних областях Ω2 и Ω3 покоится, а распределение
давлений в них определяется гидростатикой.
Формирование пристенных свободноконвективных
течений в рассматриваемой внутренней области Ω1
происходит
при
наличии
пространственной
неоднородности плотности, вызванной неоднородностью
температуры.
При
осуществлении
нагрева
вентиляционного канала в пределах расчетной разницы
температур   0  40 С , число Рэлея варьируется от 0 до
72,1109 . Согласно исследованиям Н.Д. Ландау и Е.М.
Лифшица, ламинарный режим течения сохраняется при
103  Ra  109 . Согласно исследованиям Г.В. Кузнецова, в
Рисунок 2 Расчетная схема
математической
модели
случае моделирования свободной конвекции в условиях
внутренней задачи при наличии теплоотводящих границ,
которыми в данном случае являются границы входного (Г2)
и выходного сечения (Г3), при потоках с числами Рэлея
10
Ra  1011 , учет турбулизации течения практически не оказывает влияние на
конечные результаты. При этом экспериментальные и расчетные данные хорошо
согласуются в любой рассматриваемой точке. Таким образом, в рассмотренном
диапазоне значений числа Рэлея применение ламинарного приближения для
данной модели является обоснованным. Воздух в канале прозрачен для теплового
излучения стенок.
В приближении
Обербека - Буссинеска
предполагается, что
неоднородности плотности, вызванные неоднородностью давления малы, и ими
можно пренебречь. Возникновение конвективных течений определяет наличие
теплового расширения воздушных масс у нагретых поверхностей. Для описания
зависимости плотности от температуры используется формула:
(1.1)
    (1    T ) , где
T – отклонение температуры от равновесного состояния.
На основании перечисленных предположений, система уравнений
Обербека-Буссинеска примет вид:
 vx v y v 
  2 vx  2 v y  2 vz 
1  p p y pz 

 z v   x 


υ


 2  2  2   g    T

  x y z 
y
z 
 x y z 
 x

  2Tx  2Ty  2Tz 
  Tx Ty Tz 
(1.2)


v  
     2  2  2 
y
z 
y
z 
  x
 x

v
 vx  y  vz  0
 x y z

v - скорость движения воздушного потока, м/с; p - конвективная добавка к
гидростатическому давлению, соответствующему средним температуре и
плотности, Па;  - средняя плотность, кг/м3; T - температура, отсчитываемая от
некоторого среднего значения, К; g - ускорение силы тяжести, м/с2;  и  коэффициенты кинематической вязкости (м2/с) и температуропроводности (м2/с),
предполагаемые постоянными;  - объемный коэффициент теплового
расширения, 1/К;  - единичный вектор, направленный по вертикали вверх.
Граничные условия:
1.
Скорость движения потока воздуха на поверхности вентиляционного
канала равна нулю (условие прилипания):
v Г1  0
(1.3)
2.
Условная температура на поверхности вентиляционного канала
постоянна на протяжении всего процесса теплообмена (граничное условие
первого рода):
T Г 1  Tк ( x; y; z )  const
(1.4)
3.
Подвижность воздуха во внешних областях Ω2 и Ω3 равна нулю:
v  2  v 3  0
(1.5)
4.
На входе в вентиляционный канал воздух имеет температуру, равную
температуре внутреннего воздуха в помещении:
T Г 2  Tв  const
(1.6)
11
5.
Так как в уравнение Обербека - Буссинеска входит величина
действующего давления, представляющая собой разность действительного и
гидростатического давления, то во входном сечении Г2 и выходном сечении Г3
задается условие:
P Г2  P Г3  0
(1.7)
2 этап. Исследование устойчивости конвективного течения в системе
вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха со сборным
вертикальным каналом. Для расчета было выбрано девятиэтажное жилое здания,
восемь этажей которого объединены системой вентиляции с вертикальным
сборным каналом с односторонним подключением поквартирных спутников. При
исследовании аэродинамики системы вентиляции с тепловым побуждением
движения воздуха со сборным вертикальным каналом, была применена k-ε модель
турбулентности с использованием масштабируемых пристенных функций. Задача
рассматривается в нестационарном режиме.
Выбор методологии исследования и составление алгоритма расчета.
В современных условиях исследование процессов свободной конвекции
удобно проводить с помощью специализированного программного обеспечения
CFD (computational fluid dynamics - вычислительная гидродинамика), основанного
на методологии конечного объема с неструктурированной сеткой и позволяющего
создавать геометрическую модель объекта, задавать необходимые физические,
начальные и граничные условия, а так же проводить численный расчет основных
уравнений.
В качестве расчетного инструмента исследования использовалась
программа Ansys Fluent, имеющая высокий уровень сходимости численных
решений и натурных измерений конвективных течений. На Рисунке 3 представлен
алгоритм решения внутренней задачи свободной конвекции в системе вентиляции
с тепловым побуждением движения воздуха на основе программного обеспечения
Ansys Fluent.
Рисунок 3 – Алгоритм расчета систем вентиляции с тепловым побуждением
движения воздуха
12
В третьей главе представлены результаты математического моделирования
свободноконвективных потоков, формирующихся в системе вентиляции с
тепловым побуждением движения воздуха.
1. Выбор месторасположения нагрева вентиляционного канала.
На основе проведенного математического моделирования, было доказано
наличие зависимости средней скорости воздушного потока на входе в
вентиляционный канал от расчетной разности условной температуры на стенке
воздуховода и температуры внутреннего воздуха в помещении (Рисунок 4).
Рисунок 4 – График зависимости средней скорости воздушного потока ( Vср ,
м/с) от расчетной разности температур (  ,  С) при различных способах нагрева
вентиляционного канала
Исходя из представленного графика, можно сделать вывод, что в системах с
горизонтальным и нижним нагревом (совместно с отводом и без него),
фактические средние скорости воздушного потока значительно ниже
рекомендуемых. Следовательно, дальнейший выбор наиболее эффективного
способа теплового побуждения будет проходить между системами № 4, 5, 6 и 7
(Рисунок 4).
Рисунок 5 – График зависимости фактической величины воздухообмена ( L ,
м /ч) от расчетной разности температур (  ,  С) при различных способах нагрева
вентиляционного канала
3
13
Для оценки обеспеченности требуемого воздухообмена жилых помещений
был построен график зависимости объемного расхода воздуха (Рисунок 5) от
расчетной разности температур.
В рассматриваемом диапазоне температур   0  40 С, обеспечить
требуемый воздухообмен в помещении санитарного узла возможно с помощью
всех рассматриваемых вентиляционных систем. При этом наиболее эффективным
способом теплового побуждения является нагрев всей конструкции канала, так
как уже при расчетной разности температур   5С достигается нормируемый
расход воздуха L  25 м3/ч. Кроме того, при данном способе нагрева можно
обеспечить требуемый воздухообмен в помещении кухни при   34С . Для
системы с длиной горизонтального воздуховода l  0 м, нормируемый
воздухообмен для санитарного узла достигается при   5С , для кухни при
  40С . При монтаже систем естественной вентиляции длина горизонтального
участка зависит от планировки квартиры, что обусловлено взаимным
расположением вытяжной решетки и места прокладки вентиляционной шахты.
Согласно Техническим рекомендациям по организации воздухообмена в
квартирах жилых НП "АВОК" 5.2-2012,
высота вентиляционного канала
квартиры должна быть минимальной, но не менее 2м. В связи с вышесказанным,
предлагается производить нагрев вертикальной части канала совместно с
отводом.
2. Влияние нагрева вентиляционного отвода на эффективность
теплового побуждения.
В рассматриваемом диапазоне характерной разницы температур
  0  40С , воздействие гравитационных сил практически не оказывает влияния
на направление движения потока воздуха, проходящего через вентиляционный
отвод, вследствие их малости по сравнению с центробежными силами. В случае
нарушения ламинарного течения каким-либо местным сопротивлением, потоку
необходимо пройти некоторое расстояние, прежде чем произойдет
восстановление исходного профиля скоростей.
Рисунок 6 – Графики зависимости осевой скорости потока ( Vo , м/с) по длине
вертикального участка канала ( l , мм) при различной расчетной разности
температур (  ,  С): а) вертикальный нагрев вентиляционного канала; б)
вертикальный нагрев вентиляционного канала совместно с отводом
14
На Рисунке 6 горизонтальными линиями отмечены длины участков
стабилизации воздушного потока после вентиляционного отвода. При
вертикальном нагреве вентиляционного канала колебания величины осевой
скорости заметно увеличиваются с повышением расчетной разности температур.
В случае вертикального нагрева вентиляционного канала совместно с отводом
изменение осевой скорости имеет более плавный характер.
3. Определение геометрических характеристик вентиляционного
канала, позволяющих обеспечить стабильный расход воздуха в системе
вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха.
Структура пристенного конвективного потока, формирующегося у нагретой
вертикальной стенки, достаточно сложна: его толщина по мере развития вверх
постепенно возрастает, начиная от нуля у основания греющей поверхности. В
случаях, когда ширина вентиляционного канала значительно меньше его высоты
( b << h ), пограничные слои развиваются на нижних концах противоположных
нагретых поверхностей, и, затем, постепенно начинают взаимодействовать друг с
другом на некотором расстоянии. После слияния пристенных слоев формируется
полностью развитый конвективный поток.
В системах вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха при
вертикальном нагреве (с отводом и без него) взаимодействие конвективных
потоков происходит при соотношении длины вертикального участка, h к
меньшей стороне поперечного сечения воздуховода b , меньшем 20 ( h / b  20 ). В
данном случае, слияние пристенных слоев вызывает неустойчивость течения, что
обусловлено
перекрестным
взаимодействием
конвективных
струй,
развивающихся вдоль четырех нагретых поверхностей.
На Рисунке 7
представлены изолинии скорости при вертикальном нагреве канала с учетом
различной конфигурации вентиляционного спутника. Рекомендованные размеры
вентиляционного канала длина вертикального участка h = 2м, сечение 150x150
мм.
Рисунок 7 – Изолинии скорости воздушного потока при вертикальном
нагреве канала для различных конфигураций спутника вентиляционной системы
15
4. Исследование устойчивости конвективного течения в системе
вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха со сборным
вертикальным каналом.
При нагреве поквартирных спутников системы вентиляции с вертикальным
сборным каналом формируется неупорядоченное движение воздушного потока,
вызванное рядом факторов:
1.
Турбулентное смешение потоков воздуха в вентиляционном тройнике,
движущихся с разными скоростями;
2.
Расширение потока в вертикальном сборном канале на уровне пятого
этажа, что связано с изменением поперечного сечения вентиляционного канала;
3.
При высоких числах Рейнольдса доминирующую роль играют силы
инерции, действие которых приводит к формированию локальных объемов
воздуха с высокими скоростями, что значительно влияет на устойчивость течения.
В связи с данными факторами, происходит заметное изменение объемного
расхода воздуха на входе в вентиляционный канал от этажа к этажу. Тепловое
побуждение рекомендуется применять исключительно для вентиляционных
каналов последнего и предпоследнего этажей (имеющих отдельные системы) или
для малоэтажных жилых домов, оборудованных системами вентиляции с
индивидуальными каналами.
В Главе 4 представленные результаты экспериментального исследования
режимов работы систем вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха.
Экспериментальная установка представляет собой вентиляционный канал,
размером 150х150 мм, выполненный из оцинкованной стали толщиной 0,5 мм
(Рисунок 8). Нагрев канала осуществляется с помощью гибкого ленточного
нагревательного элемента. Нагревательный кабель был размещен с наружной
стороны канала с помощью спиральной прокладки с шагом витка, равным 8 см и
закреплен с помощью армированной самоклеющейся ленты. Для снижения
тепловых потерь, снаружи вентиляционного канала прокладывается
теплоизоляционный слой, таким образом, чтобы «холодный конец» кабеля
оставался снаружи.
Рисунок 8 – Схема и фото экспериментальной установки. 1 –
вентиляционный канал, 2 - гибкий ленточный нагревательный элемент, 3 электронный терморегулятор, 4 - термоэлектрический датчик
16
Измерение скорости и температуры воздушного потока производятся с
помощью многофункционального прибора Testo AG 435-4, оборудованного
зондом с обогреваемой струной. Модель внесена в Государственный Реестр
Средств измерений РФ.
Рисунок 9 – Сравнение результатов численного моделирования и
эксперимента. Графики средней скорости потока на входе в вентиляционный
канал (Vо, м/с) в зависимости от расчетной разности температур (θ, °С)
Максимальное значение относительной погрешности при измерении
скорости воздушного потока не превысило 4,9%.
Определение локальных
и средних коэффициентов конвективной
теплоотдачи проводилось экспериментальным путем с помощью разработанного
графического метода, в основе которого лежит нахождение условной толщины
пограничного слоя δt’, мм. Данный метод позволяет с высокой точностью
определить локальные коэффициенты конвективной теплоотдачи, что особенно
важно в случаях, когда экспериментальная модель имеет сложную геометрию.
Для нахождения условной толщины пограничного слоя, δt’, мм, проводится
касательная к кривой распределения температур в пределах пограничного слоя у
нагретой поверхности (Рисунок 10). Относительная погрешность при измерении
температуры воздушного потока составила 0,5%.
Рисунок 10 – Графический метод определения условной толщины
пограничного слоя
17
Локальные коэффициенты конвективной теплоотдачи определяются по
формуле:

t '
1000  
, Вт/(м2∙ºС), где
(1.8)
 - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м∙ ºС).
В связи со значительным влиянием сопротивления вентиляционного отвода
на характер движения конвективных потоков вдоль нагретых стенок, величина
локальных коэффициентов конвективной теплоотдачи будет различной в
рассматриваемых контрольных плоскостях сечения. При увеличении расчетной
разности температур, величина коэффициентов конвективной теплоотдачи
увеличивается, однако характер их изменения по высоте вентиляционного канала
остается прежним.
Значения коэффициентов конвективной теплоотдачи в условиях внутренней
конвекции на порядок меньше, чем при рассмотрении конвекции у поверхностей
в неограниченном пространстве. Данное явление обусловлено особенностями
движения воздушных масс внутри нагретых каналов: ламинаризацией течения за
счет наличия теплоотводящих границ, а так же стеснением потоков,
формирующихся у стенок, в результате чего происходит снижение интенсивности
теплоотдачи.
Коэффициент конвективной теплоотдачи уменьшается по высоте
вентиляционного канала, в силу увеличения толщины пограничного слоя
(Рисунок 11), что характерно для ламинарного характера течения.
Рисунок 11 – График изменения средних коэффициентов конвективной
теплоотдачи α, Вт/(м2∙ºС) по высоте вентиляционного канала l, м при различной
расчетной разности температур θ, °С.
В Главе 5 в рамках технико-экономического обоснования проводится
сравнение двух методов оптимизации работы систем естественной вентиляции в
санузле двенадцатиэтажного жилого здания: использование осевого вентилятора;
применение теплового побуждения при осуществлении нагрева вентиляционного
канала резистивным кабелем. Бездисконтный срок окупаемости составит 4,2 года,
дисконтированный срок окупаемости – 6,5 лет. Приведена инженерная методика
18
расчета систем вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха и
представлены рекомендации по монтажу систем данного типа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования:
1.
Проведена оценка работоспособности систем естественной
вентиляции многоэтажных жилых зданий. Выявлены причины, препятствующие
их работе: установка осевых вентиляторов периодического действия, местных
систем кондиционирования воздуха, герметичных окон и дверей. Результативно
использован метод расчета коэффициента обеспеченности воздухообмена, на
основе которого обоснована необходимость применения дополнительного
побуждения (ветрового, теплового или механического) канальных систем
естественной вентиляции в период с середины февраля по конец ноября для г.
Москвы.
2.
Составлена система практических рекомендаций по эксплуатации
систем естественной вентиляции, разработанная на основе проведенной оценки
работоспособности существующих систем.
3.
Изложены условия применения и составлена классификация
существующих технологий, направленных на обеспечение стабильной работы
систем естественной вентиляции в течение года.
4.
Разработана математическая модель процессов теплообмена в
вентиляционном канале при движении свободноконвективных потоков,
формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движения
воздуха.
5.
Составлен алгоритм расчета систем вентиляции с тепловым
побуждением движения воздуха, с учетом разработанной модели для анализа
качественной структуры свободноконвективных потоков на основе программного
комплекса Ansys Fluent.
6.
Доказано наличие зависимости средней скорости воздушного потока
на входе в вентиляционный канал от расчетной разности условной температуры
на стенке воздуховода и температуры внутреннего воздуха в помещении.
7.
Определены геометрические характеристики вентиляционного канала,
и месторасположение его нагрева, позволяющие обеспечить стабильный расход
воздуха в системе вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха.
Рекомендуется производить нагрев вертикального участка канала совместно с
отводом. Для обеспечения устойчивого течения воздуха в вентиляционном канале
необходимо исключить взаимодействие пристенных конвективных потоков, что
возможно при соотношении длины вертикального участка, h к меньшей стороне
поперечного сечения воздуховода b , меньшем 20 ( h / b  20 ). Рекомендованные
размеры вентиляционного спутника: длина вертикального участка h  2 м, сечение
a  b  150 150 мм. При этом необходимо стремиться обеспечить минимальную
длину горизонтального участка.
8.
Проведен
анализ
влияния
сопротивления,
создаваемого
вентиляционным отводом на характер движения свободноконвективных потоков
19
воздуха, при различных способах нагрева вентиляционного канала. Определены
длины участков стабилизации течения.
9.
Представлены результаты исследования устойчивости конвективных
течений в системе вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха со
сборным вертикальным каналом, которые позволили вывить причины изменения
объемного расхода воздуха по высоте здания: турбулентное смешение потоков
воздуха в вентиляционном тройнике, движущихся с разными скоростями;
расширение потока в вертикальном сборном канале на уровне пятого этажа;
формирование локальных объемов воздуха с высокими скоростями.
10. Разработана методика определения локальных коэффициентов
конвективной теплоотдачи для систем вентиляции с тепловым побуждением
движения воздуха. По результатам экспериментального исследования были
построены профили температуры воздушного потока, определены локальные и
средние коэффициенты конвективной теплоотдачи по высоте вентиляционного
канала при различной расчетной разнице температур. Выявлено, что в случае
моделирования свободной конвекции в условиях внутренней задачи при наличии
теплоотводящих границ в пределах расчетной разности температур   0  40 С ,
учет турбулизации течения практически не оказывает влияние на конечные
результаты. Относительная погрешность при измерении температуры воздушного
потока составила 0,5%.
11. На основе проведенного математического моделирования и
экспериментальных
исследований
изучена
качественная
структура
свободноконвективных потоков, формирующихся в системе вентиляции с
тепловым побуждением движения воздуха при различных способах нагрева
вентиляционного канала.
12. Проведено технико-экономическое обоснование применения систем
вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха в многоэтажных жилых
зданиях. По результатам расчетов было получено, что бездисконтный срок
окупаемости составит 4,2 года, дисконтированный срок окупаемости – 6,5 лет.
Выявлено, что применение систем вентиляции с тепловым побуждением за счет
использования нагревательных электрических кабелей в помещениях кухни будет
экономически нецелесообразным.
13. Разработана инженерная методика расчета систем вентиляции с
тепловым побуждением движения воздуха за счет электрического нагрева для
жилых зданий. Представленная методика позволяет определять требуемую
температуру нагрева вентиляционного канала и удельную мощность кабеля на
стадии проектирования систем вентиляции.
Рекомендации по использованию результатов диссертации:
1.
В период с середины февраля по конец ноября для г. Москвы
рекомендуется применять тепловое побуждение систем естественной вентиляции
в помещениях санузла многоэтажных жилых зданий;
2.
В системах вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха
рекомендуется применять каналы высотой 2 м с размером поперечного сечения
20
150х150 мм, с минимальной длиной горизонтального участка. Рекомендуется
производить нагрев вертикального участка канала совместно с отводом.
Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации состоят в
следующем:
1.
Разработка альтернативных способов нагрева вентиляционного канала
без применения электричества;
2.
Разработка усовершенствованной конструкции канала системы
вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха с теплоаккумулирующим
слоем.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Публикации в изданиях, включенных в «Перечень рецензируемых научных изданий,
в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на
соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук»
ВАК Минобрнауки РФ:
1.
Е.Г. Кривых. Особенности проектирования социотехнических систем
в
контексте
технонауки
/
Е.Г.
Кривых,
Д.В.
Абрамкина
//
Научное обозрение – 2016. - № 7 - С. 227 – 230;
2.
А.Г. Рымаров. Системы естественной вентиляции с тепловым
побуждением / А.Г. Рымаров, Д.В. Абрамкина // Научное обозрение – 2016. - №
9. - С. 43-46;
3.
А.Г. Рымаров. Применение систем естественной вентиляции в
многоэтажном здании с атриумом / А.Г. Рымаров, Д.В. Абрамкина // Научное
обозрение – 2016. - №14. - С. 24-27;
4.
Абрамкина Д.В. Формирование аэроионного режима жилых
помещений / Д.В. Абрамкина // Научное обозрение – 2017. - № 11. – С. 48-51;
5.
Абрамкина Д.В. Моделирование свободноконвективных течений в
системах вентиляции с тепловым побуждением / Д.В. Абрамкина // Вестник
Дагестанского государственного технического университета. Технические Науки
- 2017. - № 44 (3). – С. 136-145;
6.
Абрамкина Д.В. Особенности применения систем вентиляции с
тепловым побуждением / Д.В. Абрамкина // Вестник СибАДИ – 2017. - №6 (58). –
С. 78-84;
Публикации в изданиях, индексируемых в международных реферативных
базах:
7.
Abramkina D. Thermal buoyancy ventilation systems / D. Abramkina //
IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering – 2018. – Vol. 365. – Iss. 2. –
022018;
Публикации в сборниках трудов конференций:
8.
Абрамкина Д.В. Экспериментальное исследование работы системы
естественной вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха / Д.В.
Абрамкина // Сборник трудов внутривузовской научно-технической конференции
«Технологии в инженерно-строительном комплексе, механизации и жилищнокоммунальном комплексе» — Москва : Издательство МИСИ–МГСУ, 2017. – С.
308-313;
21
9.
Абрамкина Д.В. Оценка эффективности работы систем естественной
вентиляции / Д.В. Абрамкина, А.Г. Рымаров // Строительство — формирование
среды жизнедеятельности: XXI Международная научная конференция
[Электронный ресурс]: сборник материалов семинара «Молодежные инновации»
(г. Москва, 25–27 апреля 2018 г.) — Москва : Издательство МИСИ–МГСУ, 2018.
– С. 308-310;
В иных печатных изданиях:
10. Абрамкина Д.В. Системы вентиляции с тепловым побуждением /
Д.В. Абрамкина // Каталог проектов, представленных студентами и аспирантами
вузов, молодыми архитекторами на Профессиональный конкурс НОПРИЗ на
лучший проект – 2017, г. Москва, 2017г. - С. 45.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
1 506 Кб
Теги
эффективность, движение, вентиляции, система, воздух, естественной, работа, повышения, формирование, теплового
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа