Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.

В настоящее время с целью обеспечения комфортного пребывания людей большинство современных общественных зданий оборудованы системами механической приточно-вытяжной вентиляции. Это прописано в требованиях современной нормативной литературы [1]. При этом затраты на нагревание приточного вентиляционного воздуха зимой и его охлаждение летом становятся одной из самых крупных статей расхода при эксплуатации общественного здания.

Особенностью эксплуатации некоторых общественных зданий является неравномерность их заполнения. К таким зданиям в первую очередь относятся гостиницы. Согласно статистическим данным [2], в основном, в Челябинске представлен сегмент делового туризма. На его долю приходится около 80-90 % всех прибывающих в город людей. Среднегодовой показатель заполняемости гостиниц Челябинска составляет примерно 50-65 %. При этом гостиницы в течение года заполняются крайне неравномерно. Во время проведения массовых мероприятий, таких как, например, чемпионаты мира, международные форумы, гостиницы могут заполняться на 100 %. При этом в другое время, может быть занято только 20-30 % номеров [2].

Учитывая данную особенность эксплуатации, получается, что самый экономичный способ вентилирования зданий со значительной неравномерностью использования — это применение систем с переменным расходом воздуха, когда производительность этих систем, в случае гостиниц, зависит от количества занятых номеров.

Гостиницы, как правило, являются зданиями «коридорного типа», поэтому в них используется следующая стандартная схема вентиляции: магистральный воздуховод прокладывается под потолком коридора, а в каждый номер заходит отдельное ответвление. Система вентиляции с переменным расходом воздуха реализуется с помощью электронных ключей (карточек). Когда постоялец входит в номер, вставляет такую карточку и тем самым автоматически обеспечивает подачу электроэнергии в номер, в этот момент открывается заслонка на ответвлении от магистрального воздуховода, обеспечивая подачу приточного воздуха.

Аэродинамика кольцевых вентиляционных сетей с переменным расходом воздуха . 2/2016. Фото 1

Регулирование расхода воздуха на источнике (приточной установке) достигается установкой частотного регулятора скорости вращения вентилятора. Однако при уменьшении расхода воздуха изменяется скорость в сечении воздуховода и, соответственно, потери давления. Вследствие этого нарушается аэродинамический режим вентиляционной сети, а, следовательно, и гидравлическая увязка ответвлений. Расход воздуха, поступающего через ответвления на магистральном воздуховоде (в данном случае в гостиничные номера), изменяется непропорционально, при закрытии одних ответвлений он может вырасти или снизиться в других в два-три раза по сравнению с номинальным.

Проблему нарушения аэродинамики вентиляционной сети при изменении расхода воздуха предлагается решить с помощью поэтажной «закольцовки» магистральных воздуховодов. Перемычка позволяет снизить неравномерность воздухораспределения за счёт перетока воздуха от более нагруженной ветки к менее нагруженной путём смещения «нулевой» точки. Предложенная схема способствует выравниванию статического давления по длине воздуховода, тем самым повышается равномерность раздачи воздуха через ответвления. Для проверки данного предположения в программном пакете SolidWorks Flow Simulation была смоделирована вентиляционная сеть здания двухэтажной гостиницы с 12-ю номерами на каждом этаже.

Для расчётов программа CFD-моделирования строит прямоугольную сетку, произвольным образом пересекающую поверхность модели, созданной в системе графического проектирования. Для описания физических процессов используются дифференциальные уравнения. Более подробно принцип работы программного комплекса SolidWorks Flow Simulation представлен в работе [3].

Расход воздуха через каждое отверстие принят равным 500 м3/ч. Вентиляционная сеть в режиме полной загрузки в проектном режиме отрегулирована путём изменения площадей поперечного сечения отверстий, движения воздуха по перемычке нет.

В режиме эксплуатации рассмотрена ситуация наполненности гостиницы на 60 %, на втором этаже занято шесть номеров, а на первом — восемь. Расход воздуха в системе регулируется вентилятором с частотным преобразователем, пропорционально количеству занятых номеров.

Аэродинамика кольцевых вентиляционных сетей с переменным расходом воздуха . 2/2016. Фото 2

На рис. 1 и 2 представлено продольное сечение вентиляционной сети с эпюрой скоростей. Области с наименьшей скоростью движения воздуха показаны чёрным цветом, цвета постепенно изменяются к белому по мере увеличения скорости. Значения скоростей на цветовой шкале даны в м/с. Цветовая градация распределения скоростей на рис. 2 соответствует значениям на шкале рис. 1. Чёрные линии показывают интенсивность и характер движения воздуха. Их концентрация прямо пропорциональна скорости движения.

Из рис. 2 следует, что при отсутствии замыкающей перемычки равномерность воздухораспределения значительно нарушается. Расход у первых отверстий сильно падает, а у последних — увеличивается почти в два раза.

Численные значения расходов через отверстия при двух конфигурациях сети представлены в табл. 1 (отверстия пронумерованы по ходу движения). Из табл. 1 видно, что при отсутствии перемычки численные значения расходов воздуха, особенно у конечных отверстий значительно меньше номинального значения 500 м1 2 3 4 5/ч. В то же время, в отверстиях ближайших к вентилятору расход в несколько раз выше номинального значения, что при эксплуатации приведёт к увеличению скорости воздуха и, как следствие, к значительному аэродинамическому шуму.

Выполненные расчёты показали, что установка перемычки, которая будет закольцовывать поэтажные воздуховоды в зданиях коридорного типа, способствует выравниванию расходов при выходе воздуха через отверстия в системах вентиляции с переменной производительностью.

Аэродинамикой систем с переменным расходом воздуха занимаются многие инженеры-исследователи. Например, Таечеол Ким из университета Оклахомы (США) изучал оптимальный метод подбора сечений воздуховодов для вентиляционных систем с изменяющимся расходом воздуха [4]. Изменение расхода воздуха в процессе эксплуатации вентиляционных систем является перспективным направлением в снижении энергопотребления при решении проблем, связанных с аэродинамикой движения воздуха.

Аэродинамика кольцевых вентиляционных сетей с переменным расходом воздуха . 2/2016. Фото 3

Компания Belimo предлагает устанавливать на ответвлениях в каждое помещение VAV-регуляторы, которые поддерживают заданный расход приточного воздуха в зависимости от текущей потребности [5]. Необходимая величина расхода определяется значением внешнего управляющего сигнала, который может поступать от терморегуляторов, датчиков углекислого газа или других элементов системы управления, находящихся в помещении. Такая система достаточно эффективна в поддержании заданного расхода воздуха в помещении. Её главными недостатками являются высокая стоимость средств автоматизации и высокие требования к квалификации обслуживающего их персонала.

Предложенное в работе решение с кольцевой сетью воздуховодов обеспечивает не такое точное поддерживание расходов воздуха в ответвлениях при изменении скорости в магистрали, как в случае применения VAV-регуляторов. Однако применение кольцевых сетей воздуховодов позволяет значительно снизить стоимость системы. Наличие соединяющей перемычки позволяет отказаться от дорогостоящих регуляторов, заменив их обычной двухпозиционной заслонкой. Такую систему легко автоматизировать и эксплуатировать.