Особенности формирования поля температуры и скорости в помещении в значительной степени зависят от типа отопительного прибора и его размещения. Многообразие типов отопительных приборов, предлагаемых отечественными и зарубежными производителями, приводит к необходимости проведения сравнительных исследований по оценке их эффективности. Такие исследования, направленные на изучение формирования температурного поля отапливаемых жилых помещений, представляют интерес как для проектировщиков, так и для производителей отопительных приборов.

Процессы гидродинамики, тепло- и массообмена являются определяющими при обогреве и кондиционировании зданий. Данные процессы можно определить экспериментально, а также рассчитать аналитическими либо численными методами. Экспериментальные методы достаточно затратны в финансовом и временном отношениях и не позволяют получить целостную картину распределения параметров микроклимата во всём помещении. Аналитическое решение подобной задачи представляет интерес благодаря обобщённому характеру и возможности проанализировать влияние всех факторов на данный процесс.

Для решения практических задач, постановка которых максимально приближена к реальной, широко используются численные методы решения.

В настоящее время всё бóльшую популярность при решении задач отопления и воздухораспределения приобретают методы математического моделирования, базирующиеся на численном решении дифференциальных уравнений сохранения. Данные методы позволяют рассчитывать параметры воздушной среды (трёхмерные поля температуры, скорости, влажности), которые будут формироваться в помещении при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

При этом практическим выходом подобных расчётов должна стать информация о тепловом комфорте или дискомфорте в помещении, создаваемом тем или иным проектным решением.

В этой статье приводятся данные исследований испытаний внутрипольного конвектора с естественной конвекцией «Гольфстрим» KPK 20.11.150 (производства АО «Фирма Изотерм»), полученные экспериментально в лаборатории и методом математического моделирования [1].

Силами инженерно-технической службы АО «Фирма Изотерм» проводились численные расчёты на базе современной специализированной программы FloEFD. Это полностью интегрированный в системы CAD пакет для решения задач гидрогазодинамики и теплообмена, который позволяет инженерам создавать более качественные решения за меньшее время.

Чтобы рассчитать физический процесс, то есть изменение физических параметров в пространстве и времени, его надо сначала смоделировать. Для решения численных задач были построены трёхмерные модели внутрипольного конвектора «Гольфстрим» KPK 20.11.150 (рис. 1) и испытательная камера (с размерами и условиями согласно требованиям DIN EN 16430–2 [2]).

Оценка теплового комфорта в помещении на основе результатов численного моделирования. 10/2020. Фото 1

Результаты математического моделирования сопоставлены с данными, полученными в испытательной лаборатории института HLK Stuttgart (Германия) [1].

Результаты испытаний и расчёта приведены в табл. 1. Как следует из табл. 1, при численном моделировании значение теплового потока на 4,9% меньше полученного при испытаниях в камере.

Оценка теплового комфорта в помещении на основе результатов численного моделирования. 10/2020. Фото 2

Проведение виртуальных тепловых испытаний (моделирование) при помощи программных средств позволяет получить более полную информацию об отопительных приборах и условиях их работы. Например, на рис. 2 и 3 показаны скоростные и температурные поля в камере и встроенном в конструкцию пола конвекторе, на основе которых возможно проводить оптимизацию конструктивных решений и определять условия их работы.

Оценка теплового комфорта в помещении на основе результатов численного моделирования. 10/2020. Фото 3

Как следует из рис. 2 и 3, программа предоставляет достаточно подробные данные, позволяющие оценить распределение всех параметров микроклимата в любой области помещения, в том числе не только воздушной среды, но и твёрдых тел (строительных ограждений, приборов отопления и охлаждения).

Оценка теплового комфорта в помещении на основе результатов численного моделирования. 10/2020. Фото 4

С помощью численного решения можно найти значения всех имеющихся переменных (таких как скорость, давление, температура, концентрация, интенсивность турбулентности) во всей области исследуемого пространства. В отличие от эксперимента, для расчётов доступна практически вся исследуемая область, а также отсутствуют возмущения процесса, вносимые датчиками при экспериментальном исследовании.

Оценка теплового комфорта в помещении на основе результатов численного моделирования. 10/2020. Фото 5

Использование при проектировании только аналитического подхода приводит к тому, что параметры микроклимата поддерживаются исключительно на бумаге, а не при реальной эксплуатации объекта. В результате наблюдается дискомфорт в помещении и осуществляется нарушение технологических требований.

Выявленные проблемы, при моделировании микроклимата в помещении численным методом, позволяют откорректировать проектное решение таким образом, чтобы в дальнейшем не было нареканий при эксплуатации объекта.

Моделирование условий теплового комфорта на стадии проектирования обеспечивает следующие преимущества:

  • низкую стоимость — в большинстве случаев стоимость затраченного машинного времени на много порядков ниже стоимости соответствующего экспериментального исследования;
  • скорость и масштабность — за сравнительно небольшой промежуток времени имеется возможность просчитать сотни вариантов и выбрать оптимальную конструкцию;
  • возможность моделирования реальных и идеальных (исключая все несущественные условия) условий;
  • возможность моделирования меняющихся во времени тепловых процессов;
  • изучить процессы при различной температуре теплоносителя, при разных типах теплоносителя, при различном расходе теплоносителя;
  • возможность смоделировать микроклимат помещения в различных по архитектуре и назначению зданиях и сооружениях, в том числе в аэропортах, на спортивных объектах (в бассейнах, ледовых аренах, спортивных залах и т.д.);
  • возможность на стадии проекта оценить теплозащиту ограждений, поэкспериментировать с различной площадью остекления;
  • обеспечить грамотную настройку автоматики системы отопления и кондиционирования, что приводит к снижению энергопотребления систем;
  • выбрать оптимальное решение для отопления, вентиляции и кондиционирования помещения.

Таким образом, привлечение современных методов математического моделирования микроклимата расширяет возможности проектирования, позволяет добиться итогового качественного продукта для различного рода объектов.

Постоянно работая над оптимизацией конструкции конвекторов для систем водяного отопления и расширением линейки продукции, компания АО «Фирма Изотерм» учитывает данные не только от результатов лабораторных исследований, но и широкие возможности компьютерного моделирования как самих изделий, так и условий, близких к реальным, в которых прибор будет эксплуатироваться. Данный подход позволяет математически смоделировать микроклимат в помещениях различных типов и обеспечить необходимый тепловой комфорт.