Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

NUMERICAL INVESTIGATION OF THE NEW WAY OF ROOM CONDITIONING

Denisikhina D.M. 1
1 Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
В работе исследуется новый способ кондиционирования помещений. В предлагаемой конструкции охлажденный воздух вначале подается в искусственно созданный с помощью горизонтальной перегородки аэродинамический канал, проходит по системе лабиринтов и затем поступает в объем помещения через воздухораспределительные устройства, врезанные в перегородку. Предложенный способ подачи обработанного воздуха сочетает в себе два механизма охлаждения помещения: снятие теплоизбытков поверхностью потолка и поступающим в помещение воздухом. С помощью вычислительного комплекса STAR-CCM+, основанного на численном решении трехмерных дифференциальных уравнений Навье-Стокса, был выполнен расчет течения, формирующегося в офисном помещении при подаче холодного воздуха новым способом. Расчеты показали, что в рассматриваемой задаче до 40% теплопритоков удается снять поверхностью потолка, и только оставшиеся 60% снимаются поступающим в помещение через воздухораспределительные устройства воздухом. Получено, что в рабочей зоне формируются равномерные поля температуры (23 °С-24 °С ) и скорости (0.1-0.3 м/c). Зоны с существенными градиентами скорости и температуры в рабочей зоне отсутствуют.
The new way of room conditioning is studied in the present paper. In the proposed design, the cooled air at first is directed into an artificially created (by means of horizontal aerodynamic partition) channel and only then enters the room through air-jet devices located within partition. The proposed way of supplying cooled air into conditioning room combines two main mechanisms of space cooling: heat transfer through ceiling surface and cooling by mixing ventilation. Velocity and temperature distributions within the conditioned office space were obtained when applying the suggested way of room cooling. The simulation was performed using STAR-CCM + software which is based on the numerical solution of differential three-dimensional Navier - Stokes equations. Numerical research shows that in investigated case up to 40 % of the total heat loads is possible to assimilate by the ceiling surface, and only the remaining 60 % of loads is assimilated by entering the room through air-jet devices cooled air. It is found that in the occupied area the uniform temperature (23 ° C-24 ° C) and velocity (0.1-0.3 m / c) distributions are observed. Areas with significant velocity and temperature gradients are absent in occupied area.
air distribution
Navier-Stokes equations
turbulent flow
numerical simulation
new way
room conditioning

Введение

Традиционными системами, используемыми для снятие теплоизбытков помещения, являются воздушные системы кондиционирования воздуха [3]. При этом наиболее распространенным решением является применение фанкойлов для охлаждения и подачи воздуха в обслуживаемый объем. Вместе с тем данный способ охлаждения помещения приводит к формированию в рабочей зоне областей с относительно большими скоростями и низкими температурами.

Альтернативным способом снятия теплоизбытков помещения является использование потолочных охлаждающих панелей с водой в качестве холодоносителя [6]. В таком случае охлаждение помещения происходит как за счет конвективного, так и за счет лучистого теплообмена [5]. При этом в рабочей зоне исключаются области с высокими скоростями, достигается равномерность температуры воздуха по всему объему помещения. Кроме того, включение поверхности охлаждения в лучистый теплообмен приводит к быстрому понижению радиационной температуры помещения (при существенных лучистых тепловых потоков от солнечно радиации, накапливаемых в ограждениях), а следовательно – к улучшению тепловой обстановки в нем [4].

В работе предложен и исследован методами численного эксперимента [10] новый способ подачи охлажденного воздуха в помещение. Данный способ гармонично сочетает в себе указанные выше подходы к охлаждению помещения – перемешивающую вентиляцию и радиационное охлаждение. При этом данный способ легко реализуем на практике и экономически существенно более доступный, чем такие решения, как традиционные охлаждающие потолки, охлаждающие балки [7].

Предложенное в настоящей работе охладительное потолочное устройство [2] устанавливается на потолочном перекрытии помещения и выполнено в виде воздуховода, по которому перемещается воздушный поток, поступающий от воздухоохладителя с вентилятором, и имеющего входное и выходное отверстия, образующие замкнутую систему.

При этом сам воздуховод образован из горизонтальной перегородки, отделяющей помещение от плиты перекрытия, к которой она закреплена с помощью каркасных элементов, разделяющих образованный внутренний объем на соединенные друг с другом полые ячейки, образующие условно гладкий аэродинамический канал зигзагообразной (лабиринтной) формы. В горизонтальной перегородке вдоль образованного воздуховода (канала) выполнены воздухораспределительные устройства для выпуска воздуха в помещение.

Таким образом воздух, охлажденный фанкойлом, вначале подается в подпотолочное пространство (аэродинамический канал зигзагообразной формы), охлаждая при своем движении горизонтальную перегородку, и только затем через воздухораспределители попадает в кондиционируемое помещение. В результате, температура подачи воздуха в объем помещения становится выше в среднем на 3 °С -5°С, чем на выходе из фанкойла, а поверхность горизонтальной перегородки со стороны помещения начинает работать как радиационная охлаждающая панель. В результате в помещении достигаются комфортные условия, которых не получить при стандартном использовании фанкойлов для охлаждения помещения. На данное изобретение получен патент [2].

Цель исследования: методами математического моделирования выполнить анализ параметров воздушной среды, формируемых в объеме офисного помещения, при использовании нового предложенного способа охлаждения. Провести оценку величины теплопритоков, снятие которых происходит поверхностью горизонтальной перегородки, работающей как потолочная охлаждающая панель.

Метод исследования

Инструментом исследования в настоящей работе является гидродинамический вычислительный комплекс STAR-CCM+, основанный на численном решении трехмерных дифференциальных уравнений сохранения.

Уравнения, описывающие течение в объеме рассматриваемого офисного помещения (1)-(5) аналогичны [1].

Уравнение сохранения массы

(1)

уравнение сохранение импульса

(2)

тензор вязких напряжений , определен с помощью реологического закона Ньютона

(3)

а тензор турбулентных напряжений – в соответствии с обобщенной гипотезой Буссинеска

(4)

уравнение сохранения энергии

(5)

где ρ — плотность воздуха; — скорость потока; Т — температура воздуха; λ — теплопроводность воздуха; Сp — теплоемкость воздуха при постоянном давлении; t — время.

Для нахождения характеристик турбулентности необходимо использование той или иной модели турбулентности, например k-ε:

(6)

(7)

генерационный член в уравнениях переноса (6) и (7)

,

PB – дополнительный генерационный член, учитывающий влияние сил плавучести на характеристики турбулентности

,

где k — кинетическая энергия турбулентности; ε — скорость диссипации− кинетической энергии турбулентности; µt – турбулентная вязкость; Сε1, Сε2, Сε3 — полуэмпирические коэффициенты модели турбулентности.

Система уравнений (1)-(7) дополняется уравнениями радиационного теплообмена [8].

, (8)

где – радиус-вектор, – вектор направления излучения,– вектор рассеяния, a – коэффициент поглощения, σs - коэффициент рассеяния, I – полная интенсивность излучения, зависящая от радиус-вектора и направления излучения, Φ – фазовая функция, определяющая диаграмму рассеяния, Ω′ – телесный угол, σ – постоянная Стефана -Больцмана .

Дифференциальные уравнения (1) - (8) являются нелинейными и не имеют общего аналитического решения. Решения данной системы возможно с помощью методов численного моделирования, заключающихся в замене непрерывных дифференциальных уравнений их разностными аналогами для которых решение может быть получено в конечном числе точек расчетной сетки. После чего составляется система алгебраических уравнений, решаемая численными итерационными методами, например с помощью алгебраического многосеточного алгоритма AMG.

Постановка задачи

На рис. 1 представлена геометрия помещения и аэродинамического канала, используемые при проведении численного исследования.

 а01.png

Рис. 1. Геометрия исследуемого помещения.

Основная сложность с точки зрения численного моделирования данной задачи заключалась в оценке адекватности описания теплоотдачи от воздуха, распространяющегося в подпотолочном пространстве, к поверхности горизонтальной плиты подшивного потолка со стороны канала и далее от поверхности плиты со стороны помещения конвективной и радиационной компонентами в основной объем помещения. Для достоверного описания такого рода задач (требующих корректный расчет величины теплоотдачи от поверхности) необходимо использование низко-рейнольдосвых моделей турбулентности с соответствующим сгущением расчетных сеток к поверхностям теплообмена.

Для расчета была построена конечнообъемная расчетная сетка размерностью 6,7 млн. ячеек, призматическими слоями у поверхностей потолка и измельчением в местах распространения приточных струй, источников тепловыделений.

В Таблице 1 приведены основные параметры решаемой задачи.

Таблица 1

Исходные данные для математического моделирования

Размер помещения

7,9 м × 7,6 м × 3 м

Теплопоступления в помещении

Люди 1280 Вт

Освещение:1220 Вт

Оборудование:150 Вт

Солнечное излучение:820 Вт

Расход наружного воздуха

320 м3/ч

Т подачи наружного воздуха

19 °С

Расход рециркуляционного воздуха

850 м3/ч

Т рециркуляционного воздуха

14 °С

Результаты и обсуждение

На рис. 2 представлены поля температуры и модуля скорости в объеме пространства над горизонтальной перегородкой потолка, являющегося «воздуховодом» для охлажденного канальным фанкойлом воздуха. Хорошо видно, что холодный воздух, после выхода из кондиционера распространяется вдоль поверхности перегородки, постепенно нагреваясь, затем, достигнув противоположной стены, разворачивается и поступает на вход в воздухораспределительные устройства. При этом в процессе передачи тепла от холодного воздуха к поверхности горизонтальной перегородки воздуха повышается в среднем с 14 °С до 19 °С.

Рис. 2. Поле температуры и модуля скорости в объеме аэродинамического канала.

На рис. 3 показаны поле температуры и поле модуля скорости в горизонтальном сечении, проходящем через рабочую зону помещения. Получено, что температура в рабочей зоне находится в основном диапазоне 23 °С-24 °С, а скорость – 0.1-0.3 м/c. Наблюдается локальное повышение температуры в конвективных струях, поднимающихся от людей и нагретых поверхностей оборудования (рис. 3).

Расчеты показали, что в рассматриваемом случае поверхностью потолка удается снимать до 40% (23 Вт/м2) от общих тепловыделений в помещении, и только оставшиеся 60% (34,8 Вт/м2) приходятся на снятие нагрузки воздухом, поступающим в помещение через воздухораспределительные устройства, врезанные в горизонтальную перегородку.

При этом отклонение в распределении величины расхода по отдельным воздухораспределительным устройствам составило менее 10%.

Рис. 3. Поле температуры и модуля скорости в горизонтальном сечении рабочей зоне.

Заключение

Разработанное новое охладительное устройство показало хорошие результаты его применения для кондиционирования помещений. Снятие существенной части теплоизбытков помещения поверхностью горизонтальной перегородки (выделяющей аэродинамический канал в объеме помещения), позволяет избежать зон с существенными градиентами температуры и скорости, которые имеют место при стандартном использовании фанкойлов для охлаждения помещений. При этом в отличии от потолочных охлаждающих панелей с водой в качестве холодоносителя в рассмотренном случае в процессе охлаждения помещения будет происходить и его осушение. С учетом неудорожания системы по сравнению со стандратными подходами к охлаждению помещений, предложенный способ должен найти широкое применение на практике для кондиционирования помещений.

Рецензенты:

Бурцев С.И., д.т.н., профессор, управляющий партнер ЗАО «БЮРО ТЕХНИКИ», г.Санкт-Петербург.

Гримитлин А.М., д.т.н., профессор, президент НП «СЗ Центр АВОК», г.Санкт-Петербург.