Моделирование распределения воздушных потоков и температур в помещении с приточными устройствами различного типа
Необходимость обеспечения регулируемого притока воздуха в зданиях с современными светопрозрачными ограждающими конструкциями в настоящее время не вызывает сомнений.
Журнал «СК» неоднократно обращался к теме организации воздухообмена, анализу причин повышенной влажности внутреннего воздуха в зданиях с современными светопрозрачными конструкциями, обзору различных технических решений, в том числе приточных клапанов различного типа и оценка эффективности регулируемого воздухообмена.
Обязательность реализации подобных решений в настоящее время уже прописана в требованиях свода правил СП 60.13330.2016 [1], СП 54.13330.2016 [2], ряда рекомендаций АВОК [3, 4]. В частности, п. 7.1.10 [1]: «Поступление наружного воздуха в помещения следует предусматривать через специальные приточные устройства в наружных стенах или окнах. Для квартир и помещений, в которых при температуре наружного воздуха 5 °C не обеспечивается удаление нормируемого расхода воздуха, следует предусматривать механическую вытяжную вентиляцию».
Отношение оконных компаний к задаче обеспечения притока воздуха в помещениях неоднозначное и, как правило, осторожное, что следует признать вполне оправданным.
Недостаточно поставить вместе с оконным блоком какой-либо приточный клапан (или клапаны). Нужно обеспечить работу этого клапана совместно с вытяжной системой вентиляции, учесть технические решения системы отопления, обеспечить регулирование (в идеале — авторегулирование) притока и удаление воздуха с учетом режима эксплуатации, учесть влияние притока на температурный режим приоконной зоны, изменение звукоизоляции при различных режимах проветривания и многое другое. Понятно, что этот круг задач, как правило, выходит за рамки компетенций специалистов оконных компаний.
Соответственно, большинство оконных компаний ограничиваются рекомендацией проветривать помещения, открывая оконные створки каждые 1,5–2 часа, или установить фурнитуру с так называемым щелевым проветриванием. Насколько эффективны эти рекомендации, отчасти рассмотрено в данной статье.
Вместе с тем, понимание взаимосвязей в системе «светопрозрачные конструкции — система вентиляции — система отопления здания» и принципов работы тех или иных технических решений по обеспечению регулируемого притока воздуха в помещения представляется необходимым для оконных компаний. Хотя бы для того, чтобы не делать грубых ошибок.
На рынке приточных клапанов представлена широкая линейка приточных устройств различного типа, которая постоянно пополняется: оконные и стеновые клапаны с естественным побуждением движения воздуха, клапаны, использующие межпрофильные зазоры оконных блоков, приточные устройства с принудительным нагнетанием воздуха, в том числе с рекуперативными насадками, работающими в режиме переменной фильтрации воздуха, и др.
При этом, как ни странно, в нормативных документах не прописаны требования к приточным вентиляционным устройствам и методам их контроля. Например, показатели звукоизоляции, требования по водопроницаемости, защите от пыли, глубине регулирования, влиянию на температурный режим приоконной зоны помещений и др.
Можно возразить, что есть требования к оконным блокам и приточные устройства не должны ухудшать их показатели. Но любой клапан, встроенный в оконный блок, неизбежно сказывается на характеристиках этого оконного блока.
Кроме того, есть ряд стеновых клапанов, которые вообще не связаны с окнами. В результате производитель декларирует, что он считает нужным, а потребитель на собственном опыте вынужден проверять приемлемость того или иного решения.
Не затрагивая всего комплекса вопросов, связанных с регулируемым воздухообменом, в данной статье сделана попытка провести оценку влияния на температурный режим обслуживаемой зоны помещений жилых зданий некоторых приточных устройств на основе моделирования распределения воздуха.
Рисунок 1. Расчетная схема и результаты прогнозирования распределения воздушных потоков и температур в помещении с притоком воздуха через открытую створку окна: а — схема помещения; б — поле скоростей воздуха при открытой створке (форточке) окна; в — поле температур по плоскости визуализации 1 при открытой створке через 1 мин после начала проветривания; г — то же, при открытой створке через 5 мин после начала проветривания
Основные предпосылки и краткая характеристика методики расчетов
Задача прогнозирования распределения воздушных потоков в помещении решена методами вычислительной гидродинамики CFD с применением программного пакета Ansys Fluent.
Моделирование распределения воздушных потоков и температур в помещениях выполнено на основе решения уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (RANS) с применением k–ε модели турбулентности.
Система вентиляции здания — с притоком воздуха через клапаны и удалением воздуха через вытяжные вентиляционные каналы, оснащенные вытяжными вентиляторами (так называемая система вентиляции с индивидуальными вытяжными вентиляторами [3]).
Изменяемые параметры: расход приточного воздуха, температура наружного воздуха, место расположения приточного устройства.
Постоянные параметры: размеры помещения, начальная температура воздуха в помещении, место положения отопительного прибора и температура теплоносителя, размеры и местоположения оконного блока, наличие вытяжной системы вентиляции.
Размеры помещения, схема и взаимная компоновка отдельных элементов приведены на рис. 1–4.
Варианты приточных устройств:
- открывающаяся створка оконного блока (форточка размерами 650×500 мм);
- оконный вентиляционный клапан, установленный в верхней части створки оконного блока;
- стеновой вентиляционный клапан, установленный в простенке рядом с оконным блоком;
- стеновой вентиляционный клапан, установленный под окном над отопительным прибором.
Рисунок 2. Расчетная схема и результаты прогнозирования распределения воздушных потоков и температур в помещении с притоком воздуха через оконный клапан, встроенный в створку окна: а — схема помещения; б — поле скоростей воздуха при открытом клапане; в — поле температур по плоскости визуализации 1 при достижении стационарного режима после открытия клапана (расход приточного воздуха 30 м3/ч); г — то же, при уменьшении расхода приточного воздуха до 15 м3/ч
Изменение расхода приточного воздуха обеспечивается за счет регулирования производительности (числа оборотов) вытяжных вентиляторов. Удаление воздуха из помещения – через щель, имитирующую зазор под закрытой комнатной дверью.
Начальная температура воздуха в помещении: tв = +24 °C.
Расчеты выполнены в нестационарном режиме с визуализацией результатов по трем вертикальным плоскостям (рис. 1–4): через 1 мин, 5 мин после открытия приточного клапана или створки оконного блока и при достижении стационарного распределения полей температур и воздушных струй. Распределение воздушных потоков внутри помещения получено с помощью объемного рендеринга полей скоростей.
Оценка неравномерности температурного поля выполнена на основании сопоставления минимальной и максимальной температур в пределах обслуживаемой зоны. В соответствии с ГОСТ 30494–2011 [5]: «…обслуживаемая зона помещения: пространство в помещении, ограниченное плоскостями, параллельными полу и стенам: на высоте 0,1 и 2,0 м над уровнем пола — для людей стоящих или двигающихся… и на расстоянии 0,5 м от внутренних поверхностей наружных и внутренних стен, окон и отопительных приборов». Согласно п. 4.6 [5]: «При обеспечении показателей микроклимата в различных точках обслуживаемой зоны допускается: перепад температуры воздуха не более 2 °C для оптимальных показателей и 3 °C — для допустимых…».
Известен ряд работ в этой области [6, 7], в том числе с анализом влияния приточных устройств на температурный режим отапливаемых помещений. Однако необходимость оценки температурного режима при регулировании воздухообмена помещений, неравномерности температурного поля в обслуживаемой зоне не позволяет ограничиться известными решениями.
Рисунок 3. Расчетная схема и результаты моделирования распределения воздушных потоков и температур в помещении с притоком воздуха через стеновой клапан, встроенный в простенок: а — схема помещения; б — поле скоростей воздуха при открытом клапане; в — поле температур по плоскости визуализации 1 при достижении стационарного режима после открытия клапана (расход приточного воздуха 30 м3/ч); г — то же, при расходе приточного воздуха 15 м3/ч
Результаты расчетов при открытии створки оконного блока
Схема помещения с указанием основных размеров и размещением отопительно-вентиляционного оборудования приведена на рис. 1, а. Результаты моделирования скоростей и температур воздуха в помещении представлены в виде визуализации по некоторым плоскостям. Временные параметры — до открытия форточки, через 1 мин и через 5 мин после открытия (рис. 1, б, в, г.)
Анализ результатов показывает, что открытие створки (форточки) оконного блока обуславливает поступление в помещение достаточно большого расхода приточного воздуха. По предварительным расчетам системы вентиляции, порядка 290÷ 300 м3/ч. Струя поступающего приточного воздуха сразу опускается в нижнюю зону помещения и буквально «заливает» отопительный прибор и приоконную зону. И хотя скорость воздуха в обслуживаемой зоне не превышает допустимых значений — 0,2 м/с [5], в помещении отмечается появление локального факела холодного приточного воздуха, часть которого смешивается с конвективными потоками от отопительного прибора, часть проникает вглубь помещения (рис. 1, б).
Начальное распределение температур внутреннего воздуха при открытии створки резко изменяется: появляются зоны с пониженной температурой воздуха в виде вытянутого пятна, постепенно распространяющегося по направлению к входной двери.
При температуре наружного воздуха –30 °C значительное снижение температуры воздуха (до ~10 °C в нижней зоне помещения) наблюдается уже через 1 мин после открытия форточки. С течением времени температура воздуха падает и через 5 мин достигает уже 4 °C в нижней части обслуживаемой зоны. Средняя температура воздуха в помещении через 5 мин составляет ~12 °C. Таким образом, проветривание помещений за счет периодического открытия форточек при низких температурах наружного воздуха будет неизбежно приводить к существенному снижению температуры внутреннего воздуха помещений и периодическому нарушению требований ГОСТ 30494–2011. И даже увеличение теплоотдачи отопительного прибора вследствие полного открытия термостатического клапана (в системах отопления с авторегулированием теплоотдачи отопительных приборов) не в состоянии компенсировать возросшие затраты на подогрев приточного воздуха. Более длительное проветривание будет приводить к еще большему снижению температуры и затратам на подогрев приточного воздуха.
Интересно отметить, что после закрытия створки окна стабилизация температуры внутреннего воздуха наступает значительно медленнее очевидно из-за охлаждения части строительных конструкций.
Рисунок 4. Расчетная схема и результаты прогнозирования распределения воздушных потоков и температур в помещении с притоком воздуха через стеновой клапан, расположенный под окном над отопительным прибором: а — схема помещения; б — поле скоростей воздуха при открытом клапане; в — поле температур по плоскости визуализации 1 при достижении стационарного режима после открытия клапана (расход приточного воздуха 30 м3/ч); г — то же, при уменьшении расхода приточного воздуха до 15 м3/ч
Результаты расчетов при установке приточного клапана в створке оконного блока
Оценка влияния оконного клапана на распределение скоростей и температур воздуха в помещении выполнена на примере клапана, встроенного в створку оконного блока и обеспечивающего приток воздуха в верхнюю зону помещения. Размеры отверстия в створке под клапан — 15 × 290 мм. Клапан расположен в зоне отопительного прибора.
Расчеты выполнены без учета влияния штор (занавески, шторы и т. п. отсутствуют).
Расчетная схема помещения с указанием основных размеров приведена на рис. 2, а. Результаты расчетов в виде поля скоростей и температуры по характерным сечениям приведены на рис. 2, б, в, г. Временные точки отсчета — через 5 мин после открытия клапана и после установления стационарного температурного и воздушного режимов в помещении. Расход приточного воздуха – 30 м3 /ч.
При открытии оконного приточного клапана в помещение поступает струя холодного воздуха, которая опускается в нижнюю зону помещения на расстояние ~1 м от наружной стены. На выходе из клапана скорость струи существенно выше, чем при открытой форточке, из-за чего струя проникает дальше вглубь помещения. Часть воздуха движется в сторону отопительного прибора, часть распространяется по полу помещения. Наибольшие значения скоростей воздуха наблюдаются на выходе воздуха из приточного клапана (порядка 2,1 м/с). По мере опускания струи приточный воздух смешивается с внутренним, температура его повышается, а скорость воздуха в струе уменьшается.
Через 5 мин после открытия клапана температура воздуха в нижней зоне помещения понижается в среднем на 2,1 °C. При достижении стационарного режима (рис. 2, в) неравномерность температурного поля в обслуживаемой зоне помещений составляет ∆t = 3,1 °C.
Уменьшение расхода приточного воздуха до 15 м3/ч, например, за счет авторегулирования самого клапана или уменьшения производительности вытяжных вентиляторов, снижает влияние приточной струи на температурный режим приоконной зоны и приводит к повышению средней температуры воздуха в помещении (рис. 2, г).
Сводные результаты оценки неравномерности температурного поля при использовании различных клапанов и различных расходах воздуха приведены в табл. 1.
Результаты расчетов при установке стенового клапана, установленного в простенке рядом с оконным блоком
Приточный клапан, устанавливаемый рядом с оконным блоком, введен в расчет в виде отверстия в стене диаметром 125 мм. Особенность данного решения – клапан расположен вне зоны действия отопительного прибора.
Расчетная схема помещения с указанием основных размеров приведена на рис. 3, а. Результаты расчетов в виде поля скоростей и температуры по характерным сечениям приведены на рис. 3, б, в, г. Временные точки отсчета через 1 мин, 5 мин после открытия клапана и после установления стационарного температурного и воздушного режимов в помещении. Расход воздуха – 30 м3 /ч.
При открытии приточного клапана в помещение поступает струя холодного воздуха, которая опускается в нижнюю зону помещения на расстоянии 0,6–0,8 м от наружной стены. Далее часть воздуха движется в сторону отопительного прибора, часть распространяется по полу помещения. Наибольшие значения скоростей воздуха наблюдаются на выходе воздуха из приточного клапана (~0,8 м/с).
Через 5 мин после открытия клапана температура в нижней зоне помещения опускается в среднем примерно на 7 °C. При достижении стационарного режима неравномерность температурного поля в обслуживаемой зоне помещений составляет ∆t = 5,1 °C, что значительно больше допустимых 3 °C в соответствии с [5]. Наибольшее снижение температуры наблюдается в зоне факела холодного воздуха, поступающего из клапана.
Регулирование воздухообмена помещения (снижение расхода приточного воздуха до 15 м3/ч) приводит к увеличению средней температуры (рис. 3, г). Однако неравномерность температурного поля в помещении остается достаточно большой и составляет ∆t ≈ 4,8 °C.
Локальное снижение температуры воздуха и строительных конструкций в данном случае обусловлено поступлением струи холодного воздуха в помещение за пределами отопительного прибора. При низких температурах наружного воздуха это будет приводить к появлению дискомфортных зон и сквозняков.
Результаты расчетов при установке стенового клапана, установленного под окном над отопительным прибором
Стеновой вентиляционный клапан, установленный под подоконником непосредственно над отопительным прибором, моделировался в виде решетки с четырьмя прямоугольными отверстиями размерами 10×400 мм (рис. 4, а). Расход приточного воздуха задавался аналогично рассмотренным ранее вариантам приточных устройств — 30 м3 /ч.
Результаты расчетов в виде поля скоростей и температуры по характерным сечениям приведены на рис. 4, б, в, г.
При открытии приточного клапана часть холодного воздуха поступает на отопительный прибор и далее в помещение, часть опускается вдоль наружной стены.
Скорость воздуха на выходе из приточного клапана ~ 0,5 м/с.
Через 5 мин после открытия клапана температура воздуха в помещении изменяется незначительно. Снижение температуры отмечается у поверхности пола под отопительным прибором. При этом в обслуживаемой зоне помещения температура практически не изменяется, что обусловлено подогревом поступающего воздуха отопительным прибором.
При достижении стационарного режима (рис. 4, в) неравномерность температур в обслуживаемой зоне составляет ~1,4 °C (табл. 1).
Снижение расхода приточного воздуха до 15 м3/ч приводит к еще большему выравниванию температур (рис. 4, г).
Экспериментальная оценка температурного режима в зоне расположения стенового клапана
Рисунок 5. Результаты испытаний стенового вентиляционного клапана, встроенного в наружную стену под подоконником над отопительным прибором: а — внешний вид клапана; б — распределение температур в приоконной зоне (расход воздуха L ≈ 17,5 м3 /ч, температура наружного воздуха tн ≈ –27,2 °C)
Представляет интерес сопоставление результатов теоретических расчетов — моделирования температурного режима — с натурными наблюдениями.
Экспериментальная оценка распределения температур в зоне стенового приточного клапана, расположенного над отопительным прибором, проведена в условиях жилого здания (рис. 5, а).
Замеры расхода воздуха выполнены с помощью анемометра testo 417–2, распределение температур получено замерами по координатной сетке с применением термопар.
Результаты замеров распределения температур в приоконной зоне приведены на рис. 5, б.
Сопоставление результатов моделирования по программе Ansys Fluent и натурных замеров показывает достаточно хорошую сходимость как по значениям температур, так и по характеру распределения изотерм.
При проведении испытаний отмечено, что распространение струи приточного воздуха в значительной мере зависит от формы приточной решетки. Расположение лепестков решетки, отклоняющее приточную струю воздуха вверх, уменьшает поступление холодного воздуха за отопительный прибор и снижает вероятность охлаждения пола под отопительным прибором.
Влияние регулирования воздухообмена на температурный режим помещения
Результаты моделирования, представленные на рис. 1–4, свидетельствуют о существенной зависимости температурного режима помещений от расхода приточного воздуха.
Для количественной оценки этой зависимости и оценки эффективности регулирования воздухообмена необходим небольшой экскурс в основы расчета теплового режима помещений.
В самом общем виде взаимосвязь между теплопотерями, теплопоступлениями, затратами тепла на нагрев приточного воздуха и температурой воздуха в помещении описывается так называемым уравнением теплового баланса:
Qот = Qок + Qвен – Qбыт, (1)
где Qот — количество тепла, поступающего в помещение от системы отопления;
Qок — трансмиссионные потери тепла через ограждающие конструкции (стены, окна, двери, перекрытия и пр.);
Qвен — затраты тепла на подогрев приточного воздуха (как организованного — через приточные клапаны или другие элементы системы вентиляции, так и поступающего через щели, неплотности ограждающих конструкций);
Qбыт — бытовые теплопоступления.
Для поддержания заданной температуры воздуха в помещении потери тепла (через ограждающие конструкции и на нагрев приточного воздуха) должны компенсироваться теплопоступлениями. Для ограждающих конструкций:
Qок,i = (tв–tн)·Ai /Rо,i, (2)
где tв, tн — расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, °С;
Ai — площадь конструкции, м2 ;
Rо,i — сопротивление теплопередаче этой конструкции, м2 · °С/Вт.
Затраты тепла на подогрев приточного воздуха:
Qвен = св·ρв·(tв–tн)·L, (3)
где ρв — плотность воздуха, кг/м3 ;
св — удельная теплоемкость воздуха;
L — расход приточного воздуха, м3/ч.
Если система отопления рассчитана и запроектирована правильно, то отопительные приборы подобраны с учетом нагрева нормативного расхода приточного воздуха при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период года (в России в качестве такой температуры принята температура наиболее холодных пяти суток обеспеченностью 0,92). Например, для Москвы эта температура составляет tнр = –25 °C, для Сургута tнр = – 43 °C [6]. Иными словами, система отопления должна обеспечивать поддержание заданной температуры в помещении в самый холодный период года при нормативном воздухообмене.
Если допущены грубые ошибки при проектировании или на стадии эксплуатации проектные параметры теплоносителя не обеспечиваются (что происходит гораздо чаще, чем ошибки проектирования), то температурный режим помещения нарушается. Например, при недостаточной подаче тепла в помещение температура воздуха понижается. В этом случае потребитель стремится компенсировать недостаточную подачу тепла. И делает это прежде всего за счет уменьшения воздухообмена (достаточно в этой связи вспомнить заклеивание на зиму старых деревянных окон).
Насколько велика доля затрат тепла на нагрев приточного воздуха в структуре теплопотерь, можно проиллюстрировать на примере помещения, представленного на рис. 1–4. Затраты на подогрев приточного воздуха при нормативном воздухообмене существенно больше потерь тепла через ограждающие конструкции вместе взятые (рис. 6). Соответственно, регулирование воздухообмена позволяет достаточно просто изменять температуру внутреннего воздуха.
Рисунок 6. Расчетные значения трансмиссионных потерь тепла через ограждающие конструкции и затрат тепла на нагрев приточного воздуха (для жилого помещения согласно рис. 1)
Зависимость между температурой внутреннего воздуха и расходом приточного воздуха в этом же помещении приведена на рис. 7. График построен для случая, когда регулирование теплоотдачи от отопительного прибора отсутствует (параметры теплоносителя в отопительном приборе не меняются). Понятно, что данный пример носит частный характер, однако он показывает потенциальные возможности регулирования воздухообменом с учетом режима эксплуатации помещения.
Рисунок 7. Зависимость средней температуры внутреннего воздуха помещения, представленного на рис. 1, от расхода приточного воздуха без регулирования теплоотдачи отопительного прибора (температура наружного воздуха tн = – 30 °C)
Регулирование воздухообменом открывает широкие возможности для энергосбережения [4]. Однако и здесь не все просто.
Для читателей журнала следует пояснить, что существует регулирование теплопоступлений от системы отопления за счет качественного регулирования – изменения температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха. Это регулирование выполняется для всего здания по показаниям датчиков наружного воздуха. И это регулирование количественное, которое может (может!) выполняться посредством термостатических клапанов, установленных на подводке к отопительным приборам (рис. 5, а). А может и не осуществляться.
Если в правильно запроектированной системе отопления не предусмотрено подобного авторегулирования (или на стадии строительства эти решения не реализованы), то при уменьшении воздухообмена практически неизбежно повышение температуры воздуха и перегрев помещения. Ни о каком энергосбережении в данном случае говорить не приходится.
Именно этот процесс и наблюдается в большинстве зданий с нерегулируемыми отопительными приборами, особенно при замене старых деревянных окон на окна из ПВХ или клееной древесины. Вплоть до «сброса» повышенной температуры за счет открытия форточек или створок окон.
Следовательно, регулирование воздухообмена с учетом режима эксплуатации помещений обязательно должно сопровождаться изменением теплоотдачи отопительного прибора за счет количественного регулирования — изменения расхода теплоносителя, подаваемого в отопительный прибор.
Выводы
При выборе приточного устройства необходимо учитывать не только его возможности по обеспечению требуемого расхода воздуха, но и влияние на температурный режим помещений с учетом системы отопления и требований ГОСТ 30494–2011 [5]. Из рассмотренных в статье вариантов наилучшие условия обеспечивает приток воздуха в зону отопительного прибора.
Регулирование воздухообмена с учетом режима эксплуатации помещений («по потребности») открывает широкие возможности для энергосбережения. Однако реализация этих возможностей требует мотивации и заинтересованности потребителей и соответствующих технических решений систем отопления и вентиляции. Например, систем отопления с поквартирным учетом тепла, авторегулированием теплоотдачи отопительных приборов, регулируемым удалением воздуха и (или) регулируемым притоком.
В связи с существенным влиянием на температурный и воздушный режим помещений способа подачи воздуха представляется целесообразным разработка и введение единых критериев для оценки показателей приточных устройств и методов их оценки.
Литература
1. СП 60.13330.2016 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41– 01–2003». М.: ФАУ «ФЦС», 2017. 78 с.
2. СП 54.13330.2016 «Здания жилые многоквартирные. Актуализированная редакция СНиП 31–01–2003». М.: Минрегион России, 2017. 42 с.
3. Рекомендации АВОК 5.2–2012. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах жилых зданий. М, 2012. 46 с.
4. Рекомендации АВОК 5.4.1–2018. Расчет и проектирование регулируемой естественной и гибридной вентиляции в многоэтажных жилых домах. М.: АВОК-ПРЕСС, 2018.
5. ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
6. Дацюк Т. А., Таурит В. Р. Моделирование микроклимата жилых помещений // Вестник гражданских инженеров. 2012. № 4. С. 196–198.
7. Дацюк Т. А., Иевлев Ю. П., Пухкал В. А. Результаты моделирования микроклимата жилых помещений при различных типах отопительных приборов // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 6. С. 12–21
8. СП 131.13330.2018 «Строительная климатология. СНиП 23–01–99*».
Pdf версия статьи, вышедшая в журнале "Светопрозрачные конструкции""
А.Д. Кривошеин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО СибАДИ
М.А. Кривошеин, к.т.н., директор ООО "ТЕХВЕНТ"
- Комментарии