STUDY OF THE VENTILATION AND AIR CONDITIONING SYSTEM OF THE SHOPPING MALL

Full Text

Введение В настоящее время в России идет активное строительство и эксплуатация крупных общественных зданий - торгово-развлекательных центров (ТЦ), в которых должны быть обеспечены комфортные условия пребывания большого количества посетителей. Кроме того, имеющиеся в настоящее время примеры аварийных ситуаций в ТЦ показали насущную необходимость повышения надежности инженерных систем таких объектов. От систем отопления, вентиляции (в том числе аварийной), кондиционирования требуется надёжность при постоянном поддержании требуемых параметров микроклимата и чистоты воздуха вне зависимости от количества посетителей, возникновения аварийных ситуаций, энергоэффективность. В этой связи уже на стадии проектирования необходимо не просто подобрать оборудование систем вентиляции и кондиционирования, но и рассмотреть возможность возникновения застойных зон, направления движения воздушных потоков при проектируемых интерьерах и оборудовании ТЦ, определить эффективность проектируемых систем вентиляции и кондиционирования. Анализ состояния проблемы Имеющиеся исследования [1-3] систем вентиляции торговых центров показывают не только существенную неравномерность загруженности помещений посетителями в зависимости от дней недели, месяцев и наличия праздничных дней, но и значительное влияние параметров наружного воздуха на ощущения теплового комфорта посетителями [3]. В этой связи в работе [3] предлагается пересмотреть условия теплового комфорта в помещении в зависимости от климатических условий, характерных для района строительства здания. При этом известно [4], что максимальные энергозатраты ТЦ требуются именно для подготовки воздуха, подаваемого в помещения центров [4] и их ресторанных зон [5]. Это связано не только с количеством, но и с характеристиками Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 64 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ выделяющихся в помещениях ТЦ вредностей [5, 6]: диоксид и монооксид углерода, формальдегид, метан, твердые пылевые частицы, акролеин, сернистый ангидрид, бактерии и др., некоторые из которых относятся ко второму или третьему классу опасности. В связи с этим для обеспечения комфортных условий пребывания потребителей в ТЦ необходимо обеспечивать не только условия теплового комфорта, но и оптимальную чистоту воздуха, скорость его движения, предотвращение образования застойных зон, а также внедрение адаптивных систем вентиляции в крупных общественных зданиях [1, 4, 7]. Адаптивные системы вентиляции позволяют в зависимости от загрузки общественного здания, изменяющейся в течение дня, недели, месяца, осуществлять регулируемую подачу воздуха в помещения с учетом изменяющихся условий. Но для проектирования таких систем необходима детальная информация по движению потоков воздуха, температурным условиям и наличию вредностей в помещениях еще на стадии проектирования. На этом этапе для систем вентиляции и кондиционирования помещений ТЦ на вопрос о тепловом комфорте и скорости движения потоков воздуха может ответить численное моделирование состояния микроклимата таких крупных общественных зданий, какими являются ТЦ. Большое количество работ по разработке систем обеспечения микроклимата, в том числе противодымной вентиляции, проводится либо инженерными методами и программами на их основе [8, 9], либо на основании критериальных уравнений подобия [5], отклонения по которым могут достигать свыше 30 %. Так как максимальные затраты энергоносителей при эксплуатации ТЦ за исключением освещения (до 38 % энергоресурсов) требуются для подготовки и подачи большого количества воздуха (до 56 %) [10], то наибольшее число имеющихся работ посвящены оптимизации затрат по подготовке и подаче воздуха. Например, проблема повышения энергоэффективности зданий и снижения расходов энергоресурсов для систем обеспечения микроклимата может быть решена за счет комбинирования архитектурно-строительных решений, применения возобновляемых источников энергии, оптимизации систем обеспечения микроклимата. При этом известно, что архитектурно-строительные решения позволяют снизить потери теплоты (или теплопоступления в теплое время года) через ограждения за счет оптимизации ориентации здания по сторонам света, выбора его формы, использования энергосберегающих материалов в ограждающих конструкциях. Такой подход численно исследовался в работе [11], посвященной улучшению условий теплового комфорта в зимний период в полуоткрытой конструкции ТЦ, расположенного под Лиссабоном. В исследовании была численно спрогнозирована работа более закрытой конструктивной оболочки ТЦ в зимний период и влияние этой обновленной конструкции на условия микроклимата в ТЦ в теплый период года при различных направлениях и силе ветра. Исследования, проведенные в работе [11], показали, что применение новых архитектурных решений для существующего ТЦ позволило обеспечить условия теплового комфорта зимой при условии незначительного роста температуры в помещениях в летний период (менее одного градуса в зависимости от направления ветра). В данной работе выявлено также, что применение естественной вентиляции за счет силы ветра может существенно (до 30 % в условиях мягкого климата Лиссабона) снизить затраты на системы обеспечения микроклимата ТЦ. Таким образом, возобновляемые источники (в данном случае энергия ветра) могут использоваться для оптимизации затрат традиционных энергоносителей в системах обеспечения микроклимата. В работе [12] предлагается для организации вентиляции и охлаждения помещений в жаркий период года использовать естественный приток воздуха через систему равномерно распределенных по ограждению отверстий. Исследования параметров эксплуатации предлагаемой системы в [12], осуществленные программными методами с помощью FLUENT, показали, что в рассмотренных климатических условиях (г. Кайсери, Турция) при некоторых направлениях ветра система естественного поступления воздуха за счет ветра через отверстия в ограждениях может служить для охлаждения зданий и естественной вентиляции. При этом в данной работе не рассматривались параметры работы предложенной системы для других климатических условий. Эффективность применения солнечных энергоустановок в абсорбционных холодильниках систем кондиционирования для жаркого и влажного климата оценивалась в работе [13], в которой были созданы математические модели для прогнозирования термодинамического поведения различных конфигураций систем кондиционирования с солнечными установками и без них. В результате авторами работы было выявлено, что для жаркого и влажного климата наиболее эффективной оказалась схема кондиционирования с абсорбционной холодильной установкой и солнечной энергоустановкой с охлаждением влагопоглотителя с частичной рециркуляцией воздуха помещения. Работа [14] посвящена вопросу исполь- Д. С. Ярцев, А. А. Цынаева 65 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 зования солнечной энергии в системе кондиционирования воздуха. Такая схема является привлекательной, так как высокая нагрузка (затраты электроэнергии) на кондиционирование во многом совпадает с доступностью солнечного излучения. Сочетание солнечной энергии и кондиционирования, по-видимому, обладает высоким потенциалом для снижения потребления электроэнергии обычными сплит-системами (кондиционерами), работающими на основе парокомпрессионного цикла. В данной работе приводится схема с системой солнечных осушителей, даются результаты испытаний и анализ производительности различных схем кондиционирования воздуха. Авторами была оценена общая эффективность систем кондиционирования на основе моделирования для климатических условий Средиземноморского региона. В [14] проанализирована также работа отдельных элементов системы кондиционирования с солнечной установкой (устройство солнечного влагопоглотителя, охладителей с абсорбционным хладагентом, питаемых от прямоточных вакуумных трубчатых коллекторов, и т. д.). Авторами данной работы выявлено, что система кондиционирования с абсорбционной охлаждающей установкой и солнечным влагопоглотителем может экономить около 40 % энергии по сравнению с системой без солнечного влагопоглотителя и иметь до 150 % экономии энергии в сравнении с традиционной системой кондиционирования с парокомпрессионной холодильной установкой. Однако анализа по использованию предложенных схем в климатических условиях, отличающихся от средиземноморских, авторами указанной работы не производилось. Так как в помещения торгового центра не только подается, но и удаляется большое количество воздуха, то достаточно много работ посвящено исследованию эффективности применения различных типов теплоутилизаторов в системах вентиляции и кондиционирования [4, 15, 16]. В некоторых исследованиях оценка целесообразности установки утилизаторов теплоты (теплообменник роторного типа, пластинчатый, теплообменник с перекрестным током и с промежуточным теплоносителем) для систем вентиляции проводится по экономическим параметрам, в других - по теплотехническим характеристикам. Оценка влияния наличия теплоутилизаторов на величину потребляемой энергии зданием проведена в работах [15, 16]. Выражения для инженерной оценки снижения энергопотребления зданиями с системой вентиляции и теплоутилизатором вытяжного воздуха представлены в работе [16]. В исследовании [15] выявлено, что при использовании теплоутилизаторов сокращаются расходы энергии до 25 % при относительно небольших затратах на их установку. Расчет для нескольких общественных зданий производился в работе [15] по зависимостям, представленным в [16]. По результатам представленных в [15] расчетов можно сделать вывод, что наличие теплоутилизаторов в системе обеспечения микроклимата зданий значительно влияет на класс энергоэффективности даже при условии снижения характеристик теплозащиты здания с учетом теплопоступлений. В качестве допущения в работах [15, 16] принято то, что все расчеты проведены не в динамической постановке, т. е. не учитывается непрерывное изменение погодных параметров в течение зимнего (летнего для систем кондиционирования) периода в рассматриваемом регионе строительства (эксплуатации) здания. Следует отметить возможность применения систем испарительного охлаждения для кондиционирования зданий. Несмотря на то, что эффективность таких систем ниже эффективности парокомпрессионных установок, в некоторых условиях эксплуатации совмещение рекуператоров и испарительной схемы охлаждения воздуха может быть оправданно. При этом испарительное охлаждение подходит для зданий различного типа, где не требуется поддержание точного тепловлажностного режима. Имеющиеся исследования [13, 14, 17, 18] показывают, что схемы с испарительным охлаждением в системах кондиционирования становятся эффективными при использовании нетрадиционных источников энергии [13, 14] или при комбинировании их с традиционными парокомпрессионными холодильными установками [17, 18]. Это доказано как на основании моделирования, так и при проведении экспериментальных испытаний [13, 14, 17, 18]. При наличии качественной теплозащиты здания для реализации энергосберегающего потенциала остается искать возможности для повышения энергоэффективности в оптимизации инженерных систем. Высокие возможности для повышения энергоэффективности имеются в общественных зданиях и ТЦ из-за характера загруженности здания посетителями в течение дня, месяца, в выходные и праздничные дни. Однако для того, чтобы выявить возможности оптимизации работы инженерных систем, необходимо провести всесторонний мониторинг эксплуатации систем здания. Так, в исследовании [19] проведен анализ потребления тепловой и электрической энергии для различных типов зданий (частных резиденций, образовательных зданий, общественных зданий). Климатический район исследования в данной работе соответствовал широте и дол- Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 66 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ готе (59 00’N и 26 00’E), что по европейской классификации относит данный район к теплому континентальному климату. В работе проводился мониторинг 40 жилых, 7 учебных и 44 общественных зданий. При анализе потребления использовались статистические данные за три года по каждому типу зданий в 2006-2011 гг. Кроме того, в [19] анализируются различные способы получения горячей воды для жилых зданий, проведена оценка потребления энергоресурсов зданями школ и других образовательных учреждений, имеется оценка баланса потребления электроэнергии для офисного центра, других общественных зданий. Несмотря на большой объем данных в [19], эта работа может дать ответ на вопрос о величине потребления энергоресурсов за рассмотренный промежуток времени, показать наличие избыточно израсходованных теплоты и электроэнергии, но не позволяет прогнозировать энергопотребление зданий. Такой задаче (мониторинга, управления и прогнозирования потребления инженерными системами общественных зданий) посвящены некоторые работы, в том числе с применением нетрадиционных источников теплоты. Так, экономия теплопотребления за счет использования пофасадного регулирования может составлять от 10 до 25 % для общественных зданий. В работе [20] проведено сравнение эффективности двух различных по методу регулирования систем управления теплопотреблением. В результате натурного эксперимента и численного исследования было выявлено, что на эффективность системы управления теплопотреблением значительное влияние оказывает схема ее компоновки и условия эксплуатации тепловых сетей. Исследование [21] посвящено анализу схем управления теплопотреблением здания с тепловым насосом и ее сравнению со схемами, работающими от тепловой сети. Выявлено, что время переходного процесса для систем управления теплопотребления определяется температурами теплоносителя (воды в тепловой сети) и низкотемпературного источника при работе с тепловым насосом. Таким образом, проведенный анализ состояния исследований показал, что в настоящее время имеется существенный потенциал для повышения эффективности работы систем обеспечения микроклимата как общественных и жилых зданий, так и особенно крупных торговых центров. Так как проведение экспериментальных исследований систем обеспечения микроклиматом, в том числе оборудованными системами регулирования или без них, сопряжено с существенными финансовыми затратами и получением значительного числа разрешительных документов, то в этой связи представляется целесообразным получение данных по состоянию микроклимата в проектируемых и реконструируемых ТЦ на основе численного моделирования. Кроме того, современные облачные сервисы и программные коды [21], распространяемые на базе свободной лицензии, позволяют не только получать данные о микроклимате помещения, но и осуществлять моделирование условий при автоматизированном управлении работой инженерных систем. Численное моделирование работы систем обеспечения микроклимата торговых центров Цель научной работы следует определить как повышение эффективности инженерных систем обеспечения микроклимата крупных ТЦ за счет внедрения систем автоматизированного управления оборудования систем отопления, вентиляции и кондиционирования, оптимизации адаптивных систем вентиляции при реализации частотного регулирования вентустановок. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи: 1. Анализ имеющегося уровня техники для систем обеспечения крупных ТЦ. 2. Разработка модели конвективного теплообмена и массопереноса для крупных торгово-развлекательных центров. 3. На основании разработанной модели и ее программной реализации выполнение численного исследования работы систем обеспечения микроклимата торгового центра; выявление по результатам моделирования в ТЦ застойных зон, областей с повышенной концентрацией вредностей, наличие перегрева или недогрева в помещениях ТЦ. 4. Разработка рекомендаций по повышению эффективности работы систем обеспечения микроклимата ТЦ по результатам проведенных численных исследований. Математическая модель, реализованная в использованном облачном программном сервисе [21], включает в себя уравнения Навье-Стокса, уравнение неразрывности, уравнение сохранения энергии. План ТЦ, для которого осуществлялось моделирование параметров микроклимата, представлен на рис. 1. При проведении численного исследования параметры микроклимата соответствовали климатическим условиям города Москвы. При выполнении данной работы были приняты следующие допущения: 1) геометрия расчетной области упрощена (радиаторы представлялись в виде параллелепипеда); 2) лучистый теплообмен пренебрежимо мал. Геометрия расчетной области представлена на рис. 2. Д. С. Ярцев, А. А. Цынаева 67 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Рис. 1. План торгового центра: 101, 102, 103 - торговый зал; 104 - кладовая; 105 - помещение охраны; 106 - электрощитовая; 107, 108 - санузлы (м. ж.); 109 - материальный склад; 110 - помещение хозяйственного инвентаря; 111, 117 - холл; 118 - коридор Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 68 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Рис. 2. Геометрия расчетной области: 1, 3, 5, 6 - наружные стены; 2, 4, 7 - окна Южная сторона Восточная сторона Северная сторона Западная сторона Д. С. Ярцев, А. А. Цынаева 69 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Условия моделирования: рабочее тело - воздух с кинематической вязкостью, равной 0.000015295 м2/с; плотностью 1.1965 кг/м3; коэффициентом температурного расширения 0.00343 1/К; удельной теплоемкостью 1004 Дж/кг·К при нормальных условиях. Свойства рабочего тела зависят от ткмпературы. Режим течения турбулентный с Re = 39228, в качестве характерного размера выбрана высота помещения. Для моделирования были заданы следующие граничные и начальные условия: стены подвала заданы как гладкая стенка, не скользящая, с фиксированным значением температуры 283 К в начальный момент времени. Потолок определен как гладкая, не скользящая стенка с тепловым потоком -5,2 Вт/м2; пол - гладкая, не скользящая стенка, с тепловым потоком -5.2 Вт/м2; 1 - южная стена гладкая, не скользящая, тепловой поток -11.3 Вт/м2; 2 - южное окно, поверхность не скользящая, гладкая, тепловой поток -71.5 Вт/м2; 3 - восточная стена, гладкая, не скользящая, тепловой поток -12.4 Вт/м2; 4 - восточное окно, не скользящая поверхность, тепловой поток -78.6 Вт/м2; 5 - северная стена, гладкая, не скользящая, тепловой поток -12.4 Вт/м2; 6 - западная стена, гладкая, не скользящая, тепловой поток -11.8 Вт/м2; 7 - западное окно, поверхность не скользящая, тепловой поток -71.5 Вт/м2; радиаторы - стенка гладкая, не скользящая. Начальное значение температуры воздуха 283 К. Теплопотери и теплопоступления, заданные в качестве граничных условий, определялись по стандартной методике. Для моделирования работы систем обеспечения микроклимата ТЦ была создана расчетная сетка (рис. 3). При ее построении использовался следующий алгоритм: Hex-dominant parametric, количество ячеек задавалось по каждой из осей X, Y, Z, общее количество трехмерных элементов составило 1918070. Расчет модели проводился на облачной платформе SimScale [21] итерационным методом с числом итераций 10000, величиной шага по времени, равным 1 с, и интервалом сохранения через каждые 1000 с, количество задействованных в расчете процессоров - 16 шт. Контроль параметров осуществлялся по средним значениям температуры на поверхности top в рабочей зоне в центре здания. Анализ итерационной сходимости получаемого решения проводился на основании значений невязок при решении основных уравнений математической модели. Полученная динамика невязок (рис. 4) свидетельствует о стабилизации решения после 2000-го шага. Рис. 3. Расчетная сетка Рис. 4. Анализ итерационной сходимости, динамика невязок Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 70 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Результаты численного исследования и обсуждение Результаты численного моделирования параметров микроклимата в помещениях ТЦ представлены на рис. 5-7. На рис. 5 показана температура воздуха в рабочей зоне помещений в плане. Из рисунка видно, что температура в рабочей зоне изменяется в диапазоне от 282 до 296 К, средняя температура по всему объему здания составила 289 К, в местах под распределителями воздуха температура выше 293 К, в уборных температура находится на уровне 282 К. Рис. 6 иллюстрирует изменение скорости потоков воздуха в помещениях ТЦ. Скорость воздуха во всех помещениях находится вблизи значения 0,2 м/с. Имеется зона сквозняков в холле, где скорость воздушных потоков больше 0,4 м/с На рис. 7 показано движение потоков воздуха с одинаковой температурой. Застойных зон в основном нет, и все помещения снабжаются нагретым воздухом, кроме помещений уборных, обеспечение комфортных параметров которых несколько затруднено. Выводы. В результате численного исследования определены параметры микроклимата крупного торгового центра, выявлены зоны застоя воздуха, определены зоны с высокими скоростями потоков, что позволяет оптимизировать систему обеспечения микроклимата торгового центра, а следовательно, снизить затраты на его эксплуатацию. Рис. 5. Распределение температуры в рабочей зоне помещений ТЦ Рис. 6. Распределение скорости потоков воздуха в помещениях ТЦ в рабочей зоне Рис. 7. Траектории потоков

About the authors

Dmitry S. YARTSEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna A. TSYNAEVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files