¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

27 окт€бр€ 2021

ѕрименение Ansys Fluent дл€ моделировани€ системы отоплени€ и вентил€ции ¬оскресенского собора

ƒенис ’итрых

ƒенис ’итрых

јвтор: ƒенис ’итрых, MBA, директор по Ќ»ќ –, директор по маркетингу, јќ Ђ јƒ‘≈ћ —и-јй-Ёсї

¬ведение

 омплекс из летнего и зимнего храмов в област€х –оссии с холодными зимами долгое врем€ считалс€ едва ли не единственным решением. ’олодна€ церковь обычно делалась высокой, без отоплени€, а тепла€ Ч одноэтажной, приземистой, с печами и двойными рамами. Ћетний и зимний храмы вплоть до XVIII столети€ были отдельными здани€ми, а затем их стали объедин€ть под единой крышей. ¬ наше врем€ монастырские богослужени€ совершаютс€ в соборах круглый год. Ќо дл€ того чтобы переоборудовать Ђсезонныйї храм под круглогодичное использование, требуетс€ особое внимание к техническим детал€м. ¬ первую очередь, необходимо повысить тепловую устойчивость ограждающих конструкций церковного здани€, снизить неконтролируемую фильтрацию воздуха, нормализовать естественный воздухообмен и обеспечить оптимальные параметры температуры и относительной влажности воздуха в отапливаемых зонах и помещени€х здани€.

ќбъект исследовани€

ќбъектом моделировани€ €вл€етс€ ¬оскресенский собор, расположенный в г. јрзамасе (Ќижегородска€ область), который в насто€щее врем€ находитс€ на реставрации. — учетом вышеизложенных замечаний архитектурна€ реставраци€ собора должна дополн€тьс€ комплексом меропри€тий, без которых невозможно обеспечить оптимальный и стабильный температурно-влажностный режим в интерьере здани€.

ќсновным критерием дл€ выбора оптимальных параметров температуры и относительной влажности воздуха в предполагаемом отапливаемом здании ¬оскресенского собора €вл€етс€ требование обеспечить минимальное изменение влагосодержани€ штукатурного грунта, красочного сло€ стенописи, красочных слоев икон и пр. ѕосто€нные сквозн€ки и перепады температуры, холодный воздух с улицы в сочетании с жаром свечей и лампад могут очень быстро погубить стенопись и повредить внутренний слой ограждающих конструкций. ѕри этом перевод здани€ на оптимальные температурно-влажностные параметры необходимо осуществл€ть в течение нескольких лет.

ѕосле стабилизации температурно-влажностного режима здани€ можно ставить вопрос о круглогодичном использовании здани€ собора. ƒл€ этого в системе отоплени€ необходимо предусмотреть возможность регулировани€ температуры воздушной среды в зимний период в диапазоне от +5°— до +16°—.

 роме этого, в соборе необходимо обеспечить определенный уровень относительной влажности, безопасный дл€ хранени€ икон, иконостаса и настенных росписей. ќптимальным диапазоном изменени€ влажности €вл€етс€ 40%Ц60% (40% должно поддерживатьс€ в здании собора в течение всего отопительного сезона; летом влажность воздуха может возрастать до 60%, при этом суточные колебани€ относительной влажности могут достигать 8%Ц10%). “акже необходимо учитывать, что ввод в эксплуатацию системы отоплени€, обеспечивающей комфортный дл€ человека уровень температуры 18°—Ц20°—, приведет к снижению относительной влажности в зимний период до 20%Ц25%, что неприемлемо дл€ сохранени€ икон и стенописи. ¬следствие этого необходимо выбрать компромиссный вариант планируемых технических решений, учитывающий требовани€ комфорта и обеспечивающий сохранность элементов интерьера собора: температура от +12°— до +16°—, влажность 40%Ц50% Ч холодный период года; температура от +12°— до +20°—, влажность 40%Ц60% Ч теплый период года.

«дание ¬оскресенского собора характеризуетс€ своеобразным архитектурным обликом. ќн п€тиглавый, барабан центральной главы имеет двенадцать окон, в четырех угловых Ч по восемь окон. ѕри этом термическое сопротивление тонкостенных барабанов значительно ниже сопротивлени€ основных конструкций здани€, что при определенных услови€х снаружи и внутри здани€ может приводить к выпадению конденсата на внутренних стенах барабанов и сводах собора.

¬о врем€ проведени€ служб из-за присутстви€ людей, а также гор€щих свечей и лампад в интерьере скапливаетс€ много тепла, окиси углерода и углекислого газа, влажность увеличиваетс€ на 20Ц25%. ¬ перерывах между службами концентраци€ этих поступлений минимальна, и здание находитс€ под воздействием наружных условий. ¬ результате внутренний объем здани€ посто€нно подвергаетс€ воздействию тепла и влаги, амплитуда колебани€ которых достаточно велика. — учетом этого проектируема€ вентил€ционна€ система собора должна обеспечивать благопри€тный микроклимат дл€ эксплуатации здани€ собора.

Ђ–аздачуї воздуха желательно производить в нижнюю зону, а удаление воздуха производить из верхней зоны через заполнени€ световых проемов, оснащенных выт€жными фрамугами с электроприводами. ќсновна€ цель проветривани€ Ч не допускать резкого повышени€ относительной влажности внутреннего воздуха после отключени€ системы отоплени€. ¬ дни проведени€ служб и после окончани€ богослужений необходимо удал€ть из внутреннего объема избытки влаги и вредные примеси, что можно сделать также только с помощью проветривани€.

¬ качестве приборов отоплени€ планируетс€ использовать стальные панельные радиаторы, позвол€ющие быстро и эффективно нагревать помещени€. “еплова€ мощность отоплени€ составл€ет 259 к¬т. ѕроект системы отоплени€ выполнен в соответствии с требовани€ми —ѕ 60.13330.2016 Ђќтопление и вентил€ци€ї и ј¬ќ  —“јЌƒј–“-2-2002 Ђ’рамы православные. ќтопление и вентил€ци€ї. –асчетна€ температура наружного воздуха дл€ проектировани€ системы отоплени€: -32°— Ч холодный период; +24,3°— Ч теплый период. –асчетные параметры внутреннего воздуха: от +12°— до +16°—, влажность 33%Ц55%.

ќрганизаци€ распределени€ воздуха в большом объеме собора с разнообразными архитектурными элементами разного масштаба (барабаны, арочные своды, колонны и пр.) представл€ет собой сложную задачу. ¬ыбор эффективной схемы воздухообмена и отоплени€, поддерживающей комфортные значени€ параметров воздушной среды, осложн€етс€ большим набором факторов, которые вли€ют на характер формирующегос€ в объеме собора течени€. ¬ результате сложного характера формирующегос€ течени€ (восход€щие конвективные потоки, застойные зоны, сквозн€ки и т. п.) достоверное прогнозирование поведени€ воздушных потоков в объеме собора становитс€ невозможным без привлечени€ методов численного моделировани€ распределенных параметров микроклимата. ƒанные методы основаны на численном решении исходной системы дифференциальных трехмерных уравнений Ќавье-—токса, осредненных по –ейнольдсу, и позвол€ют получить распределение температуры, влажности, скорости воздушных потоков, концентрации —ќ2 по объему помещени€ вне зависимости от сложности геометрии, распределени€ источников тепла и влаги.

ѕостановка задачи

ƒл€ численного моделировани€ сложного смешанно-конвективного течени€ в объеме собора и барабанов использовалс€ газодинамический решатель Ansys Fluent. ћоделирование было выполнено дл€ теплого и холодного периодов года. ¬ ходе математического моделировани€ также было исследовано течение, формирующеес€ при сквозном проветривании.

¬ “аблице 1 приведены значени€ тепловых потерь через стены собора (расположенные выше уровн€ земли) с учетом их разной толщины.

“аблица 1 Ч “епловые потери через строительные конструкции

Ќаименование источника теплопотерь ќриентир ѕлощадь, м2 “еплопотери, ¬т
—тена 520,25 16827
—тена ¬ 533,01 17240
—тена ё 520,25 15297
—тена « 520,25 16062
ќкно, 6 шт 55,0 4440
ƒверь 12,76 4676,82
ќкно, 6 шт ¬ 55,0 4440
ќкно, 6 шт ё 55,0 4036
ƒверь ё 12,76 4676,82
ќкно, 6 шт « 55,0 4238
ƒверь « 12,76 4676,82
—тена « 537,96 26799
ќкно, 12 шт « 95,0 7324
—тена « 126,60 9097
ќкно, 8 шт « 38,4 2959
—тена « 126,60 9097
ќкно, 8 шт « 38,4 2959
—тена « 126,60 9097
ќкно, 8 шт « 38,4 2959
—тена « 126,60 9097
ќкно, 8 шт « 38,4 2959
ѕерекрытие 1782,0 29855


ƒл€ проведени€ расчета в сеточном препроцессоре Fluent Meshing была построена конечнообъемна€ расчетна€ сетка на основе полиэдральных элементов размерностью 8Ц10 млн €чеек, с измельчением в местах дверных и оконных проемов и источников тепловыделений (радиаторов). ѕространственное разрешение поверхностной расчeтной сетки варьировалось от 10 мм до 1000 мм. –азмер элементов в объеме был задан фиксированным Ч 800 мм. ƒл€ каждого безразмерного критери€ качества сетки был выдержан приемлемый диапазон значений, что важно дл€ обеспечени€ точности расчета. ¬нешний вид поверхностной сетки показан на рис. 1.

¬нешний вид конечнообъемной сетки и CAD-модели расчетной области

–ис. 1. ¬нешний вид конечнообъемной сетки и CAD-модели расчетной области

Ќа внутренней поверхности стен задавалось граничное условие второго рода. “еплообмен излучением учитывалс€ с помощью модели DTRM. ƒл€ задач с локальными источниками тепла наиболее подход€щей моделью €вл€етс€ модель дискретного переноса (DO). ћодель DTRM тоже приемлема, если установлено достаточное количество трассирующих лучей.  оличество лучей выбиралось итерационным способом до такой величины, при которой дальнейшее увеличение приводило к изменению значений среднеобъемной и радиационной температур не более чем на 1%. —тепень черноты всех поверхностей за исключением поверхностей радиаторов и пола принималась равной 0,8. ѕри моделировании дл€ воздуха была прин€та модель несжимаемого газа с завис€щими от температуры теплофизическими характеристиками. ”читывалась свободна€ конвекци€, вызванна€ действием силы гравитации. –ешалась система уравнений неразрывности, сохранени€ импульса движени€, состо€ни€ идеального несжимаемого газа, энергии дл€ воздуха и уравнение теплопроводности дл€ твердого тела.

«адачи свободной конвекции обычно решаютс€ в нестационарной постановке ввиду нестационарной природы свободно-конвективных потоков. ќднако опыт показывает, что, как правило, результаты, полученные при стационарной и нестационарной постановках, отличаютс€ не более чем на 1,5Ц2%, поэтому с целью экономии вычислительных ресурсов задача решалась в стационарной постановке.

–езультаты и обсуждение

 ак показали результаты моделировани€, спроектированна€ система отоплени€ обеспечивает комфортные параметры воздушной среды в летний период: средн€€ температура воздуха на разной высоте составл€ет 15∞—Ц17∞—, подвижность 0,2 м/с Ц 0,6 м/с (см. рис. 2Ц4).

ѕоле температуры на внутренней поверхности стен собора

–ис. 2. ѕоле температуры на внутренней поверхности стен собора. ƒиапазон температуры от +12∞— до +24∞—

ѕоле температуры на высоте 0,5 м от пола

–ис. 3. ѕоле температуры на высоте 0,5 м от пола. ƒиапазон температуры от +12∞— до +24∞—

¬екторное поле скорости на высоте 0,5 м от пола

–ис. 4. ¬екторное поле скорости на высоте 0,5 м от пола. ƒиапазон скорости от 0,01 до 0,5 м/c

Ќеблагопри€тна€ ситуаци€ складываетс€ в зимний период года. ѕолучено, что средн€€ температура воздуха в объеме собора лежит в диапазоне от 5∞— до 12∞—, что на 4Ц5∞— ниже проектных значений. –езультаты расчета показали, что спроектированна€ система отоплени€ не способна компенсировать суммарные тепловые потери через строительные конструкции и обеспечить необходимый температурно-влажностный режим в здании.

Ќа рис. 5Ц7 представлены пол€ температуры и модул€ скорости в различных сечени€х объема собора дл€ зимнего периода.

ѕоле температуры на внутренней поверхности стен собора (восточна€ сторона)

–ис. 5. ѕоле температуры на внутренней поверхности стен собора (восточна€ сторона). ƒиапазон температуры от -32∞— до +15∞—

ѕоле температуры на внутренней поверхности стен собора (западна€ сторона

–ис. 6. ѕоле температуры на внутренней поверхности стен собора (западна€ сторона). ƒиапазон температуры от -32 ∞— до +15 ∞—

ѕоле температуры в сечении на высоте 0,3 м от пола

–ис. 7. ѕоле температуры в сечении на высоте 0,3 м от пола. ƒиапазон температуры от +2∞— до +5∞—

„тобы компенсировать теплопотери, предложено установить дополнительные 8 радиаторов в центральной части храма суммарной производительностью 32Ц36 к¬т. ƒл€ проверки эффективности прин€того решени€ выполнено дополнительное моделировани€ температурно-влажностного режима собора. –езультаты моделировани€, представленные на рис. 8Ц11, подтверждают правильность и рациональность предложенных меропри€тий по усовершенствованию системы отоплени€ дл€ достижени€ необходимых параметров воздуха в соборе в зимний период года.

–аспределение температуры воздуха вблизи стенок первого €руса собора

–ис. 8. –аспределение температуры воздуха вблизи стенок первого €руса собора. ƒиапазон температуры от -32∞— до +20∞—

ѕоле температуры в сечении на высоте 0,3 м от пола

–ис. 9. ѕоле температуры в сечении на высоте 0,3 м от пола. ƒиапазон температуры от 0∞— до +15∞—

–аспределение температуры воздуха вблизи стенок собора (восточна€ сторона)

–ис. 10. –аспределение температуры воздуха вблизи стенок собора (восточна€ сторона). ƒиапазон температуры от 0∞— до +15∞—

¬екторное поле скорости в сечении на высоте 0,3 м от пол

–ис. 11. ¬екторное поле скорости в сечении на высоте 0,3 м от пола. ƒиапазон скорости от 0,01 до 0,3 м/c

Ќесмотр€ на то что вблизи пола температура так же, как и в исходном варианте, держитс€ в районе 0Ц5∞—, наличие дополнительных радиаторов, установленных на колоннах, обеспечивает равномерный прогрев воздуха по площади в каждом контрольном сечении. —редн€€ температура воздуха в здании лежит в диапазоне от 10∞— до 15∞—.

«аключение

—истемы вентил€ции и отоплени€ церковных зданий, а также их архитектурные особенности формируют в их объемах сложные течени€ с одновременным действием сил свободной и вынужденной конвекции. “акой тип течений плохо описываетс€ стандартными инженерными методиками, и дл€ получени€ достоверной картины движени€ разнотемпературных потоков воздуха, а следовательно, определени€ эффективности проектируемой системы отоплени€ и вентил€ции требуетс€ привлечение современных технологий компьютерного моделировани€ распределенных параметров микроклимата.

ѕрименение методов математического моделировани€ дл€ анализа поведени€ воздушных потоков в объеме ¬оскресенского собора (г. јрзамас) показало эффективность спроектированной системы вентил€ции в летний период. ¬ то же врем€ получено, что в зимний период времени средн€€ температура воздуха в объеме собора существенно понижена и находитс€ вне комфортных и безопасных дл€ сохранности стенописи и красочного сло€ икон значений. —хема организации системы отоплени€ собора должна быть пересмотрена.



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: Ќе пора ли инженерам полюбить Mac
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

ќмнивЄрс, ћетавЄрс, ЎметавЄрс,Е ћета—јѕ–?  — ƒавид Ћевин (1 декабр€ 2021)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2021 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.