К РАСЧЕТУ СИСТЕМ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ИЗ ВЕНТБЛОКОВ

АННОТАЦИЯ

Цель работы заключалась в разработке методики и программы аэродинамического расчета систем естественной вентиляции из вентиляционных блоков типа «магистральный канал – канал спутник», основанных на уточненных данных о потерях давления в узлах слияния потоков (в тройниках). Метод. Течения в вентблоках и потери давления в них определены численно с помощью программы гидродинамического моделирования FLOW 3D и среды программирования приложений Borland C++ Builder. Результаты. Найдены зависимости для КМС тройников вентблоков при разной геометрии внутренних каналов. Разработан код и скомпилирована компьютерная программа для расчета систем естественной вентиляции из стандартных вентблоков. Выводы. Программа имеет простой пользовательский интерфейс, протестирована на нескольких примерах с хорошим результатом. Программа будет полезна проектировщикам вентиляции жилых зданий.

ABSTRACT

Background. The purpose of the work was to develop an application program for the aerodynamic calculation of natural ventilation systems, consisting of ventilation units of the "main channel - satellite channel" type. Methods. The methodology is based on refined data on pressure losses in the junction points (in tees) obtained by the method of computer simulation of flows in ventilation blocks of different geometries using the FLOW 3D hydrodynamic modelling program and the Borland C ++ Builder application programming environment. Results. Dependences for the CMR of the tees of ventilation blocks with different geometries of the internal channels are found. A code was developed and a computer program was compiled for calculating natural ventilation systems from standard ventilation blocks. Conclusions. The program has a simple user interface, has been tested on several examples with good results. The program will be useful for designers of ventilation of residential buildings.

Ключевые слова: естественная вентиляция, вентиляционный блок, коэффициенты местных сопротивлений, программа для аэродинамического расчета.

Key words: natural ventilation, ventilation unit, local resistance coefficients, program for aerodynamic calculation.

Работа систем естественной вентиляции в жилых домах зачастую неэффективна [1,2]. Основные причины обусловлены, прежде всего, упущениями или ошибками, допущенными на стадии разработки проекта – при выборе принципиальной схемы системы вентиляции, при проведении аэродинамического расчета и обосновании конструктивных параметров системы [3,4]. Для проектирования вентиляции на основе вентблоков важен точный расчет потерь давлений в их каналах. Для этого необходимо, чтобы принимаемые коэффициенты местных сопротивлений (КМС) соответствовали действительности [5,6].

Наибольшую сложность вызывает определение потерь давлений в тройниках вентиляционных блоков при слиянии воздушных потоков [7]. В основном неточности расчетов возникают потому, что не учитывается взаимное влияние расположенных друг за другом колена и тройника. На сегодняшний день такие данные в технической литературе отсутствуют. Моделирование течения воздуха в узлах слияния вентблоков «канал-спутник»-«ствол» может помочь определить их аэродинамическое сопротивление, показать пути снижения потерь давления, что приведет к общему повышению эффективности и надежности эксплуатации вентиляционных систем жилых зданий [8].

1. Определение сопротивления вентблока. В данной части работы исследовались характеристики течения воздуха в двусторонних вентиляционных блоках, применяемых в многоэтажных жилых зданиях (рис.1). Моделирование проводилось при разных значениях скорости движения воздуха на выходе из вентблока (от 0,4 м/с до 2 м/с). Задача решалась численно с помощью программного комплекса FLOW3D. Система уравнений плоского турбулентного движения замыкалась с помощью стандартной к-e модели. При моделировании течения вблизи твердых стенок использовались стандартные пристеночные функции.

а)                                           б)                                            в)

Рисунок 1. Поля скорости в узле смешения вентблока с двумя каналами-спутниками (кухни и санузла) при располагаемом давлении: а –2 Па; б - 8 Па; в - 15 Па

На границах расчетной области принимались следующие условия: на границе выхода - скорость в положительном направлении оси х постоянна и равна v₁; на границе входа в канал-спутник - скорость в положительном направлении оси z постоянна и равна v; низ сборного канала – проницаемая граница, скорость v₀ на которой определяется из закона сохранения массы; твердые границы - твердые непроницаемые стенки, на которых выполняется условие прилипания (непроскальзывания).

В ходе численного моделирования определялись поля скорости, давлений и линии тока, характерные для нескольких величин располагаемого естественного давления в вентблоках. В таблице представлены результаты некоторых численных экспериментов, выполненных при разных скоростях воздуха на выходе из канала-ствола, задаваемых величиной располагаемого давления. Одновременно вычислялись КМС узлов слияния потоков «На проход» и «На ответвление». Графики их изменения в зависимости от соотношения расходов на боковом ответвлении и на проходеприведены на рис. 2. Там же представлены данные о КМС подобных ситуаций по справочнику Идельчика [9].

Таблица.

Как видно из рисунка, расчетные значения коэффициентов сопротивления, найденные при исследовании течений в вентблоках, могут существенно отличаться от значений из [9]. Полученные данные позволяют  уточнить значения КМС узлов слияния, они помогают проектировщику выполнить точный  аэродинамический расчет вентиляции многоэтажных жилых зданий, состоящей из вентблоков.

Рисунок 2. Зависимость КМС вентблока от соотношения расходов на боковом ответвлении и на проходе 

В проектной работе проектировщику может также помочь пользовательская программа, разработанная на основе проведенных численных исследований.

2. Разработка программы для расчета системы естественной вентиляции.

Программа "Расчет естественной вентиляции на основе вентблоков" (в дальнейшем - "Программа") написана в программной среде Builder C++ и предназначена для автоматизированного расчета систем естественной вентиляции жилых зданий, организованных по принципу канал «СТВОЛ» и каналы «СПУТНИКИ».

Программа позволяет подобрать и проверить вентблоки для требуемого расхода удаляемого воздуха; определяет невязки между располагаемым давлением (тягой) на «СПУТНИКЕ» в зданиях до 10 этажей; определяет фактические расходы удаляемого воздуха для выбора способа нейтрализации избыточной тяги в «СПУТНИКАХ» (установка диафрагм, регулировка сечения решетки, дополнительная пористая вставка и др.).

Пользователь самостоятельно может задать новую конструкцию вентблока, схема вентиляции будет тут же рассчитана заново. Таким образом, пользователь может менять характеристики схемы, подбирая наиболее оптимальный для задачи вариант конструкции системы. Расчетную схему вентиляции (характеристики участков, местные сопротивления и результаты расчета) предполагается хранить в одном файле с расширением *.sxm. Таким образом, можно будет сравнивать несколько вариантов расчета, легко переключаться между расчетными схемами.

При расчете схемы вентиляции Программа выдает данные по каждому этажу (вентблоку). Можно увидеть потери на трение и местные сопротивления на всех участках расчетной схемы, а также давления в начале и конце каждого участка. Программа автоматически определяет избыток давления на конечных участках и предлагает компенсировать его либо автоматическим уменьшением сечения участка канала, либо введением дросселирующих устройств на участке (диафрагма с острой кромкой или конусная, дроссель клапан, шибер).

В дальнейшем программа будет дорабатываться. Она позволит распечатать не только результаты расчета, но и сам расчет последовательно всех участков схемы и местных сопротивлений, с включением расчетных таблиц.

Интерфейс Программы выполнен в виде одной многозакладочной формы (рис. 3). Закладки расположены в том порядке, в котором производится расчет:

1. Закладка «Информация». На этой вкладке можно ознакомиться с нормативными требованиями, узнать о разработчиках программы. В дальнейшем здесь будет приведено описание работы с программой и информация об интерпретировании данных расчета. 

2. Закладка «Исходные данные». Здесь производится выбор типа вентблоков, шахты и решеток, схемы вентиляции. На этой же закладке нужно ввести температуру внутреннего и наружного воздуха для расчета плотности среды, транспортируемой через каналы, и определения гравитационного давления.

Рисунок 3. Интерфейс программы для ввода исходных данных

Для ввода исходных данных следует создать новую схему вентиляции. В меню Тип вентблока при нажатии кнопки «Каталог Вентблоков» выбирается конструкция типового вентиляционного блока с требуемой высотой и количеством «СПУТНИКОВ» (рис. 4).

Рисунок 4. Меню программы при выборе конструкции типового вентиляционного блока с требуемой высотой и количеством «СПУТНИКОВ»

При необходимости можно вывести Схему Узла. Информация о ее характеристиках (КМС на проход и ответвление при разных соотношениях расходов в «СТВОЛЕ» и «СПУТНИКЕ»), полученная в результате численного моделирования, будет передана в тело расчета.

Также в закладке «Исходные данные» можно выбрать (загрузить) информацию о Вытяжных шахтах и Вентиляционных решетках (рис. 5).

Рисунок 5. Меню программы при загрузке информации о Вытяжных шахтах и Вентиляционных решетках

После введения количества Этажей и нормативного Расхода на решетке при нажатии кнопки «Схема Вентсистемы» на правой стороне вкладки будет выдана расчетная схема системы с указанием характерных отметок и расчетных высот для определения тяги (рис. 6). Если конструкция системы удовлетворяет всем требованиям, то необходимо нажать кнопку «Применить». Результат ввода исходных данных будет отражен в таблице.

При расчете схемы нужно ввести температуру внутреннего и наружного воздуха для определения гравитационного давления. В вентиляционной технике воздух при давлении P=101300 Па, температуре t=20 град. и относительной влажности 50% называют стандартным. Плотность стандартного воздуха 1.2 кг/м³. При других температурах плотность воздуха определяется по формуле Менделеева-Клайперона.

Рисунок 6. Интерфейс программы с полным набором исходных данных

При расчете плотности при температуре, отличной от 20 °С, не учитывается поправка на влажность воздуха. Обычно она составляет 0.6 – 1%  и ею можно пренебречь.

3. Закладка «Расчет». Здесь отображена вся расчетная схема вентиляции, где указаны исходные данные и результаты расчета (потери на трение и местные сопротивления, напоры) для каждого участка схемы вентиляции. Здесь же можно корректировать диаметры или скорости воздуха на участках, подобрав оптимальные для себя. При этом расчет будет проделан заново, и здесь же, в расчетной таблице, будут показаны результаты расчета нового варианта.

Кроме того, нажав кнопку «Компенсация избыточного давления», можно будет рассчитать дополнительные дросселирующие устройства для погашения избыточного напора на конечном участке (если избыточный напор есть). Дросселирующие устройства с рассчитанными характеристиками будут добавлены в список местных сопротивлений на соответствующем участке. Окончательная таблица, в которой отображены исходные данные, результаты расчета, а также промежуточные расчетные данные на всех участках, имеет вид, показанный на рис. 7.

Рисунок 7. Интерфейс таблицы с результатами расчета

В этой таблице можно проанализировать результаты расчета. При дальнейшей разработке Программы будет введена возможность при нажатии кнопки «Печать расчета» получить полные расчетные формы для схемы вентиляции: последовательный расчет всех участков, местных сопротивлений со всеми расчетными таблицами, и можно вывести их на печать. При необходимости, нажав кнопку «Увязка с располагаемым давлением», можно будет подобрать для каждого «СПУТНИКА» дросселирующие устройства.

При поверочном расчете в таблице отражается расчетное располагаемое давление (тяга) и количество расчетных участков по каждому направлению - от воздухозаборной решетки до устья вытяжной шахты. По окончании расчета именно с этим располагаемым давлением и расходом на решетке будет произведено сравнение с требуемыми величинами, чтобы получить ответ на вопрос: будет ли функционировать поверяемая схема вентиляции.

Выводы. Программа имеет простой пользовательский интерфейс, протестирована на нескольких примерах с хорошим результатом. Программа будет полезна проектировщикам вентиляции жилых зданий.

Список литературы:

1. Ливчак, И. Ф. Вентиляция многоэтажных жилых зданий / И.Ф. Ливчак, А.Л. Наумов. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. - 134 c
2. Константинова В.Е. Расчеты воздухообмена в жилых и общественных зданиях / В. Е. Константинова. ‒ М.: Стройиздат, 1964. ‒156 с.
3. Кривошеин А.Д. Особенности проектирования систем естественной вентиляции с вертикальными сборными кана­лами/ А. Д. Кривошеин, И. В. Андреев // Проектирование и строительство в Сибири. ‒ 2008. ‒ № 6. ‒ С. 50 ‒ 55.
4. Кривошеин А.Д., Андреев И.В. Особенности проектирования систем естественной вентиляции с вертикальными сборными каналами// Проектирование и строительство в Сибири. 2008. № 6. С. 50-55.
5. Волов Г.Я. Устойчивость работы систем естественной вентиляции многоквартирных жилых зданий// АВОК. 2014. №1. С. 30-37.
6. Бодров М.В., Кузин В.Ю. Анализ режимов работы систем естественной вентиляции многоквартирных жилых домов в теплый период года// Приволжский научный журнал. 2016. №4 (40). С. 26-32.
7. Кривошеин А.Д. Прогнозирование работы систем естественной вентиляции жилых зданий с организованным притоком воздуха// Известия высших учебных заведений. Строительство. 2011. №4. С. 43-52.
8. Acred A. A simplified mathematical approach for modelling stack ventilation in multi-compartment buildings / A. Acred, G. R. Hunt // Building and Environment. – 2014. – №71. – P. 121-130.
9. Idelchik I. E. Handbook of Hydraulic Resistance. 4-rd Edition, CRC Begell House, 2008. – 861 p.