Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современный подход к проектированию системы вентиляции в помещении большого объёма 13
1.1 Требуемые параметры микроклимата в помещение 14
1.2 Системы вентиляции 19
1.3 Особенности периодической работы системы вентиляции 23
1.4 Системы вентиляции с переменным расходом воздуха 28
1.5 Многозонные системы вентиляции 38
1.6 Математическая модель расчёта газового режима помещения 42
1.7 Распределение углекислого газа в помещении 45
Глава 2 Организация адаптивной системы вентиляции в помещении большого объёма общественных зданий 51
2.1 Адаптивная система вентиляции в помещении большого объёма 51
2.2 Формирование микроклимата в помещении большого объёма 61
2.3 Оптимальная схема воздухообмена в помещении торгового центра для адаптивной системы вентиляции 65
2.4 Принцип работы адаптивной системы вентиляции 68
2.5 Расход воздуха при работе адаптивной системы вентиляции 73
Глава 3 Исследование процесса распространения углекислого газа в помещении 77
3.1 Приборы для измерения параметров микроклимата в помещении 77
3.2 Распространение С02 по высоте помещения 79
3.3 Динамика изменения концентрации СО? в помещение 88
3.4 Влияние подвижности воздуха на распределение С02 в помещении 92
3.5 Диффузия С02 в помещении 95
Глава 4 Математическая модель распространения углекислого газа в помещении 101
4.1 Вертикальный конвективный перенос С02 в помещение большого объёма 101
4.2 Формирование конвективного потока 104
4.3 Распределение С02 в конвективной струе 108
4.4 Определение времени подъёма конвективного потока 115
4.5 Распределение конвективного потока и концентрации С02 в припотолочном пространстве 116
4.6 Концентрация СОг на датчике в зависимости от местоположения людей 121
4.7 Время достижения конвективным потоком датчика контроля концентрации С02 123
4.8 Формирование размера элементарной зоны 125
4.9 Изменение концентрации С02 в месте установки датчика 127
4.10 Зависимость концентрации С02 на датчике от присутствия людей в зоне 130
Глава 5 Технико-экономический анализ работы адаптивной системы вентиляции 133
5.1 Граничные условия математической модели теплового режима помещения 133
5.2 Формирование теплового режима помещения при работе систем вентиляции 135
5.3 Сравнительный анализ энергоэффективности адаптивной системы вентиляции 136
5.4 Окупаемость адаптивной системы вентиляции 139
Приложения
- Особенности периодической работы системы вентиляции
- Формирование микроклимата в помещении большого объёма
- Распространение С02 по высоте помещения
- Распределение конвективного потока и концентрации С02 в припотолочном пространстве
Введение к работе
Актуальность работы
Современное развитие архитектуры общественных зданий характеризуется увеличением внутреннего объёма помещений. Среди них большое место занимают помещения с неравномерным заполнением людьми по площади и по времени. Система вентиляции является одной из обязательных инженерных систем в таких помещениях.
Характерной особенностью помещений, рассматриваемых в данной работе, с точки зрения построения системы вентиляции (СВ), является большой объём, имеющий чёткую градацию по зонированию в плане помещения с большой переменной нагрузкой по заполнению людьми в течение дня. Часто такое деление носит условный характер, когда отсутствует фактическое разделение зон различного назначения, и все зоны находятся в рамках единого воздушного пространства помещения.
В работе принято, что помещения большого объёма (БО) – это помещения высотой более 3 метров и площадью более 250 м2.
Известные схемы СВ для таких помещений оказываются недостаточно эффективными как с точки зрения создания комфортных условий, так и с экономической точки зрения. СВ с постоянным расходом при максимальном заполнении помещения людьми не справляется с нагрузкой, а при малом заполнении - количество воздуха подаётся в помещение сверх нормы, что приводит к неоправданным расходам.
В связи с этим, в настоящее время, продолжается поиск новых решений систем вентиляции. В качестве перспективного направления развития системы вентиляции рассматриваются децентрализованная и многозональная СВ. Такие системы допускают значительно более широкие возможности по регулированию воздухообмена в помещении, чем традиционная СВ. На сегодняшний день задача по созданию системы вентиляции, совмещающей требования по обеспечению допустимых параметров воздуха в помещении и энергоэффективности, для рассматриваемого типа помещений окончательно не решена.
Актуальным является разработка новых решений СВ, обеспечивающих требуемое качество воздушной среды в зоне нахождения человека при минимальных энергозатратах. Предметом исследования в работе является разработка новой (адаптивной) системы вентиляции для помещений большого объема с учетом поддержания в каждой зоне в отдельности требуемых параметров микроклимата (концентрации углекислого газа и других).
Цель работы – разработка методов адаптации работы системы вентиляции в помещениях большого объёма в соответствии с заполняемостью помещения людьми и их местоположением.
Особенностью рассматриваемой системы вентиляция является адаптация системы к присутствию человека в помещении, что предполагает децентрализацию и многозональность работы системы с учётом динамики тепломассообменных процессов, происходящих в каждой зоне помещения большого объёма. Такой режим работы системы вентиляции назовём адаптивным. Совокупность принципов: децентрализация, многозональность и периодичность действия, при реализации механизма адаптации системы к присутствию человека в определённом месте помещения, позволяет обеспечивать требуемые параметры микроклимата с учётом энергосбережения.
Существующие технические предпосылки для создания адаптивной системы вентиляции:
-
посещение людьми рассматриваемых помещений на первый взгляд носит стохастический характер, тем не менее, результаты исследований посещаемости таких помещений показывают высокую степень повторяемости их заполнения в течение дня;
-
современные средства автоматического регулирования (САР) позволяют вести позонный подсчёт количества людей в помещении и позволяют объединять полученную информацию на пункте диспетчеризации;
-
зная количество людей в каждой зоне помещения, можно регулировать расход подаваемого воздуха внутри каждой из них.
Для достижения цели работы решены следующие задачи:
- проанализированы существующие решения СВ по организации воздухообмена;
- на основании проведённых исследований обоснован алгоритм работы адаптивной системы вентиляции;
- создана математическая модель работы адаптивной системы вентиляции;
- выбраны критериальные величины, позволяющие контролировать присутствие людей в помещении большого объёма и их количество;
- разработана методика определения количества человек в зоне в зависимости от величины концентрации углекислого газа в месте расположения датчика углекислого газа;
- выполнено технико-экономическое обоснование применения адаптивной вентиляции в помещении большого объёма с переменным заполнением людьми.
Научная новизна:
- экспериментально подтверждено, что основным механизмом переноса углекислого газа в общественных зданиях являются конвективные потоки, создаваемые людьми;
- обоснован механизм функционирования системы вентиляции в помещении большого объёма, адаптивный к наполняемости помещения людьми;
- создана физико-математическая модель распространения углекислого газа в помещении большого объёма с учётом воздушного режима помещения;
- создана математическая модель распределения концентрации углекислого газа, выдыхаемого человеком, в конвективной струе от человека и припотолочной зоне.
Практическая ценность:
- в результате проведения экспериментальных исследований получены закономерности распределения концентрации углекислого газа в помещениях общественных зданий;
- разработана структура адаптивной системы вентиляции и рекомендации по её реализации в помещениях большого объёма;
- предложена методика позонного контроля числа посетителей в рабочей зоне (РЗ) помещения по значению концентрации углекислого газа в припотолочной зоне.
На защиту выносятся:
- физико-математическая модель обеспечения параметров микроклимата (МК) в помещениях БО с помощью адаптивной СВ;
- математическая модель распространения углекислого газа в конвективной струе от человека;
- математическая модель распространения углекислого газа в припотолочном пространстве;
- алгоритм работы адаптивной системы вентиляции, обеспечивающей допустимые условия для человека в каждой зоне помещения большого объёма, с учётом снижения энергопотребления.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы МГСУ, докладывались на кафедре отопления и вентиляции МГСУ, на научно-практических конференциях на кафедре физики. Результаты работы докладывались в институте проблем управления им В.А. Трапезникова РАН, по тематике управления развития крупномасшабных систем (MLSD` 2007); на научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи – путь к обществу, основанному на знаниях» (НТТМ-2007, НТТМ-2008).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии, включающей 174 наименования, в том числе 28 иностранных, приложения. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок.
Особенности периодической работы системы вентиляции
Одним из актуальных направлений по сокращению потребления энергоресурсов СВ, является организация периодической её работы. Работа периодической СВ основана на циклическом поддержании параметров МК, по допустимому диапазону отклонения требуемых параметров МК в помещении. Наиболее эффективно использование такой СВ в помещениях БО в общественных зданиях с переменным во времени заполнением людьми [53]. Организация периодической СВ по характеру работы совпадает с аварийной вентиляцией, срабатывающей при превышении величины допустимых вредностей. В качестве контролирующего параметра, как правило, принимают концентрацию УГ или температуру. Отличием является то, что в периодической системе вентиляции величина концентрации УГ, как правило, не достигает величины ПДК в общественных зданиях [52], для сигнала включения принимается превышение заданного значения концентрации, равное.-, 1,86г/м3 [147]. Характер работы и подходы для расчёта аварийной СВ подробно представлены в работах [128,100,66,65]. Исследованием возможности формирования микроклимата при периодической вентиляции занимался Кувшинов Ю.Я. [53], в его работе показано, что воздухообмен для помещений общественных зданий, принятый из условий обеспечения температуры или относительной влажности воздуха, как правило, больше требуемого для разбавления газовых вредностей. Для сокращения расхода энергии им предложено использовать периодическую работу СВ. При этом работа СВ была предложена прерывистой, периодически включаясь и выключаясь на протяжении рабочего дня. Это дало название методу работы СВ - периодическая СВ (ПВ). Применение режима ПВ возможно в том случае, если параметры МК изменяясь, не будут выходить за нормативные рамки. Критерием работы такой системы является достижение концентрации ССЬ близкой к значению ПДК. Работа СВ имеет скачкообразный характер. Очевидно, что чем меньше общее время работы СВ, тем экономичней принятое решение, это возможно при правильном расчёте СВ. Параметры воздуха, такие как влажность и подвижность воздуха, в работе [53] не рассматривались, так как диапазон изменения влажности значительно более узкий, чем допустимые пределы, а изменение подвижности воздуха не превышает нормируемого значения. Возможность использования режима ПВ определяется колебаниями концентрации вредных газов, выделяющихся в помещение, и температуры воздуха в помещении. Критериальным параметром работы такой системы является повышение концентрации вредных газов, при бездействии системы, до величины ПДК. В результате решения дифференциальных уравнений газового баланса помещения было определено оптимальное время AZ продолжительности проветривания: где n - кратность воздухообмена где L - расход приточного воздуха, м /час; V — объём помещения, м . Определён оптимальный перерыв между включениями: Температурные колебания в помещении общественного здания ограничены достаточно узкими пределами, что приводит к необходимости ограничивать тепловую мощность системы вентиляции. Ограничение мощности системы вентиляции значительно сужает диапазон условий, в которых СВ может самостоятельно обеспечивать необходимые температурные параметры в помещении. Было установлено [53], что применение ПВ возможно только в сочетании с фоновой системой отопления или охлаждения. В таком случае необходимы определённые условия формирования теплового баланса помещения, которые могут быть реализованы при определённом соотношении тепловой мощности СВ и СО. В результате был сделан вывод, что динамика параметров микроклимата должна определяться на основе контроля за колебаниями концентрации вредных газов и температуры воздуха. Применение такой схемы вентиляции подразумевает включение или отключение всей системы вентиляции. Однако для организации воздухообмена в помещении большого объёма, разные зоны которого характеризуются различным уровнем газопоступления, такой метод оказывается неэффективным. В работе Ловцова В.В. [59] рассмотрена возможность обеспечения динамического микроклимата в помещении о помощью і -периодического1 г изменения количества подаваемого воздуха. При организации такой СВ в помещении оказалось, что в нём возникают периодические колебания температуры воздуха. Для математического описания такого температурного режима предложена графическая модель. Модель была составлена для условий, когда в помещении имеются постоянные избыточные конвективные тепловыделения, с периодическим изменением количества воздуха. Уравнения теплового баланса в помещении предложены в дифференциальном виде для каждого полупериода отдельно, при условии равенства приточного и удаляемого воздуха для каждого момента времени
Формирование микроклимата в помещении большого объёма
Проектирование СВ в помещениях БО общественных зданий ведётся в соответствии с требованиями документов СНиП 2.08.03-91 , СНиП 41-01-2003, МГСН 4.13-97, [107,67,105].
Средства, обеспечивающие требуемые параметры воздуха в помещении БО включают в себя совокупность элементов: приточных систем и вытяжных систем, индикатора работы АСВ и систем, обеспечивающих заданный ТРП.
Качество воздуха будем определять в соответствии с его химическим составом, пригодным для дыхания. Эталоном такого воздуха будем считать газовый состав атмосферного (уличного) воздуха.
Рассмотрим механизмы формирования МК в помещении с учётом работы систем, обеспечивающих тепловой режим помещения (ТРП). На схеме, представленной на рисунке 2.4 показаны все основные факторы, определяющие параметры МК в помещении БО. Каждый тепловой источник формирует появление естественных конвективных потоков от нагретых поверхностей, которые вместе с другими конвективными потоками формируют воздушный режим помещения, в котором имеет место стратификация температуры по высоте. При появлении в помещении источника вредности (человека), воздушный режим формирует газораспределение в помещении.
В данной работе в качестве источника вредности рассматривается углекислый газ (УГ). Основным параметром распределения УГ в помещении служит расположение и плотность размещения людей по площади всего ТЗ, и работа системы вентиляции.
В торговых центрах в припотолочной зоне имеется мощное освещение в виде диффузного рассеянного света. Вокруг ламп, за счёт конвекции, создаются потоки тёплого воздуха, скапливающиеся в припотолочной области, которые остывают и опускаются вниз.
В холодный период работает система отопления. Отопительные приборы создают тепловые потоки, отсекающие инфильтрацию воздуха через неплотности строительных конструкций и оконные проёмы. Тепловые потоки, образованные отопительными приборами, создают достаточно узкий восходящий конвективный поток вдоль наружных ограждений и медленное течение окружающего воздуха, вследствие подсосов воздуха из помещения.
Нагретый воздух вытесняется вверх, и замещается холодным воздухом из нижней части помещения. Мощность .конвективного потока зависит от количества теплоты, отданного - отопительным, іпрцбором При работе. отопительных приборов скорость конвективных потоков достигает значения 0,1-0,5 м/с. Конвективный поток поступает вдоль стены в потолочную зону, затем ударяясь о потолок меняет своё направление и идёт вдоль потолка [141,129]. Температура конвективного потока превышает температуру окружающего воздуха.
При наличии людей в помещении происходит поступление тепловыделений за счёт нагрева воздуха вокруг поверхности тела человека. Теплопоступления меняются в зависимости от температуры, подвижности воздуха и активности людей. В результате появления людей происходит образование дополнительных конвективных потоков и дальнейшее развитие эффекта всплывания тёплого воздуха. Конвективные потоки проходят через всю высоту помещения и поступают в верхнюю зону помещения (припотолочную зону). Помимо конвективного тепла, человек при лёгкой работе каждый час выдыхает около 500 литров нагретого воздуха с температурой примерно 36,6 С [56,17]. Скрытая теплота в выдыхаемом воздухе вместе с конвективными потоками поступает в припотолочную зону помещения.
Конвективные потоки служат идеальными переносчиками информации о ГРП из рабочей зоны (РЗ) в верхнюю зону помещения, что будет показано в 4 главе.
Приточные струи, при выходе из воздухораспределителя, в свою очередь подсасывают окружающий воздух из верхней зоны, унося его вместе с собой в нижнюю зону помещения - рабочую зону.
В результате циркуляции потоков воздуха, от действия приточных и вытяжных установок, а также конвективных потоков от отопительных приборов и людей, осуществляется перемешивание воздушных масс, как в РЗ, так и в самом помещении, так и в верхней части помещения. Рисунок 2.5 иллюстрирует процесс формирования конвективных потоков в объёме помещения. На приведённой схеме стрелками показаны условные направления конвективных потоков.
Распространение С02 по высоте помещения
В данном разделе представлены результаты, полученные в ходе экспериментов, целью которых было определение распределения концентрации УГ в помещении по высоте. Для определения закономерности распространения УГ были обработаны результаты, полученные в разных условиях. Помещения, в которых проводились исследования, условно были разделены на две категории: с постоянным присутствием людей и с переменным. Распределение УГ по высоте помещения на примере ТЦ Для определения характера распределения УГ в помещении БО был проведён натурный эксперимент в ТЦ «Галион» в будничный день. ТЦ находится по адресу: Московская область, г. Балашиха, Шоссе Энтузиастов 53а, ТЦ - это 3-х этажное здание, находящееся в 50 метрах от шоссе. Натурные измерения проводились посредством измерения параметров МК по помещениям и этажам здания. Несколько раз в течении трёх рабочих дней 20-23 октября 2007 года. Большую площадь ТЦ занимают магазины различного размера и объема, в том числе на первом этаже здания находится большой продовольственный магазин «Город изобилия», на втором - большой магазин бытовой электроники «Мир», на третьем находится зона питания с рестораном. Помещения различного назначения отличались разным уровнем высоты потолков, от 3-х до 5 метров. Все помещения здания по 3-м этажам были объединены лестнично-лифтовым холлом в единую воздушную среду, что позволяет считать здание ТЦ как единое помещение БО. Ниже приведены исследования распространения УГ по высоте здания. Данные исследования позволили определить распределение концентрации УГ при пустом ТЦ (помещении БО) и выключенной СВ и определить поведение концентрации УГ при работающей СВ и заполнении помещения посетителями. Учитывая это, в ходе проведения замеров ожидалось получить общую оценочную картину распределения УГ по зданию при различных условиях. Все замеры проводились в центре каждого помещения, на высоте 1,5 метров от пола. Измерения проводились в 3 этапа: - начало работы ТЦ, на местах находится только обслуживающий персонал, СВ выключена; - работа ТЦ при средней наполняемости помещения людьми, СВ выключена; - помещения ТЦ заполнены средней наполняемостью посетителями, СВ включена. Ниже представлены полученные результаты. 1. Эксперимент проводился сразу после открытия ТЦ с 9-00 до 10-00. В помещениях находился лишь обслуживающий персонал. На момент проведения эксперимента СВ была выключена. Концентрация УГ на улице, на уровне первого этажа, составляла 0,07%. Результаты представлены в таблице 3.1. В результате выполненных замеров было установлено распределение концентрации по объёму помещения. В плане помещений происходят небольшие колебания содержания углекислого газа в воздухе, до 0,03%. На момент проведения эксперимента замерщик удерживал зонт на расстоянии вытянутой руки, чтобы минимизировать влияние на результаты экспериментов. По высоте здания получено изменение концентрации УГ в сторону увеличения от верхнего к нижним этажам. Наличие УГ в помещении связано с остаточной концентрацией от предыдущего дня. Распределение УГ по зданию соответствует гравитационным процессам, в результате чего наблюдается скопление УГ в нижней части помещения (Мв.ха Муг). 2. Эксперимент проводился в обеденное время с 14-00 до 15-00 часов. СВ на момент проведения замеров была выключена. В здание находилось 40% посетителей равномерно распределённых по этажам. Фоновая концентрация на улице, на уровне 1-го этажа составляла на момент измерения величину С=0,13%. Результаты проведённых замеров представлены в таблице 3.2.
Распределение конвективного потока и концентрации С02 в припотолочном пространстве
Рассмотрим процесс распространения конвективного потока и УГ в припотолочном пространстве с момента достижения конвективным потоком потолка. При достижении потолочного пространства струя начинает настилаться на потолок и распространяться во все стороны вдоль поверхности потолка.
Определим характер движения конвективного потока в воздухе в припотолочной зоне и проведём математическое описание процесса распределения УГ.
Используя число Ре, оценим характер изменения концентрации УГ, переносимого конвективным потоком со скоростью й)0, в припотолочном слое толщиной АХ, м: где D - коэффициент диффузии УГ, который будет равным D=0,8X10"8M2/C. Данный критерий отражает соотношение между молекулярным и конвективным переносом. Из анализа следует, что при любых геометрических параметрах тепловой подушки и максимальных скоростях движения конвективного потока величина числа Ре»1, что свидетельствует о том, что при распространении конвективного потока в припотолочной зоне будет происходить преобладание конвективной диффузии над молекулярной. Значит УГ будет распространяться вместе с конвективными потоками с одинаковой скоростью. В расчётах пренебрежём потерями воздуха, происходящими на границе тепловой подушки и воздуха помещения.
Рассмотрим конвективную струю в пределах тепловой подушки толщиной АХ в виде цилиндра воздуха, диаметром - dCTp и высотой равной толщине тепловой подушки (см. рисунок 4.8).
Толщину тепловой подушки АХ определим из условия, что её объём равен объёму воздуха, подсасываемого конвективной струёй, при подъёме конвективного потока из нижней в верхнюю зону помещения. Толщина тепловой подушки всё время изменяется, её толщина будет зависеть от интенсивности всех тепловыделений. В расчёте примем человека единственным тепловым источником в помещении.
Рассмотрим зону помещения площадью F30Hbi, определённую из условия площади распределения воздуха одним воздухораспределителем (см. п. 4.8). Представим конвективную струю, поднимающуюся над моделируемым цилиндром в виде усечённого перевёрнутого конуса с основанием равным диаметру цилиндра (см. рис. 4.9). Зададим проекцию данного цилиндра на потолок, в результате чего получим цилиндр высотой равной п=НПОм-Нрз и диаметром равным диаметру образованному на пересечении конвективной струи сістр.рз и плоскости на высоте рабочей зоны помещения НР3. Геометрические параметры конуса будут определяться как высота равная высоте цилиндра и диаметр основания равный диаметру конвективной струи в припотолочной зоне (dcrp)- Данный конус характеризует собой величину объёма подсосанного воздуха к конвективной струе. Формирование конвективного потока от «стенок» цилиндра заменены на конвективный поток, идущий от точечного источника, эквивалентного по тепловой мощности. где диаметр струи астр.рз будет являться диаметром воздушного цилиндра, образованного при пересечении конвективного потока с рабочей зоной помещения (см. рисунок 4.9). где Z0 =2.255х), где D-диаметр моделируемого цилиндра принимаем D=0,4 метра.
Величину б также определим из геометрических соображений: Величины объёма воздуха вовлечённого в конвективную струю в результатерасширения определённого по формуле 4.16, приведена в таблице 4.6.
