Численное моделирование микроклимата жилых помещений при строительстве, повышении энероэффективности жилых и общественных зданий

Дацюк Т.А., Сауц А.В.

     В последние годы при строительстве, повышении энероэффективности жилых и общественных зданий в качестве светопрозрачных конструкций широко применяются оконные блоки. Их применение значительно снижает теплопотери и повышает класс энергоэффективности здания, но практически исключает инфильтрацию воздуха, что сокращает энергопотребление зданий. Но с другой стороны возникают проблемы с проветриванием помещений. Для проветривания широко используются оконные или стеновые клапаны типа КИВ.

     Поля температуры и скорости воздуха в жилых помещениях при подаче наружного воздуха через вентиляционные клапаны неоднородны. При открытых клапанах вблизи наружной поверхности наблюдаются зоны пониженной температуры, где четко прослеживаются границы факела холодного воздуха. Особенности формирование поля температуры и скорости в помещении в значительной степени зависит также от типа отопительного прибора и места его расположения. Исследования, направленные на изучение формирования температурного поля отапливаемых жилых помещений с учетом естественной вентиляции, представляют определенный интерес, как для проектировщиков, так и для производителей отопительных приборов.

     Для изучения особенностей формирования микроклимата в жилых помещениях с притоком через оконные клапаны и отопительными приборами разного типа (конвектор и радиатор) используется численное моделирование. Решение уравнений гидродинамики в сочетании с начальными и граничными условиями позволяет получить информацию о распределении температуры, скорости и концентрации вредных веществ в изучаемом объеме. Особый интерес, в данном случае, представляет решение нестационарной задачи, что позволяет оценить временные закономерности изменения температуры и скорости воздуха в различных зонах отапливаемых помещений.

      Моделирование работы отопительных приборов (конвектора и радиатора) выполнялось на примере типовой жилой комнаты площадью 18 м² 137 серии. Объем помещения – 46,08 м³, размеры оконного блока – 1,5х1,5 м. Расчетная температура наружного воздуха составляет -26°С.

       Сопротивление теплопередаче наружной стены и оконного блока приняты в соответствии с нормативными требованиями [1] для наружной стены R_с = 3,1 (м² К)/Вт, для окна R_ок = 0,51 (м² К)/Вт. Коэффициент теплообмена для наружной поверхности α_н = 23 Вт/(м²  К). Теплообмен с соседними помещениями не учитывается.

      Поступление приточного воздуха в помещение осуществляется через оконные клапаны. Размеры приточных клапанов были выбраны таким образом, чтобы в помещении обеспечивался однократный воздухообмен. Приняты два приточных клапана сечением 0,01х0,3 м² каждый, расположенные в верхней части оконного блока. При перепаде давления между внутренним и наружным воздухом 10 Па клапаны обеспечивают расход приточного воздуха 46 м³/ч, т.е. однократный воздухообмен для жилой комнаты. Удаление воздуха из комнаты выполняется через щель под закрытой дверью, расположенной в стене напротив окна.

     Тепловые потери помещения с учетом расхода теплоты на нагревание приточного воздуха составляют 1,026 кВт.

     Конвектор моделировался в виде прямоугольного блока. На верхней грани блока имитировалась выходная решетка конвектора длиной 0,74 м и шириной 0,1 м. Скорость струи нагретого воздуха 0,34 м/с при температуре 50°С (эти параметры получены из натурных измерений для конвективной составляющей теплового потока – 94%). Через нижнюю грань блока в конвектор поступало такое же количество воздуха из помещения. Остальная часть теплового потока, излучаемая нагретым кожухом прибора, моделировалась как радиационная составляющая (6% от общего теплового потока). В качестве прототипа использован отопительный прибор «Atoll Pro» (ПКН 310) производства ОАО «Фирма Изотерм» (г. Москва) с номинальным тепловым потоком 1,318 кВт. Расчетный тепловой поток отопительного прибора в помещении при нормальных условиях – 1374 Вт.

      Радиатор моделировался в виде прямоугольного блока длиной 1,3 м, высотой 0,4 м, глубиной 0,14 м, заполненного условным материалом со специально подобранными характеристиками, чтобы имитировать теплоемкость массивной металлической конструкции радиатора. Полный тепловой поток от радиатора – 980 Вт, причём 50% которого – конвективная составляющая и 50% – радиационная составляющая.

     При параметрах теплоносителя для отопительного прибора 95/70°С (применительно к двухтрубной системе водяного отопления и схеме движения теплоносителя в отопительном приборе сверху-вниз) тепловой поток конвектора составляет 980 Вт.

     Расчет проводился с использованием пакета «STAR-CD». Уравнения аэродинамики и теплопереноса решались в нестационарной постановке. Шаг по времени варьировался от 1 до 10 секунд. Температура в комнате в начальный момент времени при закрытых клапанах принималась равной 15°С.

     Начальная температура воздуха в помещении перед включением отопительных приборов + 15^оС. Приточные клапаны при предварительном нагреве помещения закрыты. Схема расположения точек контроля температуры и скорости воздуха приведена на рис. 1.

     После включения конвектора температура в верхних контрольных точках (1 и 3) достигла 28^оС за 10 минут. В нижних точках (2 и 4) температура достигла 23^оС за 12-14 минут.

     При нагревании воздуха в комнате радиатором температура в верхних точках достигает 28^оС за 30 минут. В нижних контрольных точках (2 и 4) при работе радиатора температура выше, чем для конвектора на 3^оС и достигает значений 26^оС также за 30 минут.

     В режиме нагрева помещения при работе конвектора температура в верхних контрольных точках устанавливается в 3 раза быстрее, чем при работе радиатора. Сравнивая процесс нарастания температуры в нижних точках, где в меньшей степени сказывается влияние конвективной струи конвектора, видно, что прогрев воздуха при работе конвектора также происходит быстрее. Например, в точке 2 температура 23°С при работе конвектора достигается за 12 минут, а при работе радиатора – за 20 минут.

     Открытие приточных клапанов проводилось при достижении температуры воздуха в верхних точках 28ºС.

     Через 10 минут после открытия клапанов температура воздуха в контрольных точках снижается до 22-24ºС для обоих приборов. Далее, с течением времени, продолжается снижение температуры во всех контрольных точках. Однако, характер падения температуры (во всех контрольных точках) при работе радиатора более резкий, чем для конвектора. Это объясняется большей подвижностью воздуха в помещении при работе конвектора, которая связана с взаимодействием более мощной конвективной струи нагретого воздуха с холодным приточным воздухом.

     Через 50 минут после открытия клапана минимальная температура в контрольных точках при работе конвектора – 22-23ºС, а при работе радиатора – 19,5-21ºС, т.е. на 2ºС ниже.

     Расчетные поля температуры построены для двух моментов времени, соответствующих 39 и 49 минутам счета от момента включения приборов. Моменты времени выбраны вблизи точки пересечения кривых температуры (23,5ºС) для контрольной точки 1 (41 минута от начала счета).

На рис. 2.1, 2.2 и 3.1, 3.2 приведены поля температуры в вертикальном сечении по центру клапана при работе радиатора и конвектора для момента времени t =39 минут и t =49 минут.

     При работе конвектора поле температуры в комнате более равномерное по сравнению с радиатором. Сравнение полей температуры в объеме помещения для конвектора и радиатора при работе системы отопления в прерывистом режиме позволяет сделать вывод о том, что при установке конвектора поле температуры в комнате более однородно вследствие преобладания конвективной составляющей теплообмена.

     Таким образом, численное моделирование помогает произвести оценку соблюдения санитарно-гигиенических и экологических требований при повышении энергоэффективности зданий и использовании энергоресурсов.

 Список литературы

 СНиП 2.01.28-85. Тепловая защита зданий. Утв. пост-ем Госстроя РФ от 26.06.03 № 113; ввод. в действие с 01.10.03. М.: ДЕАН, 2004. – 64 с.