автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Разработка систем вентиляции и кондиционирования воздуха для крытых ледовых арен

На правах рукописи

V

Чуйкни Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ДЛЯ КРЫТЫХ ЛЕДОВЫХ АРЕН

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

005536265

з 1 о;( г т

Воронеж - 2013

005536265

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Лобода Александр Васильевич

Официальные оппоненты: Кущев Леонид Анатольевич, доктор технических наук, профессор, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, кафедра «Теплогазоснабжения и вентиляции», профессор

Чесноков Александр Сергеевич, кандидат технических наук, Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I, кафедра «Высшей математики и теоретической механики», старшин преподаватель

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное об-

разовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет»

Защита состоится «28» ноября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском ГАСУ по адресу 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корп. 3, ауд. 3220, тел.(факс) +7 (4732) 71-5321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ.

Автореферат разослан «24» октября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Колосов А. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост числа строящихся и реконструируемых крытых ледовых арен сопровождается повышением требований к функциональной эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха, которым, в связи с архитектурно-планировочными и санитарно-гигиеническими особенностями, уделяется особое внимание. Многие из существующих способов организации распределения воздуха и методов расчета основных параметров микроклимата в спортивных сооружениях не отвечают данным требованиям.

Кроме того, увеличение цен на топливно-энергетические ресурсы приводит к необходимости повышения эффективности энергозатратных систем ледовых арен. К ним относятся системы вентиляции и кондиционирования, расходующие значительные количества энергии, а иногда являющиеся и главным потребителем тепловой и электрической энергии.

Важен также учет времени года и вида проводимых мероприятий при обеспечении микроклимата крытых ледовых арен. Так при несоответствии тем-пературно-влажностного режима проводимому мероприятию в зоне ледового поля возможно ухудшение качества льда, а также туманообразование над его поверхностью. В связи с этим, большое значение приобретают точность проводимых расчетов и предварительная оценка принимаемых проектных решений. Такие оценки, как правило, производятся с помощью математического моделирования аэродинамических, тепломассообменных и других процессов, наблюдаемых в исследуемых помещениях.

Добиться повышения эффективности систем обеспечения микроклимата крытых ледовых арен можно путем разработки новых способов организации воздухораспределения, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также методов их расчета.

Из изложенного выше следует, что разработка схемы и методов расчета систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен является актуальной. Результаты, полученные в ходе такой разработки, позволят улучшить качество принимаемых решений при проектировании, а также снизить энергетические затраты на данные системы.

Цель работы. Разработка схемы и методов расчета систем вентиляции и кондиционирования крытых ледовых арен для повышения их функциональной и энергетической эффективности.

Задачи исследований

1. Разработать новую схему воздухораспределения систем кондиционирования зоны ледового поля, позволяющую повысить их эффективность.

2. Предложить метод расчета параметров микроклимата зоны ледового поля при организации распределения воздуха по разработанной схеме. Составить математическое описание разработанной схемы для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств.

3. Предложить физическую модель вспомогательного помещения крытой ледовой арены, позволяющую выполнить физическое моделирование основных воздушных потоков системы вытесняющей вентиляции.

4. Разработать математическую модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, позволяющую получить аналитическое решение задачи построения полей скоростей данных потоков воздуха с целью увеличения точности расчетов.

5. Провести экспериментальные исследования по определению области применения разработанной математической модели воздушных потоков.

6. Разработать математическую модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, основанную на аналитическом решении поставленной задачи и позволяющую увеличить точность расчетов полей скорости воздушных потоков.

Объектом исследования является крытая ледовая арена, служащая для проведения различных спортивных и культурно-массовых мероприятий.

Предметом исследования является разработка схемы и методов расчета систем обеспечения микроклимата крытых ледовых арен.

Методы исследования. Теоретические задачи данной диссертационной работы решаются с использованием основных закономерностей аэродинамики и тепломассообмена. При разработке физической модели вспомогательного помещения крытой ледовой арены использовался способ воздушного баланса и физического подобия. Основным методом исследования полей скорости воздушных потоков для зрительских трибун и вспомогательных помещений является метод математического моделирования, основанный на теории конформных отображений.

Научная новизна работы

1. Разработана новая схема воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля, отличающаяся от существующих схем многоступенчатым смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха, удаляемого из верхней и нижней части обслуживаемой зоны помещения. Предложен графоаналитический метод расчета параметров микроклимата, базирующийся на Ы-диаграмме.

Составлено математическое описание многоступенчатой схемы для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств. Обоснован подход к определению соотношения расходов рециркуляционного воздуха из верхней и нижней зон помещения.

2. Предложена физическая модель вспомогательного помещения крытой ледовой арены при организации вытесняющей вентиляции. Обоснование данной модели выполнено на экспериментальной установке с помощью визуализации основных потоков воздуха.

3. Разработана математическая модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, основанная на теории конформных отображений. Важной характеристикой модели является возможность точного аналитического решения задачи построения полей скорости воздушных пото-

ков. Модель базируется на использовании симметрии прямоугольных помещений и классических функций комплексного переменного.

В диссертации экспериментально определена область применимости разработанной математической модели

4. Разработана математическая модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, также основанная на теории конформных отображений. На основании математической модели получено аналитическое решение задачи построения полей скоростей воздушных потоков.

На защиту выносятся

1. Разработанная схема воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля с многоступенчатым смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха, удаляемого из верхней и нижней части обслуживаемой зоны помещения.

2. Математическое описание разработанной схемы, служащее для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств. Графоаналитический метод расчета параметров микроклимата зоны ледового поля при многоступенчатом смешивании, базирующийся на Ы-диаграмме.

3. Физическая модель вспомогательного помещения крытой ледовой арены, позволившая выполнить физическое моделирование основных воздушных потоков системы вытесняющей вентиляции.

4. Математическая модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, основанная на теории конформных отображений.

5. Результаты экспериментальных исследований по определению области применения разработанной математической модели воздушных потоков.

6. Математическая модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, основанная на теории конформных отображений.

Достоверность результатов. Теоретическая часть диссертационных исследований базируется на основных физико-математических законах тепломассообмена и аэродинамики воздушных потоков. Адекватность математической модели оценивается с помощью сопоставления данных, полученных аналитическим и экспериментальным способами.

Научная и практическая значимость. Научная значимость заключается в разработке математических моделей воздушных потоков вытесняющей вентиляции в зонах зрительских трибун и вспомогательных помещений с перегородками, основанных на теории конформных отображений, а также многоступенчатой схемы воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля. Рассматриваемые методы расчета могут использоваться при проектировании систем обеспечения микроклимата; эти методы позволяют повысить эффективность систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Реализация результатов работы. Разработана математическая модель для построения полей скорости воздушных потоков системы вытесняющей вентиляции, внедренная в производство ООО ПСИ «Промгражданстройпро-ект», г. Воронеж.

Результаты диссертационных исследований применяются в процессе обучения студентов по дисциплинам «Инженерные сети и оборудование», «Аэродинамика», «Оборудование спортивных и туристических комплексов», «Обоснование проектов инженерных систем» а также при курсовом и дипломном проектировании на кафедре теплогазоснабжения и нефтегазового дела Воронежского ГАСУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались:

- на XVI Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» - Москва, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (МГСУ), 2013 год;

- на конференции «Инновационные технологии в системах теплогазоснабжения» - Воронеж, Воронежский ГАСУ, каф. ТГС и НГД, 2012 год;

- на научно-образовательном форуме «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий. Малое инвестиционное предпринимательство», конференция «Современные проблемы систем жизнеобеспечения» - Воронеж, Воронежский ГАСУ, 2013 год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять статей общим объемом 66 страниц, из них автору принадлежат 40 страниц. Три статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень Высшей аттестационной комиссии Российской Федерации. Основные результаты диссертационных исследований изложены в статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях: в работе [1] рассматриваются основные способы проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен, выделяются основные проблемы и возможные пути их решения; в работе [3] приводится разработанная схема воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля с многоступенчатым смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха, удаляемого из верхней и нижней части обслуживаемой зоны помещения; в работе [2] приводится математическая модель построения линий тока воздушных потоков при организации вытесняющей вентиляции в помещениях с перегородками.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 125 наименований и 5 приложений. Общий объем работы составляет 137 страниц, в том числе 106 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 12 таблиц и 5 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель исследования, поставлены задачи исследования, характеризуется научная новизна и практическая значимость результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния задачи обеспечения микроклимата крытых ледовых арен. Осуществляется разделение помещений ледовой арены на помещения, предназначенные для непосредственного проведения спортивных или учебно-тренировочных мероприятий (далее основные помещения) и вспомогательные, необходимые для корректной работы сооружения, обслуживания людей и т. п.

При проектировании систем обеспечения микроклимата основных помещений выделяют зоны зрительских трибун и ледового поля. Для каждой из этих зон проектируются отдельные системы вентиляции и кондиционирования. Основными схемами организации воздухораспределения в зоне ледового поля являются схемы «сверху-вверх» и «сверху-вниз».

Для поддержания заданных параметров микроклимата зрительских трибун, может использоваться как вытесняющая, так и перемешивающая вентиляция, организованная по различным схемам.

Основной проблемой при проектировании систем вентиляции вспомогательных помещений является их сложная конфигурация и наличие перегородок между ними. В этом случае необходим точный расчет линий тока основных потоков воздуха, их направления и скорости. Отмечается, что наиболее перспективным методом решения данной задачи является применение математического моделирования. В конце главы поставлены цель и задачи исследований.

Во второй главе с помощью графоаналитического метода расчета, с применением Ы-диаграмм состояния влажного воздуха, анализируется энергетическая эффективность существующих схем организации воздухораспределения зоны ледового поля (рисунки 1 и 2).

Рисунок 1 — Сравнение процессов обработки воздуха на М-диаграмме, при организации воздухораспределения по схемам «сверху-вверх» и «сверху-вниз»: а — в теплый период года; б -

в холодный период года

а

б

Доказывается, что наиболее целесообразной с точки зрения энергоэффективности схемой воздухораспределения является схема «сверху-вниз». Однако, организация распределения воздуха по данной схеме в холодный период года

приводит к осушению внутреннею воздуха в тоне ледового поля и ухудшению характеристик скольжения льда. Это объясняется одновременным протеканием процессов конденсацнн и сублимации маги с поверхности поля.

В этом случае для обеспечени! заданных параметров влажности приточного воздуха может возникнуть необходимость установки в приточный агрегат дополнительной секции орошения, что приведет к увеличению строительных и эксплуатационных затрат.

Избежать дополнительных расходов на влажностную обработку притока можно с помощью многоступенчатоа смешивания наружного н рециркуляционного воздуха с различными параметрами. Дня этого необходимо разработать новую схему воздухораспередения системы кондиционирования ледового поля. Реализацию многоступенчатого смешивания наружного и рециркуляционного воздуха с различными параметрами можно осущсств1гтъ с помощью раздельного отбора рециркуляционного воздуха из верхней и нижней зон ледовой арены по схеме, приведенной на рисунке 2.

мыс н 01раж/ик>шнс борта: 3 - «ьляжньк устройства. росмоюжсннис каст 1н>всрммс1мо п.,и. 4 - ei раж.ик>тнн борг; 5 - ледовое поле: 6 - магистральные вытяжные яогмучоаоды расположенное ■ iruiw.imujx каналах

Подача приточного воздуха в разработанной схеме возлухораспрсделения. гак же. как и в схемах «сверху-вверх» и «сверху-вниз», осуществляется из верхней зоны с помощью воздухораспределительных устройств, расположенных под углом вдоль длинных сторон ледовой площадки. Удазенне внутреннего воздуха нз нижней зоны производится с помощью вытяжных устройств, встраиваемых в ограждающие борта. Удаление воздуха нз верхней юны ледовой арены осуществляется аналогично схеме «сверху-в»ерх» через воздухозаборные устройства, расположенные над поверхностью льда.

Описание процессов обработки воздуха на Id-диаграмме начинают с нанесения точек //. вт и У. параметры которых соответствуют параметрам наружного. внутреннего и удаляемого воздуха (рисунок 3), после чего соединяют точки, характеризующие параметры смешиваемых потоков воздуха.

с/, г/кг

Рисунок 3 - Ы-диаграмма изменения параметров воздуха при организации воздухораспределения по схеме с многоступенчатым смешением: II-Вл

- процесс смешивания наружного и рециркуляционного воздуха из нижней зоны помещения; С ¡-У- процесс смешивания воздуха после первой ступени и воздуха из верхней зоны помещения; Сг-Я - процесс подогрева приточного воздуха в кондиционере; П-Вл - процесс охлаждения приточного воздуха при его взаимодействии с поверхностью льда; Вл-У

- процесс поглощения теплоты и влаги по высоте помещения над поверхностью льда; С/ - точка, характеризующая параметры воздуха после первой ступени смешения; Сг - точка, характеризующая параметры воздуха после второй ступени смешения

На первой ступени смешения этими точками будут Вл и Н. Полученный отрезок характеризует процесс смешения наружного и рециркуляционного воздуха на первой ступени. Точку С;, характеризующую параметры воздуха после первой ступени смешения, находят на пересечении отрезка Н-Вл с линией /<;=соп51:, которая определяемой по формуле

(1)

где СР1 - массовый расход рециркуляционного воздуха на первой ступени, кг/ч; Сг„ - массовый расход наружного воздуха, кг/ч; Сс, - массовый расход воздуха, поступающий на вторую ступень смешения, кг/ч; 1„ - энтальпия наружного воздуха, кДж/кг; 1Р1 - энтальпия рециркуляционного воздуха на первой ступени, кДж/кг.

Расход воздуха после смешения рассчитывается из уравнения

Ос. = Ог1+С., (2)

На второй ступени, процесс смешения характеризуется отрезком С/-У, а точку С2, характеризующую параметры воздуха после второй ступени смешения, находят на пересечении отрезка С;-У с линией !с2=сох\%1, где 1с2 определяемой по формуле

(3)

где СР2 - массовый расход рециркуляционного воздуха на второй ступени, кг/ч; Сс2 - массовый расход воздуха после второй смешения, кг/ч; 1р2 - энтальпия рециркуляционного воздуха на второй ступени смешения, кДж/кг.

Поскольку воздух для первой и второй ступеней рециркуляции отбирается из нижней и верхней частей помещения, то их параметры определяются параметрами воздуха в точках Вч и У соответственно. В ходе расчета необходимо учитывать следующие условия:

• расход воздуха после второй ступени смешения О,: должен соответствовать расходу приточного воздуха подаваемого в помещение

С„-С.; <4)

• влагосодержаиие воздуха после второй ступени смешения </,: должно быть максимально приближено к требуемому влагосодержанню приточного воздуха Лщ. подаваемого в помещение

4..-«'. (5)

Дня определения соотношения количества рециркуляционного воздуха, подаваемого на первую и вторую ступени смешения, предлагается метод последовательного приближения, на начальном этапе которого расход воздуха на первую ступень должен составить семьдесят процентов от общего количества рециркуляционного воздуха. Необходимое количество теплоты для обработки приточного воздуха в холодный период гола определяется по формуле

* 3600

(6)

где 1„ - температура приточного воздуха. "С; 1с} - температу ра воздуха после второй ступени смешения. X.

Проведенные расчеты показывают, '(то применение схемы воздухораспре-деления с многоступенчатым смешиванием в холодный период года позволяет избежать осушения воздуха, находящегося в непосредственной близости от поверхности льда, а характерная особенность смешившим рециркуляционного и наружного воздуха позволяет снизить энергетические затраты системы кондиционирования (приблизительно на 15%).

В третьей главе предлагается физическая модель вспомогательного помещения крытой ледовой арены, позволяющая выполнить физическое моделирование воздушных потоков системы вытесняющей вентиляции. Обоснование данной модели выполнено на экспериментальной установке (рисунок 4) с помощью визуализации основных потоков воздуха.

Рисунок 4 - I (ринцнмиллмия схема экспериментальной установки нсслелования формирования воздушных потоков: I -прямоугольная рабочая камера с переходами на круглое сечение 2: 3 - регулирующий клапан; 4 - окно из оргстекла: $ - перегородки: 6 - »»мерительная трубка; 7 - электронный термояиемомстр. Я -генератор лыма: Ч - трубка для подачи дыма: 10 - пульт управления: И - перфорированная стенки

Согласно разработанной схеме эксперимента, исследования проводились в несколько этапов. Первый этап заключался в изучении характера развития воздушных потоков. Для этого проводилась фотосъемка потоков воздуха, предварительно подкрашенных с помощью генератора дыма (рисунок 5).

в г

Рисунок 5 - Начните втлушных потоков в исслсд>смом пространстве

Результаты фотосъемки подтверждают предположение о возможности предотвращения обра'ювания застойных зон в огороженных частях помещения при низких скоростях подаваемою приточного воздуха.

Второй этап исследований заключается в измерении скоростей воздуха в границах, для которых справедливо упомянутое ранее предположение развития воздушных потоков. Дня этого с помощью электронного термоанемометра с обогреваемой струной производится измерение скорости вогтуха в различных точках рабочей камеры при установившемся воздушном режиме

Анализ полученных данных показывает, что с постепенным увеличением расхода воздуха, а следовательно, и скорости воздуха, наблюдается рост интенсивности образования вихрей, который наиболее наглядно проявляется в месте преодоления воздушным потоком перегородок. Прн этом в каждую последующую часть помещения поступает меньшее количество приточного воздуха, а его подвижность постепенно снижается. Предотвратить образование застойных зон в огороженных частях исследуемого пространства можно путем снижения скорости приточного воздуха прн организации воздухообмена по принципу вытесняющей вентиляции.

В четвертой главе разработана мггематическая модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, основанная на теории конформных отображений. Построение полей скоростей воздушных потоков в рассматриваемом случае существенно упрощается прн переходе от полной системы

уравнений Иавье Стокса (которая описыыет движение воздушных потоков в помещении) к более простой системе уравнений Кошн-Рнмана. Отличительной особенностью используемого конформного отображения является описание воздухообмена в прямоугольных помещениях, обладающих различной симметрией. Это позволяет использовать эллиптический интеграл. реализованный в вычислительных математических пакетах с очень высской точностью.

Общий принцип применения конформных отображений опирается на свойства эллиптического интеграла первого реда

Л

(0<£<1>.

(7)

и обратной к ному функции, называемой эллиптическим синусом

В качестве примера рассмотрено пемещение с тремя перегородками, аналогичное помещению, моделируемому в третьей главе.

Построение полей скорости осуществляется в два этапа. На первом этапе строятся линии тока воздуха, для чего необходимо построить конформное отображение Ф исходного прямоугольника на некоторый другой прямоугольник. При этом искомые линии тока являются прообразами горизонтальных линий тока в упрощенной фигуре. В частности верхняд горизонтальная и нижняя ломаная стороны фигуры АВСО переходят, соответственно, в верхнюю и нижнюю горизонтальные стороны ЛВС!)нового прямоугольника (рисунок 6).

X г Я в

Рисунок 6 - Конформное отображение Ф первоначальной фигуры

С учетом известного в теории функций комплексной переменной принципа симметрии достаточно построить конформное отображение (Ф,) половины исходного прямоугольника с отверстием MN (рисунок 6) на какой либо прямоугольник неизвестных размеров с отрезком М/У. занимающим всю стену.

При наличии отображен»« Ф, требуемое в исходной задаче отображение Ф совпадает с Ф, на левой половине начальной фигуры с тремя перегородками, а на правую половину продолжается симметричным образом.

В свою очередь, построение конформного отображения Ф, можно свести к поиску еще более простого отображения, пользуясь тем же принципом симметрии. В этом случае необходимо рассмотреть вспомогательную задачу, которая заключается в построении конформного отображения Ф: прямоугольника АЬБО с отрезком на какой-либо прямоугольник с отрезком 1/) (рисунок 6).

Конформное отображение Ф; строится как суперпозиция 1рех отображений

Ф, ш (8)

где р) - отображение, осуществляемое эллиптическим интегралом (7) с некоторым параметром /?: и- = - некоторый дробно-линейный автоморфизм (отображение на себя) верхней полуплоскости; £ = К\г.а) - эллиптический синус с известным параметром а.

Дробно-линейное огображение из формулы (8) можно записать в виде

» =!!({)= Др . (9)

где Л. В. О- некоторые вещественные коэффициенты.

Для рассматриваемого помещения (длинной 12 м и высотой 4 м). дробно-линейное отображение принимает вил

, . + 48.91

*•-=*<£> =—._57|| (Ю)

Отображение Ф/, решающее исходную задачу, также строигся как суперпозиция трех отображений

(10

при этом дробно-линейное отображение из формулы (II) записывается в виде

Построение общего отображения производится в обратном порядке как суперпозиция простых отображений.

На втором этапе осуществляется определение скалярных величин скорости в произвольных Iочках пространства. При известном отображении сложной фигуры на ее упрощенный образ касательные к линиям тока (определяющие скорость течения) вычисляются простым дифференцированием по комплексной переменной.

«/«•

— «V, (13)

где »', - проекция скорости на ось ОХ: V, - проекция скорости на ось ОУ\ »»• - комплексный потенциал некоторого течения.

Скалярная величина скорости воздушного потока определяется из уравнения

Поскольку при построении линий тока, определяющих скорость течения среды в помещении с перегородками, используется описанное ранее восьмишаго-вое отображение, скорость воздуха является произведением производных каждого шага преобразования

Л, А, Л, Л, Л Л, Л- (15)

где А. - производные функций на каждом шаге преобразо-

вания.

Математическая модель, определяющая скорость воздуха в любой точке ис следуемого пространства помещения с перегородками принимает вид: - для первой четверти помещения

11.593

(»,; -|)(87.8»,; -10о)(»; -1)( 13.69 »; -100)

|(0.1/,+0.3311) (»:-1)(4.84»;-6.2$)(0.1 », + 0,919)'(»;-|)(0.09»;-25) для второй четверти помещения

2.799

|)(87.8 ■ »•- |00)(»;-|)(13.69»,2-|00)

^|(0.1»,+0.3311)'(»: -|)(4.84 /: -6.25)(2 •»,♦18.71)' (»;-1)(0.09»;-23)

(16)

(17)

где комплексные переменные /,. ».» и и соответствуют положению отображаемой точки на отдельных шагах преобразования соответственно.

Из вышеизложенного следует, что для определения скорости воздушного потока в любой точке пространства необходимо знать значение производной в этой точке и ее образах на каждом шаге преобразования.

На рисунках 7 и 8 показаны соотношения скоростей потоков воздуха в помещении с перегородками, полученные путем физического и математического моделирования.

V, м/с

0.2

0.1

I I I .1 I I I I I .1 I

■гаг 1гапгаигаг \пя

■I II II II II II II и II ш П1IIIIII II И II II II 1Г1

123436789 10 11 ■ Экспериментальные данные ■ Литые моделирования

Рисунок 7 - Соотношение изменения скорости воздушного потока

0.02

0,07

0,12

0,17

0,22 V, м/с

Рисунок 8 - График расхождения скорости воздушною нотою ПО оси ОУь первой четверти помещения

Анализ расхождения экспериментальных и аналитических данных показывает. что при реальных условиях допустимый интервал скорости приточного воздуха, для которого разработанная математическая модель дает максимальную точность, ограничивается критической скоростью притока в наиболее узком месте помещения, которая определяется согласно предложенному способу.

Таким образом, с помошью разработанной математической модели можно производить расчеты полей скорости воздушных потоков в помещениях с перегородками во всем допустимом ннтервхче скоростей, при котором не наблюдается образование застойных зон в огороженных частях помещения.

В пятой главе разработана математическая модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, также основанная на теории конформных отображений, общие принципы применения которой изложены в четвертой главе. При организации воздухораспрсделення зоны зрительских трибун исследуемая область разбивается на элементы таким образом, чтобы в каждом находилось по одному приточному и вытяжному отверстиям, расположенным в нижней и верхней частях соответственно. Каждая выделенная область рассматривается отдельно.

Как и в четвертой главе для расчета полей скорости осуществляется конформное отображение Ф исходною прямоугольника Д, на нскоюрый другой прямоугольник Д', (рисунок 9).

Л,

-Г С-р

Рисунок 9 - Конформное отображение Ф начального элемента

Данное отображение несколько проще описанного в четвертой главе. Оно стро1Гтся как суперпозиция трех отображений с предварительным расширением (сжатием)

Ф = Г(№.<»•»•«Г \z.fli. (18)

При размерах первоначальной фш чры. составляющих 5 моров в высоту и 1,5 метра в ширину, дробно-линейное отображение из формулы (18) запишется в виде

74.64с + 72,63 -. 7 „-.

£ + 1,008

Уравнение для определения скорости примет вид

»•-Д ■Л, Л) Л4. (20)

(19)

где Л,, Аг, Л3, Д, - производные функций на каждом шаге преобразования.

Математическая модель, определяющая скорость воздуха в любой точке исследуемого пространства выделенного элемента зрительских трибун принимает вид

=_2,264-10"2_

I (;,2-1)(0,9676-Г,2-1) (21)

^ (0,01 • г, + 0,01)" (г2 -1) (0,49 • г2 - 3,906 ■ 107)

где комплексные переменные г, и соответствуют положению отображаемой точки на отдельных шагах преобразования соответственно.

ВЫВОДЫ

1. Предложена схема воздухораспределения систем кондиционирования ледового поля, отличающаяся от существующих схем многоступенчатым смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха, удаляемого из верхней и нижней части помещения. Схема позволяет добиться снижения энергетических затрат на кондиционирование воздуха в холодный период года.

2. Разработана методика расчета параметров микроклимата зоны ледового поля, основанная на графоаналитическом расчете с применением И-диаграмм. Составлено математическое описание многоступенчатой схемы для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств.

Для определения соотношения количества рециркуляционного воздуха, подаваемого на первую и вторую ступени смешения, предложен метод последовательного приближения.

3. Предложена физическая модель вспомогательных помещений крытой ледовой арены, обоснование которой выполнено на экспериментальной установке с помощью визуализации основных потоков воздуха. Предотвращение образования застойных зон в исследуемом пространстве осуществляется путем снижения скорости приточного воздуха при организации вытесняющей вентиляции.

4. Разработана математическая модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, основанная на теории конформных отображений. Важной характеристикой модели является возможность точного аналитического решения задачи построения полей скорости воздушных потоков. Модель базируется на использовании симметрий прямоугольных помещений и эллиптического интеграла. Реализация этой функции в пакетах символьной математики сохраняет высокую точность при численном изучении данной модели.

5. Экспериментально определен допустимый интервал скоростей приточного воздуха, для которого разработанная математическая модель построения полей скорости воздушных потоков дает максимальную точность.

6. Разработана математическая модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, основанная на теории конформных отображений, что позволило получить аналитическое решение задачи определения полей скорости. Применение разработанной модели позволяет увеличить точность получаемых результатов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Чуйкин, С. В. Организация воздухораспределения крытых многофункциональных ледовых арен / В. Н. Мелькумов, С. В. Чуйкин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2012. - №3(27). - С. 29-36.

2. Чуйкин, С. В. Определение скоростных полей воздушных потоков в вентилируемых помещениях с помощью конформных отображений / А. В. Ло-бода, С. В. Чуйкин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2012. -№4.-С. 23-31.

3. Чуйкин, С. В. Определение коэффициента теплоотдачи ледовой поверхности для смешанной схемы воздухораспределения / В. Н. Мелькумов, А.

B. Лобода, С. В. Чуйкин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. -2013,- №1(29).-С. 24-31.

Статьи в других изданиях

4. Чуйкин, С. В. Современные способы создания микроклимата крытых ледовых арен и катков / В. Н. Мелькумов, С. В. Чуйкин // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2012. - №2(7). - С. 68-73.

5. Чуйкин, С. В. Характерные особенности организации микроклимата крытых ледовых арен / С. В. Чуйкин, О. В. Свищев, В. С. Шерстобитова, Ю. А. Соя // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2012. - №4(9). -

C. 59-67.

6. Чуйкин, С. В. Разработка смешанной схемы воздухораспределения ледовой арены / С. В. Чуйкин, О. В. Свищев, Н. И. Шпак, К. М. Сенькин // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2012. -№4(9). - С. 68-74.

7. Чуйкин, С. В. Применение конформных отображений при решении задач вытесняющей вентиляции / С. В. Чуйкин, Р. А. Люльков // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. - 2013. - №1. - С. 29-36.

8. Чуйкин, С. В. Сравнительная оценка энергетических затрат на системы кондиционирования воздуха ледовой арены при различных способах организации воздухораспределения / С. В. Чуйкин, М. Н. Жерлыкина, Д. С. Агишев-

ский, А. А. Карпова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. -2013. -№1._с. 72-79.

9. Чуйкин, С. В. Повышение энергоэффективности систем обеспечения микроклимата крытых ледовых арен / С. В. Чуйкин // Сборник тезисов XVI Международной межвузовской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов. «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». - 2013. - С. 634-636.

ЧУЙКИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ДЛЯ КРЫТЫХ ЛЕДОВЫХ АРЕН

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Подписано в печать 22.10.2013 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №_

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201365048 На правах рукописи

ЧУИКИН СЕРГЕИ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ДЛЯ КРЫТЫХ ЛЕДОВЫХ АРЕН

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха,

газоснабжение и освещение

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА

ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель доктор физико-математических наук, доцент Лобода А.В.

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..............................................................................................................................................................................4

1 Современное состояние задачи обеспечения микроклимата крытых ледовых арен................................................................................................................................................................................10

1.1 Анализ особенностей современных систем обеспечения микроклимата зрительских трибун и ледового поля........................................................................................................11

1.2 Организация воздухообмена вспомогательных помещений крытых ледовых арен..............................................................................................................................................................................22

1.3 Выводы по первой главе. Постановка задач и цели исследования......................27

2. Снижение энергетических затрат при обеспечении заданных параметров

микроклимата в зоне ледового поля..........................................................................................................29

2.1 Анализ энергетической эффективности существующих схем организации воздухораспределения зоны ледового поля..............................................................................30

2.2 Разработка и обоснование рационального способа воздухораспределения систем кондиционирования ледового поля................................................................................36

2.3 Выбор расчетной зависимости по определению притоков конвективной теплоты к поверхности льда..............................................................................................................................44

2.4 Выводы по второй главе..............................................................................................................................52

3 Экспериментальное исследование формирования воздушных потоков в помещении с перегородками....................................................................................................................................53

3.1 Методика проведения эксперимента................................................................................................54

3.2 Обработка результатов экспериментальных исследований........................................63

3.3 Выводы по третьей главе............................................................................................................................70

4 Моделирование воздушных потоков вспомогательных помещений ледовых арен с помощью конформных отображений..........................................................................71

4.1. Построение линий тока с помощью конформных отображений..........................72

4.2 Построение линий тока в помещениях с тремя перегородками..............................76

4.3 Визуализация конформного отображения линий тока....................................................84

4.4 Построение полей скорости во вспомогательных помещениях ледовых

арен..........................................................................................................................................................................................86

4.5 Выводы по четвертой главе......................................................................................................................98

5 Моделирование воздушных потоков системы кондиционирования зрительских трибун с помощью конформных отображений............................................................99

5.1 Математическое моделирование полей скорости воздушных потоков

на основании систем уравнений газовой динамики....................................................................100

5.2 Математическое моделирование полей скорости потоков воздуха на основании теории конформных отображений........................................................................................106

5.2.1 Построение линий тока воздушных потоков вытесняющей вентиляции зрительских трибун....................................................................................................................................................106

5.2.2 Построение полей скорости воздушных потоков в зоне зрительских трибун....................................................................................................................................................................................113

5.3 Выводы по пятой главе..................................................................................................................................118

Общие выводы..............................................................................................................................................................119

Список литературы....................................................................................................................................................121

Приложения......................................................................................................................................................................133

Приложение А Коэффициент влаговыпадения при давлении 101,31 кПа............134

Приложение Б Воздухозаборные устройства, расположенные в ограждающих бортах........................................................................................................................................................................134

Приложение В Генератор дыма INVOLIGHT FM900 ............................................................135

Приложение Г Акт о внедрении..................................................................................................................136

Приложение Д Акт о внедрении..................................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Рост числа строящихся и реконструируемых крытых ледовых арен сопровождается повышением требований к функциональной эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха, которым, в связи с архитектурно-планировочными и санитарно-гигиеническими особенностями, уделяется особое внимание. Многие из существующих способов организации распределения воздуха и методов расчета основных параметров микроклимата в спортивных сооружениях не отвечают данным требованиям.

Кроме того, увеличение цен на топливно-энергетические ресурсы приводит к необходимости повышения эффективности энергозатратных систем ледовых арен. К ним относятся системы вентиляции и кондиционирования, расходующие значительные количества энергии, а иногда являющиеся и главным потребителем тепловой и электрической энергии.

Важен также учет времени года и вида проводимых мероприятий при обеспечении микроклимата крытых ледовых арен. Так при несоответствии темпера-турно-влажностного режима проводимому мероприятию в зоне ледового поля возможно ухудшение качества льда, а также туманообразование над его поверхностью. В связи с этим, большое значение приобретают точность проводимых расчетов и предварительная оценка принимаемых проектных решений. Такие оценки, как правило, производятся с помощью математического моделирования аэродинамических, тепломассообменных и других процессов, наблюдаемых в исследуемых помещениях.

Добиться повышения эффективности систем обеспечения микроклимата крытых ледовых арен можно путем разработки новых способов организации воз-духораспределения, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также методов их расчета.

Из изложенного выше следует, что разработка схемы и методов расчета систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен является

актуальной. Результаты, полученные в ходе такой разработки, позволят улучшить качество принимаемых решений при проектировании, а также снизить энергетические затраты на данные системы.

Цель работы

Разработка схемы и методов расчета систем вентиляции и кондиционирования крытых ледовых арен для повышения их функциональной и энергетической эффективности.

Задачи исследований

1. Разработать новую схему воздухораспределения систем кондиционирования зоны ледового поля, позволяющую повысить их эффективность.

2. Предложить метод расчета параметров микроклимата зоны ледового поля при организации распределения воздуха по разработанной схеме. Составить математическое описание разработанной схемы для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств.

3. Предложить физическую модель вспомогательного помещения крытой ледовой арены, позволяющую выполнить физическое моделирование основных воздушных потоков системы вытесняющей вентиляции.

4. Разработать математическую модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, позволяющую получить аналитическое решение задачи построения полей скоростей данных потоков воздуха с целью увеличения точности расчетов.

5. Провести экспериментальные исследования по определению области применения разработанной математической модели воздушных потоков.

6. Разработать математическую модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, основанную на аналитическом решении поставленной задачи и позволяющую увеличить точность расчетов полей скорости воздушных потоков.

Объект исследования

Объектом исследования является крытая ледовая арена, служащая для проведения различных спортивных и культурно-массовых мероприятий.

Предмет исследования

Предметом исследования является разработка схемы и методов расчета систем обеспечения микроклимата крытых ледовых арен.

Методы исследования

Теоретические задачи данной диссертационной работы решаются с использованием основных закономерностей аэродинамики и тепломассообмена. При разработке физической модели вспомогательного помещения крытой ледовой арены использовался способ воздушного баланса и физического подобия. Основным методом исследования полей скорости воздушных потоков для зрительских трибун и вспомогательных помещений является метод математического моделирования, основанный на теории конформных отображений.

Научная новизна работы

1. Разработана новая схема воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля, отличающаяся от существующих схем многоступенчатым смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха, удаляемого из верхней и нижней части обслуживаемой зоны помещения. Предложен графоаналитический метод расчета параметров микроклимата, базирующийся на Ы-диаграмме.

Составлено математическое описание многоступенчатой схемы для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств. Обоснован подход к определению соотношения расходов рециркуляционного воздуха из верхней и нижней зон помещения.

2. Предложена физическая модель вспомогательного помещения крытой ледовой арены при организации вытесняющей вентиляции. Обоснование данной модели выполнено на экспериментальной установке с помощью визуализации основных потоков воздуха.

3. Разработана математическая модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, основанная на теории конформных отображений. Важной характеристикой модели является возможность точного аналитического решения задачи построения полей скорости воздушных потоков. Мо-

дель базируется на использовании симметрий прямоугольных помещений и классических функций комплексного переменного.

В диссертации экспериментально определена область применимости разработанной математической модели

4. Разработана математическая модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, также основанная на теории конформных отображений. На основании математической модели получено аналитическое решение задачи построения полей скоростей воздушных потоков.

На защиту выносятся

1. Разработанная схема воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля с многоступенчатым смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха, удаляемого из верхней и нижней части обслуживаемой зоны помещения.

2. Математическое описание разработанной схемы, служащее для определения параметров и режимов работы приточных и вытяжных устройств. Графоаналитический метод расчета параметров микроклимата зоны ледового поля при многоступенчатом смешивании, базирующийся на Ы-диаграмме.

3. Физическая модель вспомогательного помещения крытой ледовой арены, позволившая выполнить физическое моделирование основных воздушных потоков системы вытесняющей вентиляции.

4. Математическая модель воздушных потоков во вспомогательных помещениях с перегородками, основанная на теории конформных отображений.

5. Результаты экспериментальных исследований по определению области применения разработанной математической модели воздушных потоков.

6. Математическая модель потоков воздуха вытесняющей вентиляции зоны зрительских трибун, основанная на теории конформных отображений.

Достоверность результатов

Теоретическая часть диссертационных исследований базируется на основных физико-математических законах тепломассообмена и аэродинамики воздушных потоков. Адекватность математической модели оценивается с помощью со-

поставления данных, полученных аналитическим и экспериментальным способами.

Научная и практическая значимость

Научная значимость заключается в разработке математических моделей воздушных потоков вытесняющей вентиляции в зонах зрительских трибун и вспомогательных помещений с перегородками, основанных на теории конформных отображений, а также многоступенчатой схемы воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля. Рассматриваемые методы расчета могут использоваться при проектировании систем обеспечения микроклимата; эти методы позволяют повысить эффективность систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Реализация результатов работы

Разработана математическая модель для построения полей скорости воздушных потоков системы вытесняющей вентиляции, внедренная в производство ООО ПСИ «Промгражданстройпроект», г. Воронеж.

Результаты диссертационных исследований применяются в процессе обучения студентов по дисциплинам «Инженерные сети и оборудование», «Аэродинамика», «Оборудование спортивных и туристических комплексов», «Обоснование проектов инженерных систем» а также при курсовом и дипломном проектировании на кафедре теплогазоснабжения и нефтегазового дела Воронежского ГАСУ.

Апробация работы

Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались:

- на XVI Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» - Москва, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (МГСУ), 2013 год;

- на конференции «Инновационные технологии в системах теплогазоснабжения» - Воронеж, Воронежский ГАСУ, каф. ТГС и НГД, 2012 год;

- на научно-образовательном форуме «Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий. Малое инвестиционное предпринимательство», конференция «Современные проблемы систем жизнеобеспечения» - Воронеж, Воронежский ГАСУ, 2013 год.

Публикации

По теме диссертации опубликовано девять статей общим объемом 66 страниц, из них автору принадлежат 40 страниц. Три статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень Высшей аттестационной комиссии Российской Федерации. Основные результаты диссертационных исследований изложены в статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях: в работе [1] рассматриваются основные способы проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен, выделяются основные проблемы и возможные пути их решения; в работе [3] приводится разработанная схема воздухораспределения системы кондиционирования ледового поля с многоступенчатым смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха, удаляемого из верхней и нижней части обслуживаемой зоны помещения; в работе [2] приводится математическая модель построения линий тока воздушных потоков при организации вытесняющей вентиляции в помещениях с перегородками.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 125 наименований и 5 приложений. Общий объем работы составляет 137 страниц, в том числе 106 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 12 таблиц и 5 страниц приложения.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА КРЫТЫХ ЛЕДОВЫХ АРЕН

Современные общественные объекты представляют собой сложный комплекс инженерно-строительных систем и сооружений, к которым предъявляются жесткие санитарно-гигиенические, архитектурно-строительные и энергосберегающие требования. К подобным объектам относятся и спортивные сооружения, подход к организации систем обеспечения микроклимата которых зависит от вида проводимых мероприятий, времени года и места их расположения.

Одними из наиболее энергоемких объектов спортивного назначения являются крытые ледовые арены с искусственным льдом, предназначенные для проведения хоккейных матчей, соревнований по фигурному катанию, а также других общественных и культурно-массовых мероприятий. Системы вентиляции, кондиционирования воздуха и холодоснабжения современных ледовых арен должны соответствовать ряду специфических требовании, которые заметно отличаются от требований, предъявляемых к другим спортивным объектам.

Согласно