Меню

Вентиляция тренажерного зала авок



Решение задач распределения воздуха в спортивном зале борьбы

Р. Ж. Шупашева, ЗАО «Бюро техники»

Воздухораспределение, являясь последним видом обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования, практически полностью определяет функционал будущих систем, влияя на эффективность проектных решений, а следовательно, на целесообразность инвестиций в инженерные системы.

При этом простых и достоверных универсальных инженерных методик расчета турбулентных потоков в помещениях нет и объективно быть не может. Результирующее распределение температур, скоростей и субстанций в вентилируемых и кондиционируемых объемах формируется в сложных процессах взаимодействия вынужденных и естественно конвективных течений [1–4]. При этом известные инженерные методики приближенного расчета [5, 6] носят ограниченный характер и применимы для ряда простых частных случаев.

В настоящей статье приведено решение задачи создания эффективной системы воздухообмена и воздухораспределения в спортивном зале борьбы с трибунами на 500 мест в проектируемом здании спортшколы.

Постановка задачи

Универсальный спортивный зал площадью 2275 м 2 предназначен для проведения спортивных состязаний и тренировок, с двумя матами в центральной части и одним рингом. По двум сторонам зала расположены трибуны для зрителей (рис. 1).

Универсальный спортивный зал

В ходе проектного процесса были отобраны два варианта распределения воздуха.

Первый вариант: подача воздуха через сопла АР600, закрепленные на воздуховодах переменного сечения от 1500×800 мм до 400×600 мм, расположенных вдоль боковых стен. Сопла на противоположных воздуховодах установлены не соосно, а со смещением в шахматном порядке. Угол поворота сопел 20° вверх. Сопла (общее количество 40 единиц, суммарный расход воздуха 40820 м 3 /ч) подобраны по нормативному расходу производителя с учетом длины развития струи для ее входа в рабочую зону. Удаление воздуха осуществляется в центральной части спортивного зала под потолком (рис. 2).

Первый вариант схемы воздухораспределения в спортивном зале борьбы

Второй вариант: подача воздуха через систему арочных элементов–распределителей ВГК [7], установленных на горизонтальном воздуховоде постоянного сечения 1500×750 мм, расположенном по оси спортивного зала на отметке 21,1 м. Воздух суммарным расходом 40820 м 3 /ч подается с обеих сторон воздуховода по 20410 м 3 /ч с каждой стороны; удаление воздуха–по бокам помещения из подпотолочного пространства (рис. 3).

Второй вариант схемы воздухораспределения в спортивном зале борьбы

Метод исследования

В настоящей работе для анализа параметров микроклимата в спортивном зале для двух схем воздухораспределения использовались методы математического моделирования, базирующиеся на универсальных законах сохранения (уравнениях Навье–Стокса) и позволяющие получить распределение параметров микроклимата в любом помещении. Так как дифференциальные уравнения тепло- и массопереноса в помещении в общем виде являются нелинейными, они не имеют аналитического решения и требуют привлечения методов численного моделирования, широко применяемых в различных промышленных отраслях.

Для численного решения уравнения Навье–Стокса в настоящем исследовании использовался гидродинамический пакет STAR-CCM+, хорошо зарекомендовавший себя в предыдущих работах [8, 9].

Для моделирования турбулентных течений использован подход RANS, позволяющий при умеренных вычислительных затратах (

80 ч счета, 9 млн ячеек) получать решения, точность которых достаточна для любых задач техники вентиляции и кондиционирования.

Результат исследования

Первый вариант воздухораспределения

На рис. 4 и 5 показаны температурные и скоростные поля, формирующиеся в плоскости рабочей зоны борцовских ковров в случае воздухораспределения соплами. Отчетливо видно, что расход 40820 м 3 /ч (кратность воздуха k = 1,15 ч –1 ) способен полностью ассимилировать тепловыделения (зрители, борцы, солнечная радиация, освещение) в спортивном зале с формированием допустимых скоростных и температурных полей.

Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Поля температур в вертикальных сечениях, проходящих через сопла

На рис. 6 показано течение в вертикальных сечениях. Видно, что характер течения поддерживается качественным анализом, а формирующиеся параметры воздуха находятся в нормативном поле.

Однако в модели есть некая интрига. В расчете предполагалось, что расход воздуха через сопловые аппараты одинаков и равен 1020 м 3 /ч. Однако, учитывая высокие объемы подаваемого воздуха и количество сопел, достичь равномерного истечения воздуха через каждое сопло путем его индивидуального регулирования на практике почти невозможно. Ситуация усугубляется еще и тем, что расход наружного воздуха будет управляться по датчику СО2, т.е. будет переменным и зависеть от числа людей в зале.

В связи с этим для выяснения воздухораспределения в помещении при истечении воздуха из сопел с фактическими расходами была создана математическая модель, включающая в себя течение в воздуховоде (рис. 7, табл. 1).

Распределение расходов по соплам приточного воздуховода в осях 5–14/И (20 единиц)

Видно, что скорость воздуха в воздуховоде примерно постоянна и имеет значения 4,7–4,0 м/с и только в конце воздуховода скорость уменьшается до 3,0–2,2 м/с в силу конструктивных особенностей. При этом расход воздуха по сопловым аппаратам оказывается существенно различен и изменяется от 517 до 1282 м 3 /ч.

Читайте также:  Отмыть фильтр вытяжки сода

На рис. 8, 9, 10 показаны температурные и скоростные поля, формирующиеся в объеме спортивного зала, с учетом реального разброса в расходах воздуха по соплам, который будет иметь место в действительности.

Видно, что в этом случае течение в объеме зала (рис. 8, 9) отличается от идеализированной модели (рис. 4, 5).

Скорость на уровне 1,5 м от пола

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Анализ результатов математического моделирования течения в объеме зала для первого варианта воздухораспределения при фактических расходах через сопла показал следующее:

  • скорость воздуха в плоскости рабочей зоны 0,2–0,4 м/с с локальными повышениями скорости до 0,5–0,6 м/с (рис. 8);
  • температура воздуха в самый жаркий день лета при 100%-ной заполненности зала зрителями составляет +25,5…+26,5 °C (рис. 9, 10), что на 1,5–2,5 °C выше расчетной проектной температуры;
  • изоповерхности по скорости 0,6 м/с (рис. 11) показывают неравномерность распределения воздуха соплами по длине воздуховода: через первые 7 единиц и последние 4 единицы сопел подается гораздо большее количество воздуха, чем через центральные;
  • наблюдается эжекция теплого воздуха из подферменного пространства, влияющая на повышение температуры и концентрацию углекислого газа в рабочей зоне;
  • концентрация углекислого газа в рабочей зоне–650–700 ppm (рис. 12, 13).

Поля температур в вертикальных сечениях

Изоповерхности по скорости 0,6 м/с

Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

Поле концентрации углекислого газа на высоте 1,5 м от пола

Второй вариант воздухораспределения

Результаты исследования течения, формирующегося в объеме спортивного зала при подаче воздуха через систему арочных элементов (распределителей ВГК), приведены на рис. 14–19. Видно, что в этом случае характер скоростных, температурных и концентрационных полей существенно отличен от случая воздухораспределения с помощью сопел (рис. 8–13).

Анализ результатов математического моделирования течения в объеме зала для второго варианта воздухораспределения (через арочные элементы ВГК) показал следующее:

  • скорость воздуха в плоскости рабочей зоны 0,2–0,4 м/с, в центральной части зала до 0,7 м/с;
  • температура воздуха в рабочей зоне в самый жаркий день лета при 100%-ной заполненности зала зрителями составляет +24,5…+26,0 °C. В отличие от подачи воздуха соплами, отсутствует эжекция теплого воздуха из подферменного пространства;
  • неравномерность распределения воздуха арочными элементами ВГК по длине воздуховода: через центральные ВГК воздух подается с большим расходом и большей скоростью; данный вопрос решается перераспределением количества ВГК по длине воздуховода;
  • концентрация углекислого газа в рабочей зоне спортсменов меньше, чем в случае воздухораспределения соплами, и составляет 600–650 ppm;
  • относительная влажность воздуха около 50–55%.

Несмотря на завышение скоростей в центральной части зала, вариант подачи воздуха при помощи арочных элементов (ВГК) является более перспективным в сравнении с воздухораспределением соплами. Вот его основные преимущества:

  • отсутствие эжекции теплого воздуха из подферменного пространства;
  • подача свежего воздуха непосредственно в зону соревнований спортсменов;
  • отсутствие необходимости регулирования каждого воздухораспределителя, что облегчает монтаж, наладку и обслуживание системы;
  • более эстетичный вид.

Проведение дополнительных исследований позволит определить оптимальное количество ВГК, частоту их установки и принцип подачи воздуха (боковой или вниз, возможно, комбинация обоих вариантов) для получения картины, близкой к идеальной.

Поле скоростей на высоте 1,5 м от пола

Поле температур на высоте 1,5 м от пола

Поля температур в вертикальных сечениях, проходящих через арочные элементы ВГК

Линии тока из приточных арочных элементов ВГК

Поле концентрации углекислого газа в вертикальных сечениях

Поле концентрации углекислого газа на высоте 1,5 м от пола

Литература

  1. Nielsen, P.V., Allard, F., Awbi, H. B., Davidson, L., and Schälin, A. // Computational fluid dynamics in ventilation design. REHVA Guide Book 10. REHVA. 2007.
  2. Ladeinde, F., Nearon, M. CFD applications in the HVAC&R industry // ASHRAE Journal. 1997. 39 (1).
  3. Zhang, Z., Zhai, J. Z., and Chen, Q. Evaluation of various CFD models in predicting room airflow and turbulence. Proceedings of Roomvent 2007, 10 th International Conference on Air Distribution in Rooms, Helsinki, Finland.
  4. Lee, K., Jiang, Z., Chen, Q. Air distribution effectiveness with stratified air distribution systems // ASHRAE Transactions. 2009. Vol. 115 Issue 2.
  5. Позин Г. М. Принципы разработки приближенной математической модели тепловоздушных процессов в вентилируемых помещениях // Известия высших учебных заведений. № 11. Раздел: Строительство и архитектура. Новосибирск, 1980.
  6. Кац Р. Д. Расчет параметров воздушной среды вентилируемых помещений // АВОК. 2005. № 4.
  7. Баландина Л. Я., Бурцев C. И., Денисихина Д. М., Мальгин Ю. В. Эффективное распределение воздуха с помощью «генератора комфорта» // Инженерные системы. АВОК–Северо-Запад.2007. № 4 (31).
  8. Денисихина Д. М. Численное моделирование неизотермических турбулентных течений в помещениях плавательных бассейнов // Вестник гражданских инженеров. 2014. № 3 (44).
  9. Денисихина Д. М. Особенности численного моделирования поведения воздушных потоков в объемах концертных и театральных залов // Интернет-журнал «Науковедение». 2014. № 3 (22)].

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №4’2015

распечатать статью —> pdf версия

Источник

Климатический комфорт в фитнес-центрах

Адиабатическое охлаждение с регенерацией теплоты

Фитнес-центры представляют собой отдельные заведения либо входят в состав различных многофункциональных комплексов (плавательных бассейнов, гостиниц и т. д.). В последние годы все чаще под фитнес-центры отводятся достаточно большие площади (до 5 000 м 2 ). В состав фитнес-центров входят не только тренажерные залы, но и бассейны, зоны релаксации с гидромассажными установками, солярии, сауны, турецкие бани, а также рестораны и бары.

Очевидно, что даже в рамках только одной зоны, где люди занимаются физическими упражнениями, системы кондиционирования должны проектироваться с учетом того, что в пределах такой зоны для различных видов физической деятельности выделяются отдельные участки и воздухоподготовка для них должна быть организована особым образом.

Обычно такое деление осуществляется уже на этапе составления общего плана объекта, поскольку некоторые виды физических упражнений просто не совместимы: например, аэробика, где много людей в относительно небольшом помещении, и занятия на спортивных тренажерах, которые проходят в более просторных залах, поскольку, помимо места для занимающихся, требуются площади для размещения самих тренажеров. Еще один специфический вид упражнений – это занятия на велотренажерах, где основную проблему составляет влаго-удаление с учетом большого объема скрытой теплоты от спортсменов.

Проектные данные

Для каждой зоны финтес-центра характерны различные показатели заполняемости и видов физических упражнений, что влияет на расчетные параметры микроклимата. На рис. 1 представлена динамика колебаний температуры воздуха в зависимости от вида физической деятельности и одежды спортсменов с индексом теплоизоляции 0,1 clo (очень легкая), 0,5 (легкая) и 0,9 (тяжелая) (сокр. clo – единица теплоизоляции одежды).

Значения температуры воздуха в зависимости от различных видов выполняемых физических упражнений и типа теплоизоляции, обеспечиваемой используемой спортсменами одеждой

Выполняемыми физическими упражнениями обусловлена и тепловая нагрузка, создаваемая человеком. В таблице приведены параметры среднего метаболического индекса (Met) (тепловыделения человека) во время различных видов физических упражнений. Значение 1 Met соответствует 58 Вт/м 2 . Помимо вида физических упражнений тепловыделение определяется также степенью интенсивности этих упражнений. У людей нетренированных и не привыкших к большим нагрузкам тепловыделение обычно приближается к максимуму – организм выделяет наибольшее количество теплоты, большей частью в скрытой форме (в виде потоотделения), что является тепловой компенсацией и утилизацией повышения температуры, вызванной мышечным напряжением. Как правило, упражнения, требующие предельного напряжения, не бывают продолжительными и должны соответствующим образом чередоваться на всем протяжении занятий. Если взять, к примеру, зал велотренажеров, где средняя продолжительность занятий колеблется от 20 до 40 мин, то период максимального напряжения, когда выделяется наибольшее количество теплоты, длится не более 5–10 мин.

Эффективность физического отвода теплоты, в частности скрытой, в значительной степени определяется уровнем относительной влажности воздуха в помещении. Вследствие этого при равном физическом напряжении меньше потеет человек, находящийся в помещении, где относительная влажность воздуха ниже, нежели тот, что занимается в зале с более высокой влажностью воздуха, поскольку в первом случае воздух менее насыщен и в большей степени расположен к поглощению водяного пара, выделямого кожными покровами человека.

В этих обстоятельствах особое значение приобретает регулирование уровня влажности в помещении спортивного зала.

Таблица 1
Вид физического упражнения Met (1 Met = 58 Вт/м 2 )
Тренажер 3–4
Современные и народные танцы 4–5
Физкультура 4–6
Теннис 5–7
Аэробика 6–8
Бег 15 км/ч 9
Бег 12 км/ч 8
Бег 9 км/ч 7
Боевые искусства, бокс 7–9
Велотренажер 8–10

Другой важный фактор, который следует обязательно учитывать, – это скорость воздуха, поскольку она определяет скорость теплообмена между телом человека и воздухом в помещении с учетом вида физической нагрузки. В этой связи целесообразно воспользоваться критерием оценки, предложенным профессором Датского технического университета П. Фангером (P. Ole Fanger), который, в частности, отмечает: «Состояние комфорта напрямую зависит от средней температуры кожных покровов и тепловой мощности, отдаваемой организмом в форме выделения жидкости, происходящей главным образом при помощи механизма потоотделения».

Общее теплообразование человека, занимающегося спортом в соответствующей спортивной одежде, составляет 390 Вт, из которых 135 Вт составляет явная теплота и 255 Вт – скрытая теплота (рис. 2). Учитывая, что испарительная теплота составляет 2 501 Дж/г, значению 255 Вт соответствует выделение водяного пара в объеме 367 г/ч на человека.

Объемы явной и скрытой теплоты, выделяемой человеком во время спортивных занятий

Расчетные параметры

На основании вышесказанного и с учетом назначения отдельных залов, выделенных для различных видов спорта, можно определить минимальные расчетные параметры объемного расхода воздуха для отдельных помещений. При расчете воздухообмена следует учитывать количество водяного пара, создаваемого потоотделением, количество занимающихся людей и конкретный вид физических упражнений. Расчета объемного расхода только на основании данных о требуемом воздухообмене (обычно от 60 до 120 м 2 /ч на человека) здесь недостаточно, поскольку необходимы поправки на влагоудаление и тепловую потребность. После определения общего объема влаговыделений в помещении (qmv, выраженный в г/ч) объемный расход воздуха, требующийся для удаления влаги из воздуха, определяется разницей между абсолютной влажностью внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

Количество воздуха, необходимого для нейтрализации физической тепловой нагрузки (qs), определяется разницей между температурой внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

Va = qs (физическая тепловая нагрузка) / 0,34 • ∆t, м 3 /ч.

Следует отметить (кстати, очень часто это обстоятельство упускается из виду), что тело человека во время продолжительных физических упражнений в заметных объемах потребляет кислород из воздуха. Таким образом, чем интенсивней вид спорта, для которого предназначено помещение, тем важнее обеспечить требуемый воздухообмен независимо от того, насколько фактические тепловлажностные параметры помещения удовлетворяют нормативным требованиям или расчетным данным. Для того чтобы обеспечить необходимый комфорт, помещения финтес-центров в рабочем режиме должны непрерывно обеспечиваться постоянным притоком наружного воздуха.

Специальное оборудование

Для кондиционирования фитнес-центров особый интерес представляют специально разработанные системы воздухоподготовки. Это оборудование имеет ряд отличительных конструктивных особенностей:

• обеспечивается холодильная мощность и влагоудаление в объемах, необходимых для конкретного вида физических упражнений;

• предоставляется возможность точной регулировки параметров микроклимата в зависимости от выполняемых физических упражнений, когда значения объемного расхода воздуха и тепловлажностные параметры приточного воздуха устанавливаются в зависимости от явной и скрытой теплоты, подлежащей отводу.

Для данного оборудования характерно пониженное потребление энергии благодаря двум современным технологиям:

• регенерация теплоты вытяжного воздуха при помощи двух теплообменников с перекрестными потоками, которые установлены в линию и функционируют в противотоке;

• система адиабатического охлаждения в сочетании с системой охлаждения на базе холодильного цикла.

Значение расхода воздуха данного оборудования меняется в диапазоне от 1 200 до 27 000 м 2 /ч, общая холодильная нагрузка (адиабатическая система плюс холодильная установка) составляет от 6,6 до 159 кВт.

Речь идет о полностью независимых системах, поставляемых в комплекте с электрооборудованием и системой автоматического регулирования. Приточные и вытяжные вентиляторы имеют высокопроизводительный свободно вращающийся импеллер с загнутыми лопастями, установленный напрямую на вал электродвигателя, скорость вращения которого регулируется отдельным инвертером. Работа системы в целом регулируется специальными вибрационными датчиками. Рукавные фильтры (класса EU4) устанавливаются на всасывание (наружный воздух и вытяжной воздух), легко снимаются, интервалы техобслуживания соблюдаются по показаниям датчика дифференциального давления, выведенного на главный электрический щит.

Система регенерации теплоты вытяжного воздуха построена на основе двух пластинчатых теплообменников с перекрестными потоками, монтируемых в линию.

Блок регенерации позволяет обеспечить чрезвычайно низкую потерю нагрузки при росте коэффициента теплообмена и КПД энергетической регенерации до 75 %. Поддон сбора конденсата с принудительным сливом выполнен из полипропилена. Адиабатическое охлаждение воздуха происходит путем разбрызгивания воды по поверхности водяных обменников и дает понижение температуры порядка 10 °С. Установка комплектуется форсунками, системой регулировки уровня воды, клапаном подачи и отвода воды, рециркуляционным насосом, фильтром, системой смены воды, циклом автоматической мойки.

Режимы работы

На рис. 3–7 показаны режимы работы данного оборудования в различное время года. На рис. 3 показан режим с полной регенерацией теплоты, обеспечивающий летнее охлаждение или зимний нагрев воздуха в помещении. В переходный период установку можно запускать в режиме с частичной регенерацией теплоты путем перепускания (байпасирования) с теплообменника определенного объема воздуха (рис. 4) либо в режиме полного естественного охлаждения в переходный или ночной период посредством полного байпасирования (без регенерации теплоты) при росте наибольшего объемного расхода воздуха до 10 % (рис. 5).

В летний период используется система адиабатического охлаждения (рис. 6), которая при высокой температуре наружного воздуха может интегрироваться с системой охлаждения и влагоудаления посредством холодильного цикла (рис. 7).

Охлаждение/обогрев воздуха в помещении посредством регенерации теплоты путем теплообмена с наружным воздухом как в зимний (отопление), так и летний (охлаждение) периоды

Функционирование системы в переходный период с частичной регенерацией теплоты путем перепускания (байпасирования) определенного объема воздуха из теплообменника

Функционирование системы в режиме полного естественного охлаждения в переходный или ночной период посредством полного байпасирования (без регенерации теплоты) при росте наибольшего объемного расхода воздуха до 10 %

Вентиляция с адиабатическим охлаждением воздуха в летний период

Вентиляция с адиабатическим охлаждением и охлаждением/влагоудалением посредством холодильного цикла в летний период при высокой температуре воздуха с последующим подогревом

Переведено с сокращениями из журнала «RCI».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Источник

Вентилиция и кондиционирование © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.