Учебники 80210

На правах рукописи

Чуйкин Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИ ОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХ А ДЛЯ КРЫТЫХ ЛЕДОВЫХ АРЕН

05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирова ние воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

Воронеж – 2013

2

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

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Лобода Александр Васильевич

Официальные оппонент ы: Кущев Леонид Анатольевич, доктор технических наук, профессор, Белг ородский 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», старший преподаватель

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Юго-Западный государственный университет»

Защита состоится «2 8» ноября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033 .02 при Воронежском ГАСУ по адресу 394006, г. Во-

ронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корп. 3, ауд. 3220, тел.(факс) +7 (4732) 71-53- 21.

С диссертацией мо жно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Авт ореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ .

Автореферат разослан «24» октября 2013 г.

3

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.

4

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 Id-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-

5

ков. Модель 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 Id-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

вразработке 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.

6

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.

8

приводит к осушению внутреннего воздуха в зоне ледового поля и ухудшению характеристик скольжения льда. Это объясняется одновременным протеканием процессов конденсации и сублимации влаги с поверхности поля.

В этом случае для обеспечения заданных параметров влажности приточного воздуха может возникнуть необходимость установки в п риточный агрегат дополнительной секции ор ошения, что приведет к увеличению строительных и эксплуатационных затрат.

Избежать дополнительных расходов на влажностную обработку притока можно с помощью многоступенчатого смешивания наружного и рециркуляционного воздуха с различными параметрами. Для этого необходи мо разработать новую схему воздухораспередения системы кондиционирования ледового поля. Реализацию многоступенчатого смешивания наружного и рециркуляционного воздуха с различными параметр ами можно осуществить с помощью раздельного отбора рециркуляционного воз духа из верхней и нижней зон ледово й арены по схеме, приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2 – Организация воздухораспределения по схеме, реализующей многоступенчатое смешение: 1 – приточные воз духораспределители; 2 – воздухозаборные устройства, встроенные в ограждающие борта; 3 – вытяжные устройства, расположенные над поверхностью льда; 4 – ограждающий борт; 5 – лед овое поле; 6 – магистральные вытяжные воздуховоды расположенное в подпольных каналах

Подача приточного воздуха в разработанной схеме возд ухораспределения, так же, как и в схемах «сверху-вверх» и «сверху-вниз», осуществляется из верхней зоны с помощью возд ухораспределительных устройств, расположенных под углом вдоль длинных сторон ледовой площадки. Удаление внутреннего воздуха из нижней зоны производи тся с помощью вытяжных устройств, встраиваемых в ограждающие борта. Удаление воздуха из верхней зоны ледов ой арены осуществляется аналогично схеме «сверху-вверх» через воздухозабо рные устройства, расположенные над поверх ностью льда.

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

10

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

- расход воздуха после второй ступени смешения Gc2 должен соответствовать расходу приточного во здуха Gп, подаваемого в помещение

- влагосодержание воздуха после второй ступени смешения dc2 должно быть максимально приближено к требуемому влагосодержанию приточного воздуха dп, подаваемого в поме щение

Для определения соотношения количества рециркуляционного воздуха, подаваемого на первую и вторую ступени смешения, предлагаетсяя 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 года определяется по формуле

где tп – температура приточного воздуха, ºС; tс2 – температура воздуха после второй ступени смешения, ºС.

Проведенные расчеты показывают, что применение схеммы воздухораспределения с многоступенчаты м смешиванием в холодный период года позволяет избежать осушения воздуха, находящегося в непосредственной близости от поверхности льда, а характерная особенность смешивания рециркуляцционного и наружного воздуха позволяет снизить энергетические затраты систе мы кондиционирования (приблизительно на 15%).

В третьей главе преедлагается 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 – Принципиальная схема экспериментальной усстановки исследования формирования воздушных потоков: 1 – прямоугольная рабочая камера с переходами на круглое сечение 2; 3 – регулирующий клапан; 4 – окно из оргстекла; 5

– перегородки; 6 – измерительная трубка; 7 – электронный термоанемометр; 8 – генератор дыма; 9 – трубка для подачи дыма; 10 – пульт управления; 11 – перфорированная стенка