Автореферат диссертации (Повышение эффективности работы системы естественной вентиляции при формировании теплового движения воздуха)

На правах рукописиАбрамкина Дарья ВикторовнаПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ТЕПЛОВОГОДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционированиевоздуха, газоснабжение и освещениеАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20182Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет».Научный руководитель:кандидат технических наук, доцентРымаров Андрей ГеоргиевичОфициальныеоппоненты:Бодров Михаил Валерьевичдоктор технических наук, доцент,Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего образования«Нижегородский государственный архитектурностроительный университет», кафедра «Отопление ивентиляция», профессорТихомиров Сергей Алексеевичкандидат технических наук, доцент,Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего образования«Донской государственный техническийуниверситет», кафедра «Теплогазоснабжение ивентиляция», заведующий кафедройВедущая организация:Акционерное общество «Центральный научноисследовательский и проектно-экспериментальныйинститут промышленных зданий и сооружений –ЦНИИПромзданий»Защита состоится «26» декабря 2018 г.

в 15 часов 00 минут (по местномувремени) на заседании диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базеФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственныйстроительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд. №9 «Открытая сеть»С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет» ина сайте www.mgsu.ruАвтореферат диссертации разослан «___» ___________ 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного советаГогина Елена Сергеевна3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.Согласно сведениям Федеральной службы государственной статистикибольшую часть жилого фонда г. Москвы составляют дома, построенные в периодс 1956 по 1990 гг.

Основной особенностью этих сооружений является то, что вних предусматривались канальные системы естественной вентиляции. Такаятенденция жилищного строительства сохраняется и в настоящее время, чтосвязано со сравнительно невысокими капитальными и эксплуатационнымизатратами, простотой обслуживания и долговечностью подобных систем.Существующие системы естественной вентиляции обладают рядомнедостатков. В холодный период года естественная вентиляция в полной мереобеспечивает требуемый воздухообмен, что связано с наличием достаточнойразности температур между наружным и внутренним воздухом в помещении.Однако в теплый и переходный периоды года работа систем оказываетсянеэффективной.

Фактически, в данное время года, вентиляция осуществляется восновном за счет обеспечения периодического проветривания, но подобныйподход порождает проблему создания требуемого микроклимата в помещенияхсанитарных узлов. Эффективность естественного проветривания зависит от силыи направления ветра и может значительно различаться в течение суток. Согласносведениям Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингуокружающей среды (Росгидромет) средняя скорость ветра на территории РФ изгода в год уменьшается в течение всех сезонов. Наибольшие отрицательныеаномалии имеют место в Европейской части России. Увеличение плотности иэтажности городской застройки приводит к образованию зон с пониженнымискоростями воздуха, что зачастую создает неблагоприятные условия дляпребывания человека в помещении.В связи с вышесказанным, исследование, направленное на оптимизациюработы канальных систем вентиляции в теплый и переходный периоды года,является актуальной научной задачей.Степень разработанности темы исследования.В современных научных работах, посвященных исследованию системвентиляции с тепловым побуждением движения воздуха, рассматривались лишьконструкции с радиационным подогревом лучепрозрачных вытяжных каналов,размещаемых снаружи здания.

Однако подобные системы удобно использоватьтолько при малоэтажном строительстве, что связано со значительной площадьюпоперечного сечения воздуховодов. На внутренней поверхности воздуховодовпри определенных условиях в холодный период года может образовыватьсяконденсат, что вызывает постепенное разрушение конструкции вентиляционногоканала.Наружное размещение прозрачных вентиляционных каналов в жиломздании может значительно испортить внешний облик сооружения, что связано свысоким уровнем загрязненности удаляемого воздуха из помещений кухни исанузла.

Чистка внутреннего пространства подобных воздуховодов включает всебя более дорогостоящие операции, чем при использовании традиционных4систем.Таким образом, одной из задач настоящего исследования является проверкавозможности реализации теплового побуждения для существующей конструкциисистем естественной вентиляции многоэтажного жилого здания, основанной наподробном анализе характера движения формирующихся конвективных течений внагреваемом канале.Исследованию свободного конвективного течения воздуха в условияхвнутренней задачи посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Г.А.Остроумова, Г.З.

Гершуни, С.В. Патанкара, Б. Гебхарта, В.Н. Варапаева и др.Данный вопрос был изучен с точки зрения различных областей науки: геофизики,ракетостроения, строительной теплофизики и прикладной математики.Объектом исследования являются канальные системы вентиляции степловым побуждением движения воздуха.Предметом исследования являются свободные конвективные течениявоздуха, формирующиеся в нагреваемых вентиляционных каналах.Целью исследования является повышение эффективности работы системвентиляции многоэтажного жилого здания за счет применения тепловогопобуждения движения воздуха в теплый и переходный периоды года.В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решеныследующие задачи:1.Провести оценку работоспособности систем естественной вентиляциимногоэтажных жилых зданий, и выявить причины, препятствующие их работе;2.Проанализировать существующие технологии, направленные наобеспечение стабильной работы систем естественной вентиляции в течение года;3.Разработать математическую модель процессов теплообмена ввентиляционном канале при движении свободноконвективных потоков,формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движениявоздуха;4.Разработать конструктивное решение системы вентиляции с тепловымпобуждением движения воздуха для типового жилищного строительства;5.Составить алгоритм расчета систем вентиляции с тепловымпобуждением движения воздуха, с учетом разработанной модели для анализакачественной структуры свободноконвективных потоков на основе программногокомплекса Ansys Fluent;6.Провести экспериментальное исследование процессов конвективноготеплообмена в вытяжных каналах системы вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха.Научная новизна диссертации:1.Разработана математическая модель процессов теплообмена ввентиляционном канале при движении свободноконвективных потоков,формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движениявоздуха;2.Доказано наличие зависимости средней скорости воздушного потокана входе в вентиляционный канал от расчетной разности условной температуры5на стенке воздуховода и температуры внутреннего воздуха в помещении;3.Определены длины участков стабилизации течения послевентиляционного отвода при различных способах нагрева вентиляционногоканала;4.Разработана методика определения локальных коэффициентовконвективной теплоотдачи для систем вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха.Теоретическая значимость результатов работы.1.Применительно к проблематике диссертации результативноиспользован метод расчета коэффициента обеспеченности воздухообмена, наоснове которого был обоснован период применения теплового побуждениядвижения воздуха;2.Изложены условия применения и составлена классификациясуществующих технологий, направленных на обеспечение стабильной работысистем естественной вентиляции в течение года;3.Изучена качественная структура свободноконвективных потоков,формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движениявоздуха при различных способах нагрева вентиляционного канала.Практическая значимость результатов работы:1.Разработан алгоритм расчета систем вентиляции с тепловымпобуждением движения воздуха, позволяющий определить изменениетемпературы и скорости воздушного потока по высоте вентиляционного канала.2.Определены геометрические характеристики вентиляционного канала,и месторасположение его нагрева, позволяющие обеспечить стабильный расходвоздуха в системе вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха;3.Разработана методика определения локальных коэффициентовконвективной теплоотдачи для систем вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха;4.Представлены результаты исследования устойчивости конвективныхтечений в системе вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха сосборным вертикальным каналом, которые позволили выявить причины измененияобъемного расхода воздуха по высоте здания;5.Создана система практических рекомендации по эксплуатации системестественной вентиляции, разработанная на основе проведенной оценкиработоспособности существующих систем.Методология и методы исследования.Методологической основой исследования являются:- существующие теоретические положения и экспериментальныеисследования отечественных и зарубежных ученых в области свободнойконвекции, а так же теплового побуждения систем вентиляции;- стандартные методики численного моделирования свободныхконвективных потоков воздуха в условиях внутренней задачи.Основные методы, используемые в диссертационной работе:1.Численное моделирование производилось с помощью CFD6моделирования, основанного на методе конечных объемов с неструктурированнойсеткой;2.Методика экспериментального исследования основывалась натребованиях государственных стандартов по аэродинамическим испытаниямвентиляционных систем и базировалась на показаниях поверенных приборов;3.Социологический опрос проводился с помощью выборочногоисследования в форме анкетирования.Положения, выносимые на защиту:1.Разработанная математическая модель процессов теплообмена ввентиляционном канале при движении свободноконвективных потоков,формирующихся в системе вентиляции с тепловым побуждением движениявоздуха;2.Разработанная методика определения локальных коэффициентовконвективной теплоотдачи для систем вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха;3.Результаты натурного исследования по определению профилейтемпературы, локальных и средних коэффициентов конвективной теплоотдачивоздушного потока по высоте вентиляционного канала при различной расчетнойразности условной температуры на стенке воздуховода и температурывнутреннего воздуха в помещении;4.Составленный алгоритм расчета систем вентиляции с тепловымпобуждением движения воздуха, с учетом разработанной модели для анализакачественной структуры свободноконвективных потоков на основе программногокомплекса Ansys Fluent.Степень достоверности полученных результатов исследования:Достоверность и обоснованность научных положений, выводов ирезультатов обусловлена использованием фундаментальных физических законов,корректностью математических постановок задач, использованием современныхапробированных методов численного моделирования и верифицированныхметодик экспериментальных исследований, сопоставлением полученныхрезультатовсаналитическими,численнымииэкспериментальнымиисследованиями других авторов.Апробация результатов исследования.