Автореферат диссертации (Повышение эффективности работы системы естественной вентиляции при формировании теплового движения воздуха), страница 2

Основные результаты работыбыли представлены на:1.Международномконкурсеналучшийпроектвсфереэнергосбережения и энергоэффективности в номинации «Лучшее инженернотехническое решение по повышению энергетической эффективности и поэнергосбережению в зданиях, сооружениях и строениях», г. Москва, 2016 г.;2.Профессиональном конкурсе НОПРИЗ на лучший проект – 2017 вноминации проектов, представленных студентами и аспирантами вузов,молодыми архитекторами, г. Москва, 2017г.;3.Научно-практической конференции «Технологии в инженерноэкологическом строительстве, механизации и жилищно-коммунальномкомплексе», г.

Москва, 2017 г.74.XXI Международной научной конференции «Строительство –формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, 2018 г.5.Всероссийскомконкурсенаучно-техническихинаучноисследовательских проектов «Молодёжные инновации», г. Москва, 2018 г.6.Научном семинаре «Modern problems of engineering sciences and theirsolutions. Experience of interuniversity cooperation», г. Москва, 2018 г.Личный вклад автора в получении результатов заключается:1.В непосредственном участии в разработке научной проблемы;2.Впроведенииматематическогомоделированиясвободноконвективных течений, формирующихся в нагреваемом канале инатурных исследований режимов работы системы вентиляции с тепловымпобуждением движения воздуха, обработке и анализе полученных результатов.Область исследования соответствует требованиям паспорта научнойспециальности 05.23.03.

– «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционированиевоздуха, газоснабжение и освещение» пункт 1 – «Совершенствование,оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления,вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования.Использованиенетрадиционныхисточниковэнергии»;пункт2–«Технологическиевопросытеплогазоснабжения,вентиляцииикондиционирования воздуха»; пункт 3 – «Создание и развитие эффективныхметодов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения,вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты отшума».Результаты работы внедрены на предприятии путем производстваобразцов опытной партии воздуховодов систем вентиляции с тепловымпобуждением движения воздуха за счет электрического нагрева.Публикации по результатам исследования.Основные результатыдиссертационной работы изложены в 10 научных работах, в том числе в 6рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 работаопубликована в журнале, индексируемом в международной реферативной базеScopus.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, спискалитературы, включающей 116 наименований, в том числе 23 иностранных иприложений.

Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит86 рисунков и 9 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность диссертационной работы,сформулированы цель и задачи исследования, определены объект и предметисследования, представлены положения, выносимые на защиту, научная новизнаи практическая значимость исследования, перечислены основные научные ипрактические результаты, публикации по теме, объем и структура работы.В первой главе проведена оценка работоспособности систем естественной8вентиляции многоэтажных жилых зданий, с целью выявления причин,препятствующих их работе.

Результативно использован метода расчета среднегокоэффициента обеспеченности воздухообмена nL , %, на основе которого былиобоснованы границы эксплуатации канальных систем естественной вентиляции ипериода применения дополнительного побуждения для города Москвы (Рисунок1).Рисунок 1 - Динамика среднего коэффициента обеспеченности воздухообмена дляг. Москвы с января 2011 г. по декабрь 2016 г.В первой главе представлены результаты экспериментального исследованияработы систем естественной вентиляции в теплый и переходный периоды года.Исследование проводилось в квартире, расположенной на последнем этажемногоэтажного жилого здания серии П-44 с помощью прямого и косвенногометодов измерений.

Было выявлено, что отключенный осевой вентилятор,установленный в санитарном узле квартиры, создает значительноеаэродинамическое сопротивление, не смотря на конструкцию с облегченнымилопатками, в связи с чем, система вентиляции находится в нерабочем состоянии.Для верификации полученных данных был проведен социологическийопрос в виде индивидуального анкетирования, направленный на выявлениестепени удовлетворенности жителей многоэтажных жилых домов качествомработы систем естественной вентиляции. В опросе участвовало 100 респондентовв возрасте от 20 до 65 лет, проживающих в Центральном Федеральном округе РФ.Доверительная вероятность опроса составила 95%, доверительный интервал –10%. Социологический опрос позволил определить реальные условияэксплуатации систем естественной вентиляции многоэтажных жилых зданий.

Так,чуть более чем в 70% случаях проживающие самовольно устанавливают осевыевентиляторы в санитарный узел. Из них 18,3% утверждают, что, не смотря напринятые меры, были замечены случаи образования плесени в межплиточныхшвах и углах помещений. У 50% опрошенных людей в квартирах установленысистемы местного кондиционирования воздуха. Согласно результатампроведенного социологического опроса, 65%респондентов не довольныкачеством работы систем вентиляции у себя в квартире.9В первой главе изложены условия применения и составлена классификациясуществующих технологий, направленных на обеспечение стабильной работысистем вентиляции в течение года: тепловое, ветровоеи механическоепобуждение.

Теоретическое исследование основано на научных работахотечественных и зарубежных ученых: В.Г. Залесского, К.А. Ушакова, В.В.Шведова, Т. Кливена, Н.К. Бансала, Дж. Хирунлабха, Г.С. Войницкого и др. Взаключении к первой главе представлены рекомендации по эксплуатации системестественной вентиляции в теплый и переходный периоды года.Во второй главе представлена разработанная математическая модельпроцессовтеплообменаввентиляционномканалепридвижениисвободноконвективных потоков, формирующихся в системе вентиляции степловым побуждением движения воздуха. Представлена общая постановказадачи и предмета исследования. Исследование было разделено на два этапа:1.Математическое моделирование свободной конвекции в системевентиляции последнего этажа многоэтажного жилого здания с целью определениянаиболее эффективного способа нагрева, а так же разработки конструктивногорешения системы вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха;2.Исследование устойчивости конвективного течения в системевентиляции с тепловым побуждением движения воздуха со сборнымвертикальным каналом.1 этап.

Рассматривается конвективное движение воздуха в канале системывентиляции, изготовленном из тонколистовой стали. Движение воздухапроисходит в ограниченной незамкнутой области Ω1 с условной температурой наподогреваемых стенках (граница Г1) равной tк (Рисунок 2).

Нижняя часть каналаявляется входным сечением Г2, через которое внутренний воздух из помещения(Ω2) с температурой tв и давлением Pв поступает в рассматриваемую область.Верхняя часть канала представляет собой выходное сечение Г3, через котороевытяжной воздух с температурой tу поступает в атмосферу (Ω3). воздух вовнешних областях Ω2 и Ω3 покоится, а распределениедавлений в них определяется гидростатикой.Формирование пристенных свободноконвективныхтечений в рассматриваемой внутренней области Ω1происходитприналичиипространственнойнеоднородности плотности, вызванной неоднородностьютемпературы.Приосуществлениинагревавентиляционного канала в пределах расчетной разницытемператур   0  40 С , число Рэлея варьируется от 0 до72,1109 .

Согласно исследованиям Н.Д. Ландау и Е.М.Лифшица, ламинарный режим течения сохраняется при103  Ra  109 . Согласно исследованиям Г.В. Кузнецова, вРисунок 2 Расчетная схемаматематическоймоделислучае моделирования свободной конвекции в условияхвнутренней задачи при наличии теплоотводящих границ,которыми в данном случае являются границы входного (Г2)и выходного сечения (Г3), при потоках с числами Рэлея10Ra  1011 , учет турбулизации течения практически не оказывает влияние наконечные результаты.

При этом экспериментальные и расчетные данные хорошосогласуются в любой рассматриваемой точке. Таким образом, в рассмотренномдиапазоне значений числа Рэлея применение ламинарного приближения дляданной модели является обоснованным. Воздух в канале прозрачен для тепловогоизлучения стенок.В приближенииОбербека - Буссинескапредполагается, чтонеоднородности плотности, вызванные неоднородностью давления малы, и имиможно пренебречь.

Возникновение конвективных течений определяет наличиетеплового расширения воздушных масс у нагретых поверхностей. Для описаниязависимости плотности от температуры используется формула:(1.1)    (1    T ) , гдеT – отклонение температуры от равновесного состояния.На основании перечисленных предположений, система уравненийОбербека-Буссинеска примет вид: vx v y v   2 vx  2 v y  2 vz 1  p p y pz  z v   x υ 2  2  2   g    T  x y z yz  x y z  x  2Tx  2Ty  2Tz   Tx Ty Tz (1.2)v       2  2  2 yz yz   x xv vx  y  vz  0 x y zv - скорость движения воздушного потока, м/с; p - конвективная добавка кгидростатическому давлению, соответствующему средним температуре иплотности, Па;  - средняя плотность, кг/м3; T - температура, отсчитываемая отнекоторого среднего значения, К; g - ускорение силы тяжести, м/с2;  и  коэффициенты кинематической вязкости (м2/с) и температуропроводности (м2/с),предполагаемые постоянными;  - объемный коэффициент тепловогорасширения, 1/К;  - единичный вектор, направленный по вертикали вверх.Граничные условия:1.Скорость движения потока воздуха на поверхности вентиляционногоканала равна нулю (условие прилипания):v Г1  0(1.3)2.Условная температура на поверхности вентиляционного каналапостоянна на протяжении всего процесса теплообмена (граничное условиепервого рода):T Г 1  Tк ( x; y; z )  const(1.4)3.Подвижность воздуха во внешних областях Ω2 и Ω3 равна нулю:v  2  v 3  0(1.5)4.На входе в вентиляционный канал воздух имеет температуру, равнуютемпературе внутреннего воздуха в помещении:T Г 2  Tв  const(1.6)115.Так как в уравнение Обербека - Буссинеска входит величинадействующего давления, представляющая собой разность действительного игидростатического давления, то во входном сечении Г2 и выходном сечении Г3задается условие:P Г2  P Г3  0(1.7)2 этап.

Исследование устойчивости конвективного течения в системевентиляции с тепловым побуждением движения воздуха со сборнымвертикальным каналом. Для расчета было выбрано девятиэтажное жилое здания,восемь этажей которого объединены системой вентиляции с вертикальнымсборным каналом с односторонним подключением поквартирных спутников. Приисследовании аэродинамики системы вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха со сборным вертикальным каналом, была применена k-ε модельтурбулентности с использованием масштабируемых пристенных функций. Задачарассматривается в нестационарном режиме.Выбор методологии исследования и составление алгоритма расчета.В современных условиях исследование процессов свободной конвекцииудобно проводить с помощью специализированного программного обеспеченияCFD (computational fluid dynamics - вычислительная гидродинамика), основанногона методологии конечного объема с неструктурированной сеткой и позволяющегосоздавать геометрическую модель объекта, задавать необходимые физические,начальные и граничные условия, а так же проводить численный расчет основныхуравнений.В качестве расчетного инструмента исследования использоваласьпрограмма Ansys Fluent, имеющая высокий уровень сходимости численныхрешений и натурных измерений конвективных течений.