Анализ схем вентиляции крытого катка с помощью числовой модели воздушных потоков

В настоящее время в Российской Федерации идет интенсивное строительство объектов социально-оздоровительного назначения, в том числе крытых ледовых сооружений с искусственным покрытием, как по уникальным, так и по типовым проектам. При строительстве таких сооружений наряду с высокими требованиями к архитектурностроительным решениям и уровню комфорта предъявляются специфические требования к микроклимату, которые должны обеспечиваться системами вентиляции и кондиционирования воздуха [1– 3]. Без соответствия этим требованиям невозможно нормальное функционирование сооружения.

Одной из основных проблем при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха ледовых арен является необходимость поддержания отличающихся значений параметров внутреннего воздуха вблизи ледовой поверхности и на трибунах. Невыполнение требований к параметрам воздуха у ледовой поверхности приведет к неравномерному подтаиванию льда, искривлению его поверхности, что абсолютно недопустимо для олимпийских объектов. Кроме того, параметры воздушной среды непосредственно влияют на эмоциональное и физическое состояние зрителей и спортсменов.

В настоящее время для разработки проектов ледовых сооружений в РФ наработана нормативная и рекомендательная база, в которой максимально учтены технологические, санитарно-гигиенические и режимные аспекты для поддержания требуемых параметров микроклимата в различных зонах помещения [1, 2, 4-15]. Однако зачастую на практике на построенных согласно нормативным требованиям объектах все-таки не удается обеспечить в полной мере требуемых кондиций воздушной среды. Этот факт говорит о весьма сложной задаче и необходимости поиска новых, более эффективных методов проектирования систем обеспечения микроклимата для ледовых сооружений.

Данный вывод подтвержден исследованиями инженеров, которые с помощью методов компьютерного моделирования выполнили анализ проектных решений по воздухораспределению в таких олимпийских объектах, как Дворец зимнего спорта «Айсберг», ледовый дворец «Большой» и ледовая арена «Шайба» [16]. Проведенные исследования показали, что исходные проектные решения не обеспечивают необходимые параметры воздушной среды вблизи ледового поля и требуют соответствующей корректировки.

Предугадать распределение температуры воздуха в объеме арены с тем, чтобы учесть его при составлении проектного решения, без привлечения методов компьютерного моделирования чрезвычайно сложно, а для отдельных случаев и невозможно [3]. Рассмотренная проблема возникает при расчете не только ледовых арен, но и любых объектов, для которых характерно существенно неравномерное распределение температуры. В таких случаях методы компьютерного моделирования – это необходимый инструмент анализа и корректировки заложенных проектных решений по воздухораспределению.

Описание исследования и исходные данные

Описанные выше проблемы возникли при эксплуатации физкультурно-оздоровительного комплекса с искусственным льдом «Южный Урал» в г. Южноуральске Челябинской области. Здание было спроектировано по индивидуальному проекту в 2012 году и сдано в эксплуатацию в 2018 г.

Основные характеристики объекта: площадь ледяного покрытия 1800 м2, назначение и режим работы – круглогодичные тренировки и соревнования по игре в хоккей, а также массовое катание людей. Крытый каток вмещает в себя: в период соревнований – 476 зрителей и 50 спортсменов; в период тренировки – 50 спортсменов; в период массового катания – 100 человек.

На данном объекте после ввода его в режим полномасштабной эксплуатации были выявлены следующие основные проблемы:

• 1)    в пространстве надо льдом ощущается повышенная влажность, иногда переходящая в состояние тумана;

• 2)    наблюдается ускоренное таяние льда;

• 3)    воздухораспределительные устройства не обеспечивают равномерное распределение воздуха по ледовому покрытию.

С целью поиска путей решения данных проблем было проведено научно-практическое исследование объекта.

Цель и задачи исследования

Цель исследования: разработка мероприятий, обеспечивающих наилучшее состояние ледового покрытия и оптимальные параметры микроклимата в различных зонах крытого катка, с использованием возможностей метода компьютерного моделирования процессов.

Исходя из поставленной цели сформулированы следующие задачи:

• 1)    изучение и анализ отечественного и зарубежного опыта по созданию крытых ледовых сооружений;

• 2)    изучение объекта исследования и анализ существующих проектных решений по вентиляции;

• 3)    построение числовой компьютерной 3D- модели существующих систем воздухороспределе-

• ния ледового катка по материалам проектной документации и анализ причин возникающих проблем;

• 4)    принятие новых проектных решений на основе анализа передового зарубежного и отечественного опыта;

• 5)    проверка эффективности принятых решений с помощью новой цифровой модели воздухо-распределения и выработка рекомендаций по их внедрению.

Описание существующих решенийпо вентиляции и их анализ

Для обслуживания зала ледовой арены со- гласно проекту выполнены две системы механической приточно-вытяжной вентиляции с частичной рециркуляцией воздуха ПВ1 и ПВ2. Система ПВ1 однозональная, обслуживает только зону ледовой арены в количестве 22500 м3/ч. Система ПВ2 – двухзональная, обслуживает частично зону ледовой арены в количестве 12500 м3/ч и зону трибун в количестве 9520 м3/ч. Воздух для подачи в зону арены подогревается до tп = +14 °C, для догрева приточного воздуха, подаваемого на трибуны, до tп = +18 °C, на ответвлении воздуховода к данной зоне, установлен зональный воздухонагреватель. Для борьбы с избытками влаги предусмотрена полностью рециркуляционная система с адсорбционным осушителем DT 7500 Special производительностью 33 кг/ч. Расположение воздуховодов в данных системах в объеме ледовой арены показано на рис. 1. Для поддержания требуемой темпе- ратуры ледового поля предусмотрена компрессионная холодильная установка холодопроизводительностью 448 кВт. Расчетные температуры воздуха приняты: в зоне у поверхности льда tв.п.= +10 °C; в рабочей зоне над полем (на уровне 1,5 м от поверхности льда) tтр.= +14 °C; в зоне трибун tтр.= +18 °C.

пв

Рис. 1. Геометрическая 3D-модель систем вентиляции существующей ледовой арены

На рис. 1 приточные воздуховоды (ПВ) систем ПВ1 и ПВ2 показаны вдоль наружных стен здания, вытяжные воздуховоды (ВВ) – по центру потолка; опусками показана подача воздуха на трибуны.

С целью анализа проектных решений на соблюдение нормативных требований был выполнен проверочный расчет основных показателей проекта: необходимой мощности холодильной машины, расчет требуемых воздухообменов для зон ледовой арены в режимах соревнований, тренировки и массового катания и для зоны трибун в период соревнований и расчет избыточных влаговыделе-ний. В результате анализа получены следующие выводы:

• 1)    проверочные расчеты показали, что проектом правильно были определены все тепловые и энергетические показатели для обслуживания зоны ледовой арены, поэтому кардинальной реконструкции системы вентиляции со сменой теплового и вентиляционного оборудования не требуется;

• 2)    в зоне ледовой арены обеспечивается необходимый воздухообмен, а в зону трибун подается недостаточное количество воздуха, поэтому для обслуживания зоны трибун целесообразно предусмотреть отдельную приточно-вытяжную установку;

• 3)    результаты проверки проектных решений, подтвердили выводы [16] о необходимости более точной корректировки работы системы распределения воздушных и тепловых потоков с использованием возможностей метода компьютерного моделирования.

Особенности постановки задачи компьютерного моделирования

Использование упрощенных балансовых методов, законов формирования струйных течений и т. п. для достоверного описания поведения потоков воздуха в «чаше» ледовых арен весьма затруднено, а в большинстве случаев практически невозможно [17–19]. Обусловлено это такими особенностями, как:

• 1)    существенная неизотермичность течения струи по пространству (как по высоте, так и в горизонтальных сечениях);

• 2)    взаимодействие вынужденных потоков воздуха (приточные струи от сопел, диффузоров) и интенсивных свободно конвективных течений (потоки теплого воздуха, поднимающиеся от массива зрителей);

• 3)    необходимость учета радиационной составляющей на значительной части поверхностей, участвующих в теплообмене (поверхности льда и кровли).

Указанные особенности приводят к необходимости использования методов вычислительной гидродинамики для анализа и последующей корректировки проектных решений по воздухорас-пределению ледовых арен. Иными словами, требуется привлечение методов, основанных на численном решении системы трехмерных дифференциальных уравнений Навье - Стокса. В качестве инструмента для решения данных уравнений был выбран программный комплекс SolidWorks. Для построения модели реального распределения по- токов картины с помощью данного комплекса SolidWorks выполнены следующие действия:

• 1)    создана геометрическая 3П-модель крытого ледового катка с изображением существующих конструкций ледового поля, трибун и воздуховодов (см. рис. 1);

• 2)    на поверхностях геометрической модели заданы граничные условия: температура, скорость, напор, направление воздуха, тепловые потоки от греющих элементов и людей;

• 3)    выполнено построение 2П-эпюр скоростей и температур воздуха в различных характерных сечениях помещения.

Визуализация результатов моделирования тепловоздушных потоков при существующей работе систем вентиляции здания представлена на рис. 2-4.

Из эпюр температур на рис. 2а видно, что по поверхности льда не обеспечивается равномерное распределение температур; зона повышенной температуры (+12 °С) образуется в центре арены, а в зоне у бортов наблюдается риск выпадения конденсата, так как температура там меньше 5 °С. Из эпюр температур на рис. 2б видно, что не обеспечивается нормируемая температура на уровне обслуживаемой зоны: температура на ледовой арене (+9 ^ +13 °С), в зоне трибун (+13 ^ +16 °С).

Из эпюр скоростей воздуха на рис. 3а, б видно, что наблюдается неравномерное распределение скорости в обслуживаемой зоне, наличие застойных зоны над полем, а также превышение допустимых скоростей в зоне трибун (скорость более 0,5 м/с).

На эпюре температур рис. 4а видно, как отмечалось ранее, что не обеспечивается не равномерное распределение температур по поверхности льда и зона повышенной температуры (+12 °С) в центре арены. Из эпюры скоростей на рис. 4б видно наличие значительных застойных зон по центру катка и у бортов.

По результатам построения модели работы существующей вентиляции были сделаны следующие выводы:

• 1)    построенная компьютерная модель воздушных потоков наглядно показывает нарушение требований воздушно-теплового режима крытого катка из-за некорректного воздухораспределения потоков в помещении;

• 2)    причиной неравномерного распределения воздушных потоков является неверная трассировка воздуховодов и расположение воздухораспределителей, из-за чего скорость движения воздуха скачкообразно изменяется;

• 3)    построенная модель тепловых полей показывает, что температура воздуха в рабочей зоне и возле льда не соответствует нормам и имеется риск выпадения конденсата возле бортов, усиливающийся образованием застойных зон.

Описание новых проектных решений

Анализ построенной числовой модели потоков показал, что необходимо обеспечить более

Температура

Рис. 2. 2D-эпюра распределения температур воздуха на уровне: а – поверхности льда, б – рабочей зоны (1,5 м от поверхности льда)

Рис. 3. 2D-эпюра распределения скоростей воздуха на уровне: а – поверхности льда; б – рабочей зоны (1,5 м от поверхности льда)

Рис. 4. 2D-эпюра распределения: а – температур; б – скоростей воздуха в поперечном сечении ледовой арены соответственно

равномерное распределение температуры и скорости воздуха по помещению, для этого следует изменить конструкцию воздуховодов и воздухораспределителей. Полученные результаты позволили принять решения по внесению следующих изменений в системы вентиляции:

• 1)    осуществлять подачу приточного воздуха в зону ледовой арены и в зону трибун отдельными установками, т. е. систему ПВ2 использовать только для подачи воздуха в зону трибун, а подачу в

зону поля обслуживать только системой ПВ1 и системой осушения;

• 2)    для обслуживания зоны ледового поля в системе ПВ1 изменить трассировку воздуховодов, поменяв местами расположение приточных и вытяжных веток, и добавить дополнительные ветки приточных воздуховодов (как показано на рис. 5). Таким образом, приточные ветки (ПВ) расположить по центру (вместо вытяжных) и посредине между наружными стенами и центром потолка

  

  Рис. 5. Геометрическая модель ледовой арены с измененной конструкцией систем вентиляции

  
  

(дополнительные ветки), а вытяжные воздуховоды (ВВ) расположить вдоль наружных стен (вместо приточных), тем самым сконцентрировать подачу воздуха в центре помещения, выдавливая его к наружным стенам, согласно схеме, рекомендованной О.Я. Кокориным [1, 2];

• 3)    тщательно проработать вопрос о расположении и замене приточных воздухораспределителей на новые модели – сопловые ALAa 1-20-V фирмы Swegon – и изменении их количества до 45.

Как показали проведенные исследования, наиболее проблемным местом при проектировании оказывается организация подачи воздуха в зону ледового поля. Важная проблема состоит в том, что при выборе оборудования, например сопел, проектировщики в качестве исходных параметров для программ подбора, как правило, закладывают температуру на выходе из сопел и температуру в рабочей зоне, в данном случае вблизи ледового поля. Однако в случае ледовых арен с трибунами для зрителей это оказывается невер- ным. К воздуху над ледяным полем поступает конвективный холод от поверхности льда, который необходимо компенсировать теплым воздухом, чтобы не образовывался туман. Скорость воздуха у поверхности льда должна быть не более 0,25 м/с, температура воздуха 10 °С.

Расчеты, выполненные в специализированной программе ProAirWeb 1.0, показали, что наилучший результат воздухораспределения достигается при подаче приточного воздуха через сопла, располагаемые над ледяным полем. Распределение воздуха предложено осуществлять через 45 сопловых круглых приточных струйных диффузоров ALAa 1-20-V фирмы Swegon [20], работающих в режимах охлаждения и нагрева, с расходом воздуха 750 м3/ч через каждый диффузор. При подборе сопел особое внимание было уделено вопросу о равномерности распространения приточного воздуха, подаваемого соплами, для чего были построены графики распределения приточных струй, показанные на рис. 6а, б.

Рис. 6. Распределение приточной струи по поверхности льда: а – вид сверху, б – вид сбоку

Проверка эффективности предложенных решений

Эффективность предложенных мероприятий была проверена построением новой числовой модели воздушных и тепловых потоков.

Визуализация результатов построения этой модели представлена на рис. 7–9. Из эпюр температур на рис. 7а, 7б видно, что обеспечивается высокая степень равномерного распределения температур в диапазоне +10 °С (рис. 7а), а также что обеспечиваются нормируемые температуры воз- духа над ледовым полем (+10 °С) и в зоне трибун (+18 °С) (рис. 7б).

Из эпюр скоростей на рис. 8а, б видно, что обеспечивается требование непревышения нормируемых скоростей воздуха над ледовым полем (0,25 м/с) (рис. 8а) и в зоне трибун (0,3 м/с) (рис. 8б).

На эпюре температур рис. 9а видно, что обеспечивается равномерное распределение температур по поверхности льда +10 °С и в рабочей зоне +10 ÷ +14 °С. Из эпюры скоростей на рис. 9б видно обеспечение требуемой подвижности воздуха над по-

Рис. 7. Эпюра распределения температур на уровне: а – поверхности льда, б – рабочей зоны (1,5 м от поверхности льда)

Рис. 8. Эпюра распределения скоростей (вид сверху) на уровне: а – поверхности льда, б – рабочей зоны (1,5 м от поверхности льда)

Температура                                                                        Скорость [m/s]

Рис. 9. 2D-эпюра распределения: а – температур, б – скоростей воздуха в поперечном сечении ледовой арены соответственно

верхностью льда и в рабочих зонах, а также отсутствие застойных зон по центру катка и у бортов.

Выводы

• 1.    Проведенное исследование показало, что метод компьютерного числового моделирования тепловых и воздушных потоков позволил наглядно доказать, как после внесения предложенных изменений в конструкцию существующих систем приточно-вытяжной вентиляции можно добиться значительных улучшений параметров воздушной среды, необходимых для комфортной эксплуатации ледового сооружения.

• 2.    В результате предложенных изменений на поверхности ледового поля обеспечивается равномерное распределение температурных и скоростных полей, без резких колебаний температур и застойных зон. В различных технологических зонах обеспечиваются требуемые параметры микроклимата: в рабочей зоне ледового поля температура поддерживается на уровне t_p . ₃ . = +10 ^ 14 °С, а температура у поверхности льда - t_в . _л = +10 °С. Температура в зоне трибун поддерживается t_Tp = +18 ^ 20 °С. Также в рабочей зоне обеспечивается требуемая подвижность воздуха 0,25 м/с.

• 3.    Использование данного метода раскрывает новые границы для познания картины воздухообмена в помещениях со сложными и многообразными воздухораспределением и тепловыми потоками, а также способствует значительному повышению качества принятия проектных решений.