Имитационное моделирование температурных полей в жилом помещении с различными отопительными приборами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Мурманский арктический государственный университет"

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЖИЛОМ ПОМЕЩЕНИИ С РАЗЛИЧНЫМИ ОТОПИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

Е.А. Сотников, К.С. Музыченко, И.Н. Морозов

г. Апатиты

Согласно федеральному закону № 261-ФЗ, уменьшение энергопотребления зданиями является одним из основных приоритетов в проектировании и эксплуатации с.о. (систем отопления). Требования к энергетической эффективности зданий, конструкций и сооружений, являются предметом рассмотрения один раз в пять лет. Основная задача для сохранения энергии - это принятие мер, направленных на уменьшение количества расходуемой энергии, при сохранении соответствующего положительного влияния.

Рассчитать потери тепла возможно из уравнения стационарного теплового баланса. Тепловой баланс помещения находятся из уравнения:

Qком = Qогр + Qвоз - Qбыт, Вт,

где Q_ком - потери тепла в комнате, Вт;

Q_огр - потери тепла через ограждения, Вт;

Q_воз - затраченная теплота на нагрев свежего воздуха, Вт;

Q_быт - тепловыделения от всех источников (не включая систему отопления) в комнате, Вт.

В жилых помещениях обязательно наличие естественной вентиляции: забор воздуха должен осуществляется через щели стен, окна, клапаны. Вытяжка осуществляется из мест наибольшего загрязнения воздуха (кухни, ванные, туалеты).

От температуры наружного воздуха зависит воздухообмен вентиляционных систем зданий. Расход свежего и удаляемого воздуха возрастает при снижении температуры [1]. При проектировании систем вентиляции нужно проводить расчет систем вентиляции для однократного воздухообмена.

Основной метод в исследовании микроклимата, а также отопительных и вентиляционных систем - это использование математических методов. Тем не менее, для таких исследований, информация является весьма ограниченной.

Анализ литературы показывает, что выполненные изучения распределения температурных и скоростных полей в помещениях основаны на следующих принципах:

• температура и скорость воздуха представляют собой стационарные поля;

• передача тепла между отопительным прибором, ограждающими конструкциями, и воздухом описана без разделения на составляющие.

В реальной жизни же распределение температур и скоростей воздуха в помещении имеет более сложную структуру [2].

Метод численного моделирования в среде Matlab используется для изучения особенностей распределения температурных и скоростных полей в помещении с вентиляцией через вентиляционные клапаны и приборами отопления разного типа (конвектор и радиатор). Решение гидродинамических уравнений предоставляет информацию о распределении температуры и скорости воздуха в исследуемом объеме. Решение нестационарной задачи позволяет оценить временные закономерности изменения температуры и скорости воздуха в различных зонах в отапливаемом пространстве.

Имитация работы приборов отопления в помещении производилась из расчета следующих условий:

-25 °С - температура воздуха на улице;

+21 °С - температура воздуха внутри помещения;

95/70 °С - температура в подающем и обратном трубопроводе двухтрубной системы отопления.

Конвектор представляет собой модель в виде прямоугольного блока. Из верхней части устройства выходит струя нагретого воздуха. Параметры струи удовлетворяют условию, что компонент конвекции вносит вклад - 94%. Остальная часть теплового потока смоделирована как излучающая составляющая теплообмена от нагретого корпуса прибора.

Радиатор, также как и конвектор, смоделирован как прямоугольный блок. тепловой энергия сооружение уравнение

Радиатор заполнен материалом со специально подобранными характеристиками. Радиатор выдает полный тепловой поток из расчета, что составляющие равны: 50% - конвективная составляющая и 50% - радиационная составляющая.

Свежий воздух, с помощью двух щелевых приточных клапана, расположенных в верхней части окна, поступает в помещение. Удаление воздуха из помещения осуществляется через зазор под закрытой дверью. В помещении обеспечивается однократный воздухообмен.

Результаты ниже показывают эффект работы отопительных приборов разного типа (радиаторы и конвекторы) на изменение параметров микроклимата в помещении с вентиляцией с помощью впускных клапанов.

Начальная температура воздуха в помещении, принимается +15 °С.

Во время моделирования температуры воздуха контролировались в четырех контрольных зонах:

• зоны 1 и 3 находятся на высотах 1,7 м от низа комнаты и на расстояниях от стены, 2 и 4 м;

• зоны 2 и 4 находятся на высотах 0,5 м от низа комнаты и на расстояниях от окна, 2 и 4 м.

Рис. 1. Расчетная схема (разрез) помещения и расположения зон контроля температуры.

Разогрев помещения осуществляется при закрытых клапанах притока воздуха:

• после того, как был включен конвектор температура в верхней части контроля (точках 1 и 3) достигает 28 °С в течение 10 минут; в нижних точках (2 и 4) температура достигает 23 °С за 13 минут;

• температура в верхних точках достигла 28 °С за 30 минут при нагревании воздуха в комнате радиатором; в нижних контрольных точках (2 и 4) при нагревании радиатором температура выше, чем при нагревании конвектором, на 3 °С.

Для иллюстрации работы отопительных приборов покажем температурные поля и модули скорости после 49 минут после начала эксперимента.

Рис. 2а) Распределение температур по сечению комнаты (при работе радиатора);

Рис. 2б) Распределение температур по сечению комнаты (при работе конвектора).

Когда конвектор работает, температурное поле более равномерно по сравнению с радиатором (Рис. 3). Ясно можно проследить конвективную струю от конвектора, которая предотвращает проникновение воздуха из вне помещения (Рис. 2б). Если рассматривать сечение комнаты по клапану, то можно заметить, что поток холодного воздуха не доходит до пола.

Как можно заметить из рисунка 5: поступающий воздух от клапана попадает в нижнюю зону (при работе радиатора); зона нижней части комнаты имеет температуру менее 20 °С. Так же в данной зоне наблюдается большая, по сравнению с конвектором, подвижность воздуха, модуль скорости равен 0,2-0,3 м/с. Более высокие значения скорости наблюдаются в центре нижней части комнаты (Рис. 4).

Рис. 3. Распределение температур по сечению клапана: а) - при работе радиатора; б) - при работе конвектора.

Рис. 4. Распределение скоростей воздуха в сечении по центру комнаты: а) - радиатор; б) - конвектор.

Рис. 5. Распределение скоростей воздуха в сечении комнаты по центру клапана: а) - радиатор; б) - конвектор.

Из клапана вырывается холодный воздух (при работе радиатора) который застилает практически полностью 2 - метровое пространство, расположенное около окна (Рис. 5а). Так же необходимо отметить, что поток воздуха достигает до пола. Поток воздуха, в непосредственной близости от пола имеет скорость 0,4 м/с. Нагретая конвективная струя (при работе конвектора) предотвращает спускание свежего воздуха из клапана к нижней зоне комнаты.

Вывод

1. В зависимости от типа прибора (радиатор или конвектор) наблюдается различное формирование полей температуры и скорости воздуха в помещении.

2. Сравнивая поля температур и скоростей воздуха можно сделать вывод, что когда работает конвектор (т.е. преобладает конвективная составляющая), то поля скорости и температуры воздуха в помещении более однородны, по сравнению с радиатором.

3. Конвективная струя от конвектора поддерживает температуру постоянной в нижней зоне помещения в течении большего промежутка времени, по сравнению с радиатором.

Литература

1. Бройда В.А. Экономия тепловой энергии за счет стабилизации расхода естественной вытяжной вентиляции // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. №10(646). С. 54-58.

2. Костин В.И., Мухин А.И. Влияние лучисто-конвективного теплообмена внутри помещения на температурные поля ограждающих конструкций/научное издание // Известия вузов. Строительство. 2003. №6(534). С. 55-59.

Размещено на Allbest.ru