МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЗДУШНОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЙ ПРИ РАБОТЕ ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВЫХ ЗАВЕС
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЗДУШНОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЙ ПРИ РАБОТЕ ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВЫХ ЗАВЕС
Аннотация
Предметом исследования является тепловой и воздушный режим подземных переходов и вестибюлей, примыкающих к станциям метрополитена. Цель работы — определение предельных температур воздуха внутри переходов и оценка возможности использования удаляемого через них вытяжного воздуха в качестве источника теплоты низкого температурного потенциала для теплонасосных воздушно-тепловых завес (ВТЗ). Методология исследования базируется на численном моделировании тепловоздушного режима помещений вестибюля в программе INSOLAR-IHG, адаптированной для условий метрополитена, а также на CFD-моделировании аэродинамики и теплообмена входной группы с подземным переходом. Влияние поршневого эффекта от движения поездов и тепловыделений пассажиропотока учитывалось через принятые диапазоны граничных условий. Расчеты выполнены для режимов работы вестибюля без пассажиропотока и с пассажиропотоком, включая утренние и вечерние часы пик, а также для режимов работы ВТЗ при отрицательных температурах воздуха в переходе. Установлено, что температурный режим помещений вестибюля формируется главным образом тепловым воздействием потока вытяжного воздуха: средняя температура воздуха в помещениях составила 18,74–18,76 °С и в исследованных режимах практически не зависела от пассажиропотока и температуры наружного воздуха, а температура воздуха, удаляемого через подземный переход, устойчиво сохранялась в диапазоне 18–24 °С. Определены предельные параметры и технологические требования к теплонасосным ВТЗ, их оборудованию и режимам эксплуатации. По предварительной оценке, основанной на температурном режиме удаляемого воздуха, экономия энергии при реализации предложенного технического решения может составить 60–70%.
1. Введение
Воздушно-тепловые завесы (ВТЗ) являются важной составляющей системы обеспечения комфортного микроклимата и выступают не столько отопительным, сколько энергосберегающим, защитным оборудованием, предназначенным для разделения воздушных зон в технологическом кондиционировании. Наиболее актуально применение ВТЗ в местах с большим потоком проходящих людей, например в вестибюлях метрополитена, а также там, где существует аналогичная технологическая необходимость. Использование воздушно-тепловых завес в аэропортах, на вокзалах, в метрополитене, крупных супермаркетах и производственных помещениях позволяет эффективно сохранять внутренний микроклимат зданий.
К исследованиям в области применения ВТЗ сегодня приковано внимание специалистов разных стран. Одно из первых исследований воздушных завес было выполнено Г. Хетсрони и К. Холлом
, которые экспериментально изучили механизм распределения воздуха, проходящего через завесу, и предложили аналитические выражения для количественной оценки теплопередачи через ВТЗ. Позднее Ф. Хейс и У. Стокер представили подробное описание перепадов давлений различной природы, которые необходимо учитывать при проектировании воздушных завес. В литературе известен ряд полуаналитических моделей, устанавливающих количественное влияние свойств струи на производительность ВТЗ, одна из последних аналитических моделей была разработана К. Сиреном , . Эта модель позволила рассмотреть точку удара струи о поверхность пола и предоставила информацию, необходимую для проектирования вертикальных воздушных завес.В исследовании Д. Карлсона и др. была оценена эффективность трех серийных воздушных завес, установленных в дверных проемах моделируемого самолета, с точки зрения защиты от летающих насекомых. Измерения показали, что при работающих агрегатах более 97% комаров и 98% мух не могут попасть внутрь. Авторы отмечают, что завесы, обеспечивающие скорость воздушной струи ниже 2 м/с, не дают надежной защиты, тогда как для промышленных целей, где достаточным считается уровень защиты порядка 70%, может быть достаточной скорость струи выше 4 м/с, дополнительный занос насекомых при пересечении дверей пешеходами, по мнению авторов, неизбежен.
Х. Харамильо и др.
выполнили детальное численное исследование камеры нагнетания и выпускной струи воздушной завесы с помощью осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, подробно изучив турбулентную структуру потока. Развитием этих работ стал усовершенствованный полуаналитический метод прогнозирования эффективности воздушных завес, предложенный той же исследовательской группой . В отличие от модели Сирена, метод учитывает эффект уноса воздуха через незащищенную боковую область, а также дает более подробное описание струйного течения, эволюция скорости вниз по потоку учитывает потенциальное ядро, развитую зону и прилегающую область. Проверка математической формулировки проводилась сравнением с экспериментальными измерениями и CFD-моделированием с использованием метода крупных вихрей (LES). Расчеты согласуются как с экспериментами, так и с результатами LES. Выполненные параметрические исследования показали рост эффективности завесы при увеличении ширины двери и (или) уменьшении ширины сопла, а также при увеличении скорости ветра и разности температур внутреннего и наружного воздуха. Среди российских исследователей необходимо выделить А. С. Стронгина, разработавшего наиболее полную методику проектирования и оценки эффективности воздушно-тепловых завес .В настоящей работе тепловой режим станционных вестибюлей Московского метрополитена рассматривается с точки зрения использования удаляемого через них вытяжного воздуха в качестве источника теплоты низкого потенциала для теплонасосных воздушно-тепловых завес. В соответствии с нормативными требованиями к метрополитенам вентиляция метрополитена должна обеспечивать не менее чем трехкратный воздухообмен в час по внутреннему объему пассажирских помещений и не менее 30 м³/ч наружного воздуха на одного пассажира, а в часы пик до 50 м³/ч. Ключевой проблемой при этом является необходимость удаления, в том числе через входные и выходные двери вестибюлей, избыточной тепловой энергии, выделяющейся при эксплуатации метрополитена. Условия вентиляции метрополитена в целом и режимы работы ВТЗ в частности в значительной степени обусловлены поршневым эффектом от движения поездов, мгновенное увеличение потока воздуха через ВТЗ, вызванное поршневым эффектом, может достигать 50% . Вопросы моделирования воздухообмена и теплового баланса в тоннелях метрополитена рассматривались авторами ранее в работах
, .Анализ опубликованных данных натурных наблюдений за микроклиматом на платформах и в вестибюлях станций Московского метрополитена выявил следующее. Температурный режим станций и вестибюлей в значительной мере зависит от температуры наружного атмосферного воздуха, причем станции мелкого заложения более подвержены этому влиянию, чем станции глубокого заложения. Сезонные колебания температуры внутреннего воздуха на станциях и в вестибюлях имеют существенно меньшую амплитуду, чем колебания температуры наружного воздуха. Температура воздуха в вестибюлях станций как в зимнее, так и в летнее время несколько выше, чем на платформе, поступающий из тоннелей воздух дополнительно нагревается за счет тепловыделений пассажиров, а затем удаляется наружу через входы-выходы станционных вестибюлей. Таким образом, температура воздуха в вестибюлях в целом соответствует нормативным требованиям, за исключением отдельных станций, для которых температура зимой существенно завышена по отношению к нормативу 16 °С, установленному с учетом нахождения пассажиров зимой в верхней (сезонной) одежде.
Существенным фактором, определяющим тепловой режим кассовых залов и прилегающих к ним помещений, включая тамбуры с ВТЗ, является поток вытяжного воздуха, удаляемого через вестибюли (около 20% объема приточного воздуха). Целью настоящей работы являются определение предельных температур воздуха внутри подземных переходов, примыкающих к вестибюлям станций, и оценка возможности использования этого воздуха в качестве источника теплоты низкого температурного потенциала для теплонасосного оборудования воздушно-тепловых завес.
2. Методы и принципы исследования
Для численного моделирования параметров микроклимата кассовых залов и примыкающих к ним помещений, обслуживаемых тепловыми завесами, был определен расчетный участок станции длиной 82 м (половина станции с одним вестибюлем). Станционный и перегонные тоннели на этом участке заменялись одним эквивалентным тоннелем с внутренним диаметром 11,31 м, расположенным на средней глубине 15 м от поверхности грунта до центра тоннеля. Удаление теплоизбытков со станции осуществляется через вестибюль. Осредненный за сутки расчетный объем приточного наружного воздуха, подаваемого в тоннель, составлял от 20 до 35 тыс. м³/ч. Основные геометрические параметры расчетного участка станции с вестибюлем и принятые исходные данные приведены в табл. 1.
Основные геометрические параметры расчетного участка станции с вестибюлем и принятые исходные данные
Наименование параметра | Ед. изм. | Значение |
Длина станции | м | 164 |
Ширина выработки | м | 20,45 |
Площадь поперечного сечения станции | м² | 100,38 |
Средняя глубина заложения расчетного участка станции (от поверхности земли до центра станционного тоннеля) | м | 15,00 |
Длина расчетного участка станции | м | 82,00 |
Внутренний диаметр эквивалентного тоннеля | м | 11,31 |
Расстояние между осями тоннелей | м | 14,9 |
Периметр поперечного сечения эквивалентного тоннеля | м | 35,52 |
Толщина обделки тоннеля | м | 0,25 |
Площадь внутренней поверхности теплообмена станции на расчетном участке | м² | 2912,02 |
Среднемесячный расчетный расход приточного наружного воздуха, приведенный к расчетному участку станции и учитывающий раздачу приточного воздуха в два вестибюля | тыс. м³/ч | 20,00-35,00 |
Объемный вес приточного воздуха | кг/м³ | 1,30 |
Количество дверей (0,8×2,2 м) в дверном проеме входной/выходной группы одного вестибюля | шт. | 6 |
Количество тепловых завес в одном вестибюле | шт. | 2 |
Тепловая мощность одной ВТЗ | кВт | 95,2 |
Расход воздуха, подаваемого завесой | тыс. м³/ч | 10 |
Теплоемкость приточного воздуха | кДж/(кг·°С) | 1,00 |
Скорость движения воздуха в тоннеле | м/ч (м/с) | 2000 (0,56) |
Теплопроводность грунта по горизонтали | Вт/(м·°С) | 1,00 |
Теплопроводность грунта по вертикали | Вт/(м·°С) | 1,00 |
Коэффициент теплопередачи с поверхности грунта | Вт/(м²·°С) | 20,00 |
Теплоемкость грунта | Вт·ч/(кг·°С) | 0,80 |
Объемный вес грунта | кг/м³ | 2400,00 |
Численное моделирование тепловоздушного режима помещений вестибюля проводилось с помощью адаптированной для условий метрополитена программы INSOLAR-IHG, разработанной авторами
. Расчетная схема вестибюля с расположенными в нем кассовым залом, входной/выходной группой с ВТЗ и подземным переходом приведена на рисунке 1. Воздух в объеме 20 000 м³/ч (скорость потока 0,185 м/с) поступает в помещения вестибюля со стороны платформы; средняя скорость воздуха на входе в зону ВТЗ составляет 0,5 м/с. В принципе, на некоторых станциях через вестибюль удаляется до 35 тыс. м3 воздуха в час, но этот вариант является «более» щадящим для ВТЗ, поэтому для проведения расчетов был принят минимальный расход удаляемого через вестибюль воздуха, в этом варианте влияние тепловых завес еще меньше. С учетом особенностей ввода данных в программе INSOLAR-IHG тамбур с тепловыми завесами аппроксимировался протяженным коридором, по которому протекает воздушный поток с расходом, равным расходу воздуха через ВТЗ, 9900 м³/ч (в табл. 1 округленно 10 тыс. м³/ч).
Расчетная схема помещений вестибюля станции метрополитена
Для случаев, когда оснащенные ВТЗ двери кассового зала выходят непосредственно на улицу или в подземный переход, не имеющий дверей на выходе, выполнена серия расчетов аэродинамики и теплообмена входной группы при температуре воздуха внутри перехода до -5 °С. В качестве базовой модели выбрана наиболее распространенная и применяемая в настоящее время при проектировании метрополитена в Москве входная группа вход/выход через подземный переход, за основу принят вход станции «Румянцево» . Высота потолка входа 3,5 м, ширина 5,9 м, расстояние до дверного узла 5,0 м; дверной узел состоит из четырех типовых дверей, сгруппированных в две линии, расстояние между линиями дверей 2,5 м (конкретная входная группа, в отличие от осредненной конфигурации дверного проема вестибюля с шестью дверями, принятой в системной модели, (см. табл. 1)). Расчеты выполнялись в CFD-пакете ANSYS R15.0, геометрия расчетной модели с линиями тока воздуха приведена на рисунке 2.
Геометрия расчетной модели входной группы с линиями тока воздуха
3. Основные результаты
По результатам моделирования вестибюля получено распределение векторов скоростей воздушных потоков в его помещениях. Воздушный поток, поступающий со стороны станции, проходит через кассовый зал и зону ВТЗ и удаляется наружу через подземный переход, наибольшие скорости движения воздуха наблюдаются в зоне дверных проемов с ВТЗ, где формируются локальные вихревые течения, тогда как в объеме кассового зала поле скоростей близко к равномерному.
Интегральные показатели, полученные для вариантов без учета и с учетом пассажиропотока, сопоставлены в таблице 2. Учет пассажиропотока изменил среднюю температуру воздуха в помещениях лишь на 0,02 °С, а удельные тепловые потоки на 2,65 Вт/м² (около 1,2% по тепловыделениям и 0,16 % по потоку, удаляемому с вентиляционными выбросами), при заданном вентиляционном расходе пассажиропоток влияет преимущественно на локальную структуру температурного поля, практически не меняя интегральных показателей.
Сопоставление интегральных показателей теплового режима помещений вестибюля
Показатель | Ед. изм. | Без учета пассажиропотока | С учетом пассажиропотока |
Средняя температура воздуха в помещениях вестибюля за период расчета | °С | 18,74 | 18,76 |
Средние удельные тепловыделения за расчетный период | Вт/м² | 227,76 | 230,41 |
Средний удельный тепловой поток, удаляемый с вентиляционными выбросами | Вт/м² | 1660,83 | 1663,48 |
Удельные тепловыделения, сохраненные в помещении | Вт/м² | 6,76 | 6,77 |
Распределение температур внутреннего воздуха для варианта без учета пассажиропотока представлено на рисунке 3, а: температура воздуха в кассовом зале сохраняется на уровне 17 °С, в зоне действия струй ВТЗ достигает 24–27 °С, а в подземном переходе, через который удаляется вытяжной воздух, устанавливается в диапазоне 18–24 °С. Соответствующее распределение для варианта с учетом пассажиропотока приведено на рис. 3, б: поля температур, полученные для утреннего и вечернего часов пик при единовременном присутствии в помещениях порядка 600 человек, практически не отличаются от приведенных на рис. 3, б: температура воздуха в кассовом зале удерживается на уровне 17 °С, а в подземном переходе — в диапазоне 18–24 °С; в утренний час пик непосредственно у входного проема наблюдается локальное понижение температуры до 9–15 °С, а в вечерний час пик — локальное повышение до 25–26 °С в зоне скопления пассажиров.
Распределение температур воздуха (°С) в помещениях вестибюля:
а) без учета пассажиропотока, б) с учетом пассажиропотока в течение дня
Моделирование входной группы выполнено при следующих исходных условиях: скорость воздуха на входе в пешеходный переход 3 м/с при температуре -3 °С, двери открыты наполовину, скорость воздуха на выходе из ВТЗ 8–10 м/с при температуре +50 °С; избыточное давление со стороны кассового зала отсутствует. Из указанных выше диапазонов давления и скорости, подробно представлен именно этот режим, остальные расчетные точки диапазонов в настоящей статье не приводятся. Распределения температуры и скоростей воздушных потоков представлены на рис. 4 и 5.
Распределение температуры воздушных потоков в зоне дверного узла с ВТЗ
Распределение скоростей воздушных потоков в зоне дверных групп
Выполненное численное моделирование и анализ его результатов позволили определить предельные параметры и технологические требования к ВТЗ, оснащенным теплонасосным оборудованием и использующим низкопотенциальную теплоту вытяжного воздуха, удаляемого через вестибюли станций метрополитена (см. табл. 3).
Предельные параметры и технологические требования к теплонасосным ВТЗ, их оборудованию и режимам эксплуатации
* – в качестве источника тепловой энергии низкого потенциала используется воздух подземного перехода. В случае использования теплонасосной ВТЗ для охлаждения кассового зала в летнее время целесообразно рассмотреть возможность использования в качестве низкопотенциального источника теплоты воздуха кассового зала
Наименование параметра | Ед. изм. | Значение |
Теплопроизводительность тепловой завесы | кВт | 50-100 |
Теплопроизводительность теплонасосного оборудования | кВт | 50-100 |
Расход воздуха, подаваемого тепловой завесой | тыс. м³/ч | 8-10 |
Температура воздуха на выходе из ВТЗ: – в режиме нагрева – в режиме охлаждения | °С |
35-40 18-20 |
Относительная влажность воздуха на входе в ВТЗ | % | 60-80 |
Температура воздуха на входе в ВТЗ: – в режиме нагрева – в режиме охлаждения | °С |
10 25 |
Температура воздуха, используемого в качестве источника тепловой энергии низкого потенциала* | °С | 10 |
Температура кипения паров хладагента | К | 278 |
Температура конденсации паров хладагента | К | 328 |
Основные режимы работы: |
|
|
– зимнее время | – | нагрев воздуха с возможностью одновременного охлаждения кассового зала или технологических помещений |
– летнее время | – | охлаждение тамбура с ВТЗ или технологических помещений со сбросом тепловой энергии с конденсаторов в подземный переход или на улицу |
Холодопроизводительность | кВт | 35-70 |
4. Обсуждение
Результаты моделирования свидетельствуют о том, что поток вытяжного воздуха, удаляемого через вестибюли, представляет собой устойчивый источник теплоты низкого потенциала, температура воздуха в подземном переходе сохраняется в диапазоне 18–24 °С в течение всего времени работы станции и в исследованных режимах практически не зависит ни от интенсивности пассажиропотока, ни от температуры наружного воздуха. Принятая в табл. 3 расчетная температура источника (10 °С) назначена с запасом по отношению к этому диапазону, что обеспечивает стабильные условия работы испарителей теплонасосного оборудования.
Вместе с тем моделирование входной группы выявило ограничение существующих схем ВТЗ: струя завесы не перекрывает полностью сечение дверного проема, вследствие чего часть холодного воздуха прорывается в кассовый зал. Поскольку параметры прорывающегося потока (скорость не более 1,9 м/с, температура +11 °С) удовлетворяют требованиям подогрева, задача завесы в рассматриваемых условиях сводится не к полному отсечению проема, а к гарантированному догреву прорывающегося воздуха, эти условия учтены при формировании технологических требований к теплонасосным ВТЗ, приведенных в табл. 3.
Предусмотренные режимы работы теплонасосных ВТЗ, такие как: нагрев воздуха в зимнее время с возможностью одновременного охлаждения кассового зала или технологических помещений и охлаждение тамбура с ВТЗ в летнее время со сбросом теплоты конденсации в подземный переход или наружу, обеспечивают круглогодичное использование оборудования и повышают энергетическую эффективность технического решения в целом.
5. Заключение
Представленные, в настоящей статье результаты исследований, подтвердили возможность использования вытяжного воздуха вестибюлей Московского метрополитена в качестве источника тепловой энергии низкого потенциала для теплонасосных воздушно-тепловых завес. Численное моделирование показало, что температура воздуха, удаляемого через подземные переходы, устойчиво сохраняется в диапазоне 18–24 °С и в исследованных режимах практически не зависит от пассажиропотока и температуры наружного воздуха, а параметры прорывающегося в кассовый зал воздуха (скорость не более 1,9 м/с, температура +11 °С) удовлетворяют требованиям подогрева прорывающегося воздуха. Определены предельные параметры и технологические требования к теплонасосным ВТЗ, их оборудованию и режимам эксплуатации. Судя по температурному режиму вытяжного воздуха, удаляемого через ВТЗ, экономия энергии при реализации этого технического решения может составить, по предварительной оценке, 60–70%.