CFD моделирование воздушного отопления каркасного дома

В этом примере моделируем различные схемы подачи теплого воздуха в помещение для воздушного отопления каркасного дома. Поехали!

Тузовский Михаил 23 марта 2020

Исходные данные

Моделируем каркасный дом Шелтер.

Особенностью данного каркасного дома является наличие панорамного остекления.

Площадь 37м2. Объем 93м3. Высота потолков 2.5 метра.

Пиковая тепловая нагрузка 3.4 кВт (Ткомнаты=+21 С, Тулицы=-35С).

Расход воздуха для отопления 180м3/ч (Твоздуха = +78* [3]).

Подача воздуха - два прямоугольных воздухораспределителя 200ммx55мм, площадь по 0.011 м2 каждый, скорость 2.3м/с.

Забор воздуха - один прямоугольный воздухораспределитель 300ммх100мм, площадь 0.03 м2, скорость 1.7м/с.

Постановка задачи

Произвести расчет воздушного отопления для следующих схем подачи | забора воздуха:

Подача - стена сверху | Забор - стена сверху.
Подача - стена сверху | Забор - стена снизу.
Подача - стена снизу | Забор - стена снизу.
Подача - пол | Забор - стена снизу.
Подача - потолок | Забор - стена снизу.

Для каждой схемы воздушного отопления определить* [4]:

Равномерность распределения приточного воздуха - ADPI (Air Diffusion Performance Index) - % объема помещения, где скорость воздуха ниже 0.35 м/с и перепад температуры относительно средней температуры в помещении находится в диапазоне от -1.7С до +1.1С.
Степень дискомфорта - PPD (Predicted Percent Dissatisfied) - % людей, которые чувствуют себя слишком холодно или слишком тепло в помещении.

Моделирования воздушного отопления на симуляторе CFD

Численное моделирование воздухораспределения CFD проводилось в программе Solidworks.

Основное влияние на распределение воздуха при воздушном отоплении оказывают гравитационные силы, возникающие за счет разности плотностей воздуха в струе и в помещении [1].

Вариант 1. Подача - стена сверху | Забор - стена сверху

Равномерность ADPI =25.7% / Дискомфорт PPD=87.2%

Видно, что подача воздуха настилающимися на потолок струями увеличивает дальнобойность струи (эффект Коанда). Однако теплый воздух остается в верхней зоне помещения и не прогревает помещение.

Не рекомендуется - холодно.

CFD моделирование движения воздуха при отоплении каркасного дома подача сверху забор сверху

Визуализация движения воздуха: Подача - стена сверху | Забор - стена сверху

CFD моделирование Срезы температуры и степени дискомфорта PPD вариант 1

Срезы температуры и степени дискомфорта PPD: Подача - стена сверху | Забор - стена сверху

Вариант 2. Подача - стена сверху | Забор - стена снизу

Равномерность ADPI =24.7% / Дискомфорт PPD=57.8%

Забора воздуха в нижней зоне снижает степень дискомфорта по сравнению с вариантом 1. Однако теплый воздух скапливается в верхней зоне помещения и не прогревает нижнюю зону.

Не рекомендуется - недогрев нижней зоны.

CFD моделирование движения воздуха при отоплении каркасного дома подача сверху забор снизу

Визуализация движения воздуха: Подача - стена сверху | Забор - стена снизу

CFD моделирование Срезы температуры и степени дискомфорта PPD вариант 2

Срезы температуры и степени дискомфорта PPD: Подача - стена сверху | Забор - стена снизу

Вариант 3. Подача - стена снизу | Забор - стена снизу

Равномерность ADPI =23.5% / Дискомфорт PPD=60.1%

Видно, как приточный теплый воздух всплывает к потолку. Степень дискомфорта примерно как и в варианте 3. Нижняя зона прогревается немного лучше.

Не рекомендуется - дискомфорт 60%.

CFD моделирование движения воздуха при отоплении каркасного дома подача снизу забор снизу

Визуализация движения воздуха: Подача - стена снизу | Забор - стена снизу

CFD моделирование Срезы температуры и степени дискомфорта PPD вариант 3

Срезы температуры и степени дискомфорта PPD: Подача - стена снизу | Забор - стена снизу

Вариант 4. Подача - пол | Забор - стена снизу

Равномерность ADPI =27.5% / Дискомфорт PPD=58%

Видно, как приточный воздух поднимается вдоль окна к потолку, и там накапливается, нижняя зона не успевает нагреться.

Данный вариант можно оптимизировать снизив скорость подачи воздуха, увеличив площадь подающей решетки (вдоль окна).

CFD моделирование движения воздуха при отоплении каркасного дома подача пол забор снизу

Визуализация движения воздуха: Подача - пол | Забор - стена снизу

CFD моделирование Срезы температуры и степени дискомфорта PPD вариант 4

Срезы температуры и степени дискомфорта PPD: Подача - пол | Забор - стена снизу

Вариант 5. Подача - потолок | Забор - стена снизу

Равномерность ADPI =24.9% / Дискомфорт PPD=46.3%

Видно, как струя приточного воздуха под действием гравитационных сил всплывает к потолку. Вариант с наименьшим дискомфортом.

Данный вариант можно оптимизировать повысив скорость струи, уменьшив площадь подающей решетки.

CFD моделирование движения воздуха при отоплении каркасного дома подача потолок забор снизу

Визуализация движения воздуха: Подача - потолок | Забор - стена снизу

CFD моделирование Срезы температуры и степени дискомфорта PPD вариант 5

Срезы температуры и степени дискомфорта PPD: Подача - потолок | Забор - стена снизу

Результаты

Варианты 1, 2, 3 не рекомендуются для воздушного отопления.
Вариант 4, 5 требуют оптимизации для достижения степени дискомфорта PPD < 30%.
Оптимизация варианта 4 с подачей воздуха снизу вверх, требует снижения скорости и использует гравитацию.
Оптимизация варианта 5 с подачей воздуха сверху вниз, требует увеличение скорости и борется с гравитацией. Вариант 5 рекомедован для воздушного отоплении в указании Арктос [1].
Продолжение расчетов с оптимизацией вариантов смотртие по ссылке [5].
Все варианты не обеспечивают равномерность распределения приточного воздуха ADPI >60% при расходе воздуха 180м3/ч.
Для достижения целевых параметров PPD и ADPI рекомендуется рассчитать варианты с увеличенным расходом воздуха.

Результаты CFD моделирования воздушного отопления каркасного дома

Список литературы

Указания по расчету и применению воздухораспределителей. Арктос. 2018.
ГОСТ 32548-2013. Вентиляция зданий. Воздухораспределительные устройства. Общие технические условия.
СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха
ГОСТ 30494-2011. Параметры микроклимата в помещениях
Оптимизация системы воздушного отопления каркасного дома - CFD моделировани