Оптимизация системы воздушного отопления каркасного дома - CFD моделирование

Сегодня оптимизируем систему воздушного отопления при подаче воздуха сверху вниз и снизу вверх на примере каркасного дома. Поехали!

Михаил Тузовский 27 марта 2020

CFD simulation forced air heating velocity isosurface

CFD-моделирование. Изоповерхность - скорость воздуха 0.2 м/с

Исходные данные для расчета воздушного отопления

Этот расчет является продолжением примера: CFD-моделирование 5 вариантов воздушного отопления [1].

Снова 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).

По сравнению с примером [1]:

Увеличиваем расход воздуха для отопления с 180м3/ч до 360м3/ч.
Снижаем температуру подаваемого воздуха с +78С до +49С.
Подача воздуха сверху вниз - два прямоугольных воздухораспределителя 200ммx55мм, площадь по 0.011 м2 каждый, скорость 4.5м/с.
Подача воздуха снизу вверх - два прямоугольных воздухораспределителя 1500ммx33мм, площадь по 0.0495 м2 каждый, скорость 1м/с.
Забор воздуха - один прямоугольный воздухораспределитель 300ммх200мм, площадь 0.06 м2, скорость 1.7м/с.

Постановка задачи

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

Подача - пол | Забор - стена сверху. Сравнить с вариантом 4 [1].
Подача - потолок | Забор - стена сверху. Сравнить с вариантом 5 [1].

Для каждой схемы воздушного отопления определить:

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.
Скорость движения воздуха в обслуживаемой зоне - пространство в помещении, ограниченное плоскостями, параллельными полу и стенам: на высоте 0,1 и 2,0 м над уровнем пола, на расстоянии 0,5 м от внутренних поверхностей наружных и внутренних стен, окон и отопительных приборов [2]. Норма скорости не более 0.2 м/с [3].

Моделирования воздушного отопления на симуляторе CFD

Численное моделирование воздухораспределения CFD проводилось в программе Solidworks.

1. Подача - пол | Забор - стена снизу

Равномерность ADPI =29.7% | Дискомфорт PPD=44.1%

Уменьшили скорость воздуха с 2.3м/с (вариантом 4 [1]) до 1м/с изменив площадь подающей решетки.

Равномерность ADPI стала лучше: 29.7% вместо 27.5% .

Дискомфорт PPD снизился: 44.1% вместо 58%.

Скорость воздуха в обслуживаемой зоне - есть небольшая зона с превышением скорости 0.2м/с.

CFD simulation forced air heating air movement visualization v1

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

CFD simulation faced air heating PPD visualization V1

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

CFD simulation forced air heating velocity isosurface V1

Скорость воздуха в обслуживаемой зоне. Изоповерхность - 0.2 м/с. Подача - пол | Забор - стена снизу

2. Подача - потолок | Забор - стена снизу

Равномерность ADPI =18.8% | Дискомфорт PPD=42.1%

Увеличили скорость с 2.3м/с (вариантом 5 [1]) до 4.5 м/с.

Равномерность ADPI ухудшилась: 18.8% вместо 24.9%.

Дискомфорт PPD снизился: 42.1% вместо 46.3%.

Скорость воздуха в обслуживаемой зоне - есть значительная зона с превышением скорости 0.2м/с.

CFD simulation forced air heating air movement visualization v2

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

CFD simulation faced air heating PPD visualization V2

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

CFD simulation forced air heating velocity isosurface V2

Скорость воздуха в обслуживаемой зоне. Изоповерхность - 0.2 м/с. Подача - потолок | Забор - стена снизу

3. Бонус вариант: Подача - пол вдоль всего окна | Забор - стена снизу

Интересно посмотреть, как измениться вариант 1, если подающую решетку расположить вдоль всей поверхности окон.

Равномерность ADPI =55.3% | Дискомфорт PPD=49%

Скорость подачи воздуха из решеток 0.32м/с.

Равномерность ADPI улучшилась: 55.3% вместо 29.7% (вариант 1 выше).

Дискомфорт PPD увеличился: 49% вместо 42.1%.

Скорость воздуха в обслуживаемой зоне - есть небольшая зона с превышением скорости 0.2м/с.

CFD simulation forced air heating air movement visualization v3

Визуализация движения воздуха: Подача - пол вдоль всего окна | Забор - стена снизу

CFD simulation faced air heating PPD visualization V3

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

CFD simulation forced air heating velocity isosurface V3

Скорость воздуха в обслуживаемой зоне. Изоповерхность - 0.2 м/с. Подача - пол вдоль всего окна | Забор - стена снизу

Результаты оптимизации воздушного отопления каркасного дома

Проведен анализ влияния расхода воздуха, скорости воздуха и схемы подачи воздуха на параметры комфорта помещения.
Увеличение расхода с 180м/с до 360м/с в целом имеет положительный эффект.
При подаче воздуха сверху-вниз, увеличение скорости подачи воздуха снижает дискомфорт PPD (44.1% вместо 58%), однако и снижает равномерность распределения воздуха ADPI (18.8% вместо 24.9%). Так же есть вероятность акустического дискомфорта.
При подаче воздуха снизу-вверх, снижение скорости подачи воздуха сначала снижает дискомфорт PPD (с 58% до 44.1% при скорости 2.3м/с и 1м/с), однако, после определенной скорости, дальнейшее снижение скорости приводит к увеличению дискомфорта PPD (49% при скорости 0.32м/с). Равномерность распределения воздуха ADPI увеличивается при снижении скорости (27.5%, 29.7%, 55.3% при скорости 2.3м/, 1м/с и 0.32м/с соответственно).
Рекомендуется провести CFD-моделирование для разных температур наружного воздуха по вариантам.
Рекомендуется провести CFD-моделирование воздуховодов по вариантам.
Финализация проекта воздушного отопления делается после учета экономических и конструктивных особенностей по вариантам.
CFD-моделирование при проектировании системы воздушного отопления позволяет выбрать оптимальную схему распределения воздуха, увеличить энергоэффективности здания и снизить расходы на отопление.

Таблица результатов оптимизации воздушного отопления каркасного дома

Список литературы

СFD моделирование воздушного отопления каркасного дома - 5 вариантов подачи воздуха
СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха
ГОСТ 30494-2011. Параметры микроклимата в помещениях

Содержание