Численное моделирование и экспериментальные исследования жилых домов с использованием испарительного охлаждения и вертикальной вентиляции

Numerical simulation and experimental studies on residential home using evaporative cooling and vertical ventilation

 

Авторы: 

Штанько Вадим Викторович 

БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, Россия.

e-mail: vadik.shtanko@mail.ru 

Shtanko Vadim Viktorovich

BSTU named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia.

e-mail: vadik.shtanko@mail.ru

Польшин Александр Владимирович 

БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгород, Россия.

e-mail: relexar@yandex.ru 

Polshin Alexandr Vladimirovich

BSTU named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia.

e-mail: relexar@yandex.ru

Аннотация: Работа, описанная здесь, является исследованием в области вычислительной динамики жидкостей (CFD), целью которой является проверка численного метода на основе экспериментальных данных, доступных в доме с вертикальной вентиляционной системой, существовавшем в Суракарте, Индонезия [1]. Была создана подробная вычислительная модель устройства дома. Первоначальная работа CFD была сосредоточена на установлении связи между скоростью ветра окружающей среды и относительной влажностью и температурой, а затем на сравнении результатов с существующими экспериментальными данными. Основные результаты - соответствие уровня и перспективность использования системы естественного охлаждения. Визуализировано детальное поле потока, которое не было видно в экспериментах. Вкратце рассматриваются дальнейшие работы по моделированию работы дома с испарением водяного спрея, а результаты наносятся в комфортную зону с помощью психрометрической диаграммы.

Abstract: The work described here is a study in the field of fluid computational dynamics (CFD), which aims to test the numerical method based on experimental data available in a house with a vertical ventilation system that existed in Surakarta, Indonesia. A detailed computational model of the device at home has been created. The initial cfD work focused on establishing a link between wind speed and relative humidity and temperature, and then comparing the results with existing experimental data. The main results are the level alignment and the prospect of using the natural cooling system. A detailed flow field that was not visible in the experiments was visualized. In a nutshell, further work on modeling the work of the house with evaporation of water spray is considered, and the results are applied to a comfortable zone with the help of a psychometric diagram.

Ключевые слова: зона комфорта, испарительное охлаждение, жилой дом.

Keywords: comfort zone, evaporative cooling, apartment building.

Тематическая рубрика: Архитектура и строительство.

 

Ограничение земли в городской зоне приводит к тому, что здания постепенно опускаются под землю. Эти дополнительные помещения будут снижать тепловой комфорт в доме. Для поддержания теплового комфорта некоторые альтернативные решения направлены в сочетании с современными технологиями, например, с использованием системы кондиционирования воздуха. Однако это решение доказало, что оно может производить больше энергии и стимулировать глобальное потепление [5]. Поэтому необходима альтернативная система естественного охлаждения с меньшим потреблением энергии для достижения комфортного уровня в жилом доме и аналогичном здании.

Естественный тепловой комфорт может быть получен с помощью одной из альтернативных систем, так называемого испарительного охлаждения, путем создания эффекта испарения в помещении. Охлаждение с помощью испарения может работать более эффективно, в сочетании с циркуляцией воздуха. Вентиляционные системы в доме являются одним из возможных способов получения свежего воздуха, а также для отвода влажного воздуха из помещения, что, соответственно, способствует лучшей циркуляции воздуха. Эффект испарения в основном заключается в изменении фазы вещества с использованием скрытой теплоты на месте, где скрытая теплота — это энергия, поглощаемая или высвобождаемая веществом во время фазового перехода от газа к жидкости или твердому телу и наоборот. Процесс испарения эффективно изменяет температуру и относительную влажность в помещении. Испарительное охлаждение и вертикальное устройство вентиляции, используемая в естественном охлаждении, могут влиять на тепловой комфорт. Поэтому необходимы дальнейшие исследования для изучения альтернативных вариантов естественного и пассивного охлаждения.

Экспериментальные исследования характеристик теплового комфорта, полученных в результате проектирования вентиляции и метода испарения, были бы очень дорогостоящими. Помимо процесса проектирования, необходимо также приобрести измерительные приборы в количестве, равном позициям, которые будут измеряться при получении характеристик воздуха равномерно. Так как свойства воздуха могут время от времени меняться в зависимости от местных погодных условий.

Перспективными являются научные разработки с использованием программного обеспечения и вычислительного метода, которые могут помочь исследователям в моделировании реального процесса явления. Одним из используемых методов является так называемая вычислительная гидродинамика (CFD). ANSYS является одним из коммерческих программных средств, используемых для завершения анализа CFD в данном исследовании. Программное обеспечение может решать многофизические задачи, в том числе механические, теплообменные и жидкостные, а также случай, связанный с акустикой, электромагнетизмом и т.д. В этой работе будет проанализирован и смоделирован случай с использованием Ansys CFX-15, в котором основное внимание будет уделено эффекту испарительного охлаждения в жилых домах, оснащенных вертикальной вентиляцией. Собранные цифровые данные затем сравниваются с экспериментальными данными, изученными одновременно.

Теоретический обзор.

Система кондиционирования воздуха.

Система кондиционирования представляет собой процесс охлаждения или нагревания воздуха таким образом, чтобы температура и относительная влажность соответствовали требованиям, предъявляемым к комфорту жильцов, живущих в помещении. В исследовании [4] определили тепловой комфорт с учетом трех важных аспектов, а именно температуры воздуха, относительной влажности и скорости воздуха. Тепловой комфорт для статического воздуха можно разделить на три категории: прохладный - 20.5oC-22.8oC, оптимальный - 22.8oC-25.8oC и теплый - 25.8oC-27.1oC. Таким образом, приятная для человека область в статичном воздухе, может быть, достигнута при комнатных условиях с температурой 21oC-27oC и относительной влажности 20-70%. Кроме того, тепловой комфорт достигается при движении воздушного потока с максимальной скоростью 0,1 м/с, зона комфорта достигается в диапазоне температур 25oC-35oC и отн. влажности 5%-85%.

Испарительное охлаждение.

Испарительное охлаждение происходит за счет испарения воды на поверхности при помощи воздушного потока [8]. Испарительное охлаждение также происходит, когда пар воды попадает в воздух с относительной влажностью менее 100%. Применение испарительного охлаждения можно разделить на пять категорий [2]:

1. Косвенное пассивное испарительное охлаждение.

Косвенное пассивное испарительное охлаждение включает в себя кондуктивную теплопередачу от твердых тел к жидкостям, где процесс охлаждения происходит от источника испарения воды в воздух.

2. Косвенное активное испарительное охлаждение.

Воздух проходит через охлаждающую трубу, а испарительное охлаждение происходит за счет контакта воздуха и увлажненного теплообменного аппарата. Теплообмен происходит в конвективном среднестатистическом режиме, а в охлаждаемых помещениях не происходит повышение относительной влажности.

Прямое испарительное охлаждение.

Прямое испарительное охлаждение включает в себя испарение воды, попадающей на поток воздуха. Например, фонтан, спрей и пруд, а также градирня.

Прямое активное испарительное охлаждение.

Это в основном то же самое, что и косвенное активное испарительное охлаждение, и единственная разница заключается в том, что воздух, а затем направляется в пространство для охлаждения.

Двухступенчатое испарительное охлаждение.

Двухступенчатое испарительное охлаждение представляет собой комбинацию между прямым активным испарительным охлаждением и непрямым испарительным охлаждением, и обычно используется при более низкой температуре сухого влажного воздуха.

Психрометрическая карта.

Психрометрическое исследование — это изучение свойств смешивания воздуха и пара воды, и имеет важное значение в технике кондиционирования воздуха, так как атмосферный воздух не совсем сухой. Процесс испарительного охлаждения можно увидеть на рис.1 (т.е. фаза от 0 до 1), он включает в себя охлаждение скрытым теплом воздуха за счет испарения воды.

Идеальным испарительным охлаждением является адиабатический процесс, где энтальпия в конечном процессе совпадает с энтальпией в начальном процессе (h0=h1). В системе нет преимуществ или недостатков, общая скрытая теплота охлаждения уравновешивается общей тепловой энергией, поглощаемой за счет испарения воды. Если в систему добавляется тепловая энергия, энтальпия в конечном состоянии будет увеличиваться.

Относительная влажность.

Относительной влажностью φ называется отношение парциального давления Рп водяного пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара Рн.п., при данной температуре. Относительная влажность φ показывает, сколько процентов составляет парциальное давление от давления насыщенного пара при данной температуре.

Температура мокрого термометра.

Под температурой мокрого термометра следует понимать температуру, которую принимает воздух в результате его адиабатического насыщения (увлажнения). Разность показаний сухого и мокрого термометров (t – tм) называется психрометрической разностью или депрессией мокрого термометра.

Сдвиг ветра.

Сдвиг ветра - иногда называемый градиентом ветра, представляет собой разницу в скорости или направлении ветра на относительно небольшом расстоянии в атмосфере. Сдвиг атмосферного ветра обычно описывается как вертикальный или горизонтальный сдвиг ветра. Вертикальный сдвиг ветра — это изменение скорости или направления ветра с изменением высоты. Горизонтальный сдвиг ветра — это изменение скорости ветра при изменении бокового положения на заданной высоте.

Методология.

Экспериментальная установка.

Эксперимент был проведен в исследовании [1] в течение 3 этапов как: этап проектирования; этап строительства и этап тестирования.

После завершения первого и второго этапов в течение одного года, в 2014 году был проведен третий этап тестирования. Этап тестирования проводился с раннего утра до ночи в 6 временных интервалах с 06.00 до 07.00; с 09.00 до 10.00; с 12.00 до 13.00;. в 15.00-16.00; в 19.00-20.00 и в 22.00-23.00, соответственно. Тепловое исследование проводилось путем измерения скорости воздуха, относительной влажности и температуры в 28 точках измерения. Места точек измерения были распределены в трех различных местах: на проспекте в передней части дома; снаружи и внутри дома. Измерение температуры проводилось с помощью цифрового термометра (модель LM-81HT), который измерял относительную влажность и температуру. Цифровой анемометр (модель LM-81AM) использовался для измерения скорости воздуха.

Экспериментальное измерение 28 точек измерения было проведено вручную и поочередно от одного места к другому, это было сделано из-за незначительных ошибок считывания, введенных в разностных ситуациях, так что свойства жидкости были разными и менялись время от времени.

Настройка симуляции.

Настройка имитационного моделирования была инициирована путем проектирования модели, аналогичной экспериментальной установке с использованием автоматизированного проектирования (CAD), так называемого программного обеспечения SolidWork. Затем была создана модель для моделирования с помощью ANSYS CFX 15. Моделирование было инициировано путем сбора актуальной информации в соответствии с контекстом на протяжении всего исследования литературы, а геометрия подходила для домашней среды в том виде, в котором она использовалась в исследовании [1]. Дальнейший шаг был сделан в трехмерном пространстве с использованием SolidWork 2014 путем ссылки на конструкцию экспериментального оборудования.

После запуска процесса, результаты будут сопоставлены с экспериментальными данными исследования [1], с различиями в аналитических характеристиках как результатов экспериментов, так и результатов моделирования. Результаты

Распределение скорости воздуха, относительной влажности и температуры.

Характерное испытание охлаждения в птичнике с использованием испарительного охлаждения и вертикальной вентиляции было выполнено путем создания квадратной плоскости 0,2 м × 0,2 м с центром квадрата, являющейся точкой измерения экспериментальной высоты 1,5 м над уровнем пола.

Места расположения измерительных точек 1 и 2 были расположены на проспекте перед домом, точки 3-10 - на этаже 1(a) внутреннего дома, точки 11-18 - на этаже 2(b) и точки 19-26 - на этаже 3(b), соответственно. При этом точки 27 и 28 были расположены на верхнем балконе за домом. Результаты моделирования скорости, относительной влажности и температуры воздуха были получены с использованием функции калькулятора CFX, интегрированной в ANSYS CFX. Все собранные данные затем по мере возможности строились на основе экспериментальных данных. Распределение скоростей воздуха как по результатам эксперимента, так и по результатам моделирования в разном временном интервале показано на рис. 1:

Рис.1. Распределение скорости в 28 точках измерения.

На рис.1 представлено сравнение распределения скоростей в 28 точках измерения, как по экспериментальным, так и по моделируемым данным, в разностях интервала времени 09.00-10.00, 12.00-13.00 и 19.00-20.00 соответственно. Видно, что два графика экспериментальных и моделированных данных показали идентичный график со средними расхождениями в 09.00-10.00 часов в 0.503 м/с, в 12.00-13.00 часов в 1.427 м/с и 19.00-20.00 часов в 0.161 м/с, Наибольшая скорость как для эксперимента, так и для моделирования произошли в 19.00-20.00  в точке замера 1 и 2, для экспериментальных измерений - 1.7 м/с, для моделирования предсказание - 1.75 м/с. 

Сходство было также обнаружено как для экспериментальных, так и для смоделированных измерений, имеющих тенденцию иметь постоянную скорость в точках замера 3-8 и 21-26, где экспериментальные измерения имеют скорость 0 м/с, тогда как смоделированные измерения имеют скорость 0.1 - 0.2 м/с. Скорость 0 м/с при экспериментальном измерении предсказывалась из-за нечувствительности оборудования при использовании на низких скоростях.

Также наблюдались колебания скорости в точках замера 9-20 как для эксперимента, так и для моделирования, хотя и с разными значениями. Различия были спрогнозированы как состояние воздуха, когда процесс измерения не был постоянным, так как процесс измерения от одной точки к другой проводился не одновременно, а последовательно [1]. В точках замера 27 и 28 скорость увеличилась как для экспериментальных, так и для имитационных измерений на 0,7 м/с и 0,8 м/с. Распределение относительной влажности, как экспериментальное, так и смоделированное, показано на рис. 2

Рис.2. Сравнение распределения относительной влажности в % в 28 точках измерения.

Из рисунка 2 сравнения относительной влажности видно, что результат моделирования идентичен экспериментальным данным. На точках замера 1-10 (этаж 1) из трех разностных временных интервалов, имеющих почти одинаковое значение между результатом моделирования и экспериментальными измерениями, было показано, что модификация с помощью струйной воды при моделировании дала идентичные характеристики воздуха, очень близкие к экспериментальным данным. На обоих графиках экспериментальные и смоделированные данные показали идентичный график с разностями в среднем в 09.00-10.00 часов в 1.080%, в 12.00-13.00 часов в 1.033% и в 19.00-20.00 часов в 0.776%. Была разница в точках измерений 1-10 (этаж 1), в точках измерений 11-18 (этаж 2) и точках измерений 19-28 (этаж 3), особенно при моделировании интервала времени 09.00-10.00 и 12.00-13.00, наблюдались значительные различия между относительной влажностью и температурой результатов моделирования с экспериментальными данными. Различия были предсказаны в связи с игнорированием испарительного охлаждения от испарения воды от деревьев в жилом доме и меньшего количества деталей при определении солнечного излучения в моделировании. Такое же условие не наблюдалось при моделировании временного интервала 19.00 - 20.00, поскольку в это время относительная влажность в жилом доме аналогична условиям окружающей среды, поэтому результат моделирования будет близок к экспериментальным данным.

Профиль распределения температуры моделирования и экспериментального результата показан на рисунке. 3

Рис.3. Сравнение распределения температуры в 28 точках измерения.

Из рисунка 3 видно, что результат моделирования также показал схожую тенденцию с экспериментальными данными. В точках замера 1-10 (этаж 1) из трех разностных временных интервалов, имеющих почти одинаковое значение между результатом моделирования и экспериментальными измерениями. На обоих графиках экспериментальные и смоделированные данные показали идентичный график с разностями температур в среднем в 09.00-10.00 часов 0.503оС, в 12.00-13.00 часов 1.427 оС и в 19.00-20.00 часов 0.161 оС. Из результатов моделирования можно понять, что моделирование смогло проиллюстрировать эффект циркуляции воздуха, а эффект испарительного охлаждения в жилом доме, на который указывает моделирование, в целом идентичен экспериментальным данным.

Психрометрическая диаграмма в сравнении с Зоной комфорта.

Психрометрическая карта.

Психрометрическая диаграмма в процессе испарительного охлаждения жилого дома, особенно на этаже 1, в обоих временных интервалах 09.00-10.00, 12.00-13.00, а также 19.00-20.00 видна на рисунке 3, где в момент моделирования 09.00-10.00, входящий наружный воздух имеет температуру 29.5oС при относительной влажности 77.5% и состояние после охлаждения имеет температуру 28.1oС при относительной влажности 84.8%. Затем, в момент моделирования 12.00-13.00, входящий наружный воздух имеет температуру 33.25oC при относительной влажности 58% и состояние после охлаждения имеет температуру 31.57oC при относительной влажности 64.5%. В период моделирования 19.00-20.00 входящий наружный воздух имеет температуру 28.5 oC при относительной влажности 83% и состояние после охлаждения достигает температуры 27.3оС при относительной влажности 89.7 %.

 

Рис.4. Психрометрическая диаграмма процесса испарительного охлаждения в 09.00-10.00, 10.00-12.00, 12.00 13.00 и 19.00-20.00.

Как показано на рис. 4 моделирование процесса испарительного охлаждения в 09.00-10.00 и 12.00-13.00 иллюстрирует идеальный процесс испарительного охлаждения, так как энтальпия в начальном состоянии и после охлаждения равны (h0=h1). В то время как процесс испарения при 19.00-20.00 был менее идеальным, так как начальная энтальпия не равна после охлаждения (h0≠h1).

Зона комфорта.

В исследовании [4] определен стандартный тепловой комфорт для движущегося воздуха (для диапазона скоростей воздуха в пределах 0,1 м/с-1,0 м/с), тепловой комфорт может быть достигнут при комнатной температуре 25oC-35oC с относительной влажностью 5%-85%. Результат моделирования в 09.00-10.00 показал среднюю скорость 0.23 м/с при средней температуре 29.1oC и относительной влажности воздуха 79.7%. Затем, моделирование показало в 12.00-13.00 среднюю скорость 0.16 м/с со средней температурой 32.7oC и относительной влажностью 60.1%. Моделирование в 19.00-20.00 показало среднюю скорость 0.18 м/с со средней температурой 28.1oC и относительной влажностью 84.5%.  Зона комфорта при моделировании в 09.00-10.00, 12.00-13.00 и 19.00-20.00 представлена на рис. 5 следующим образом:

Рис.5. Диаграмма зоны комфорта.

Из рисунка 5 можно сделать вывод, что при моделировании трех временных интервалов в различных условиях окружающей среды, жилой дом, использующий эффект испарительного охлаждения и вертикальную вентиляцию, обеспечивает комфортное проживание при движущихся условиях воздуха.

Заключение.

CFD-моделирование позволяет прогнозировать характеристики воздуха в жилом доме с использованием испарительного охлаждения и вертикальной вентиляции с тремя разными интервалами времени:

В период моделирования 09.00-10.00 на первом этаже средняя скорость воздуха составила 0.18 м/с, средняя влажность 84.8% и средняя температура 28.15oC. На втором этаже средняя скорость воздуха составила 0.14 м/с, средняя влажность 77.95 % и средняя температура 29.4oC. На третьем этаже средняя скорость воздуха составила 0,14 м/с, средняя влажность 77,5% и средняя температура 29,5oC.

В период моделирования 12.00-13.00 на первом этаже, средняя скорость воздуха составила 0.19 м/с, средняя влажность 64.5% и средняя температура 31.57oC. На втором этаже средняя скорость воздуха составила 0,18 м/с, средняя влажность воздуха - 58,4% и средняя температура - 33,1°С. На третьем этаже средняя скорость воздуха составила 0.15 м/с, средняя влажность воздуха 58.2% и средняя температура 33.25oC.

В период моделирования 19.00-20.00 на первом этаже средняя скорость воздуха составила 0.22 м/с, средняя влажность 89.7% и средняя температура 27.3oC. На втором этаже средняя скорость воздуха составила 0.12 м/с, средняя влажность 84.06 % и средняя температура 28.4oC. На третьем этаже средняя скорость воздуха составила 0.11 м/с, средняя влажность 83.76% и средняя температура 28.5oC. Все трехкратное моделирование смогло дать комфортный дом для проживания, особенно при движущемся состоянии воздуха.

 

Список литературы:

1. Азиза Р., Дан Комарун (2014). Решения вертикальной вентиляции для поддержки теплового комфорта в городских домах

2. Боуман Н.Т., Эппель Эйч Ломас, К. Джей, Робинсон Д. и Кук, М. Джей (2001). Пассивное пониженное испарительное охлаждение. Внутренняя и внутренняя среда, 9(5), 284-290.

3. Кук Эм-Джей, Робинсон Ди, Ломас Кей-Джей, Боуман Н.Т. и Эппель Х. (2001). Пассивное пониженное испарительное охлаждение. Внутренняя и внутренняя среда, 9(6), 325-334.

4. Фрик Хайнц, Ардьянто А. Дан, Дармаван А. (2007). Введение в понимание света, тепла, влажности, климата, землетрясений, звуков и огня.

5. Гивони Барух (1998 г.), "Учет климатических факторов в строительстве и городском проектировании", Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк.

6. Сархито (2013). Исследование возможностей улучшения характеристик многоступенчатых испарительных охладителей с использованием CFD, Прикладной механики и материалов, том 315 (2013), стр. 835-840, Транс Тех Пабликейшнз, Швейцария.

7. Сархито и Рияди, (2014). Параметрическое исследование модели ветроуловителя в типичной системе башни испарительного охлаждения с использованием CFD. В прикладной механике и материалах (Том 660, с. 659-663). Транс Тех Пабликейшнз, Швейцария.

8. Стекер У.Ф., Джерольд У. Джей. (1992). Холодильное оборудование и кондиционирование.

9. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть II. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Под ред. И.Г. Староверова. - М.: Стройиздат, 1978, 509 с.

10. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. - М.: Стройиздат, 1985. - 367 с.