CFD-моделирование систем вентиляции и кондиционирования операционных залов банков: сравнительный анализ эффективности планировочных решений

Введение

Обеспечение комфортных параметров микроклимата в операционных залах банков относится к числу актуальных задач проектирования инженерных систем. Данные помещения характеризуются высокой плотностью размещения персонала и офисной техники, что создаёт значительные тепловые нагрузки и предъявляет повышенные требования к системам отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК).

Традиционные методы расчёта систем вентиляции базируются на усреднённых параметрах и не позволяют детально оценить распределение температуры и скорости воздуха по объёму помещения. Это может приводить к образованию локальных зон дискомфорта, выявляемых только на стадии эксплуатации. Применение метода вычислительной гидродинамики (CFD) позволяет преодолеть указанные ограничения и получить детальную картину распределения параметров микроклимата на этапе проектирования.

Целью настоящей работы является сравнительный анализ эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха для трёх планировочных решений операционных залов банка на основе результатов CFD-моделирования с оценкой соответствия требованиям [1].

1. Специфика требований к микроклимату в операционных залах банков

Операционный зал банка является помещением с одновременным пребыванием значительного числа сотрудников и клиентов, а также большим количеством тепловыделяющего оборудования (компьютеры, принтеры, банкоматы, терминалы). Согласно [1] , для помещений категории 2 (помещения с пребыванием людей) оптимальные параметры микроклимата в холодный и переходный периоды года составляют: температура 20–22°C, относительная влажность 30–45%, скорость движения воздуха не более 0,2 м/с. В тёплый период года допустимы температура 22–24°C, влажность 30–60% и скорость до 0,3 м/с [2].

Особенностью операционных залов является неравномерность тепловыделений по площади помещения. Зоны размещения оргтехники и серверного оборудования могут иметь локальную теплонапряжённость, в 2–3 раза превышающую средние значения. Традиционный подход, основанный на усреднении тепловых нагрузок, часто приводит к перегреву отдельных участков и нарушению нормативных требований. Кроме того, необходимо учитывать требования к шуму (не более 45 дБА) и отсутствию сквозняков в рабочей зоне [2].

2. Методика CFD-моделирования

CFD-моделирование выполнено в программном комплексе Star-CCM+ с применением k-ε модели турбулентности (стандартная модель с пристеночными функциями). Расчётная сетка содержала от 1,2 до 1,8 млн полиэдральных ячеек с адаптацией в зонах расположения воздухораспределителей и вблизи поверхностей (пристеночный слой из 3–5 призм) [3] На рис. 1 представлена объёмная модель операционного зала для одного из рассматриваемых планировочных решений.

Рис. 1. Объёмная модель операционного зала с размещением воздухораспределителей для Плана 1

Граничные условия задавались на основе проектных данных: температура приточного воздуха 18°C, массовый расход на диффузорах – согласно проектным значениям, тепловыделения от оборудования – по паспортным данным, тепловыделения от людей – из расчёта 120 Вт на человека (явное тепло). Критериями сходимости решения являлись достижение невязок по уравнению неразрывности, количества движения и энергии менее 10⁻⁴, а также стабилизация полей температуры и скорости (изменение контролируемых параметров не более 0,5% за 100 итераций). Дополнительно проводилась проверка баланса масс и энергии – отклонение не превышало 0,1%.

3. Результаты исследования

3.1. Температурный режим

Результаты моделирования показали существенные различия в распределении температуры по площади операционных залов для различных планировочных решений.

Рис. 2. Распределение температуры воздуха в рабочей зоне (на высоте 1,2 м от пола) для Плана 1

Для Плана 1 температурное поле характеризуется высокой равномерностью. Температура воздуха в рабочей зоне составляет 20–23°C во всём объёме помещения, что полностью соответствует оптимальному диапазону по [1]. Максимальный температурный градиент по горизонтали не превышает 2°C, по вертикали – 2-3°C. Зон с превышением верхней границы нормы (23°C) не выявлено.

Рис. 3. Распределение температуры воздуха в рабочей зоне для Плана 2

Для Планов 2 и 3 выявлена выраженная неравномерность температурного поля. В правой части помещений установлено превышение температуры выше 23°C – верхней границы оптимального диапазона по [1]. Максимальные значения достигают 25-26°C, что на 2-3°C превышает допустимую величину. Температурный градиент по горизонтали составляет 4–6°C, что в 2-3 раза превышает рекомендуемые значения.

Для Плана 1 все 100% площади рабочей зоны находятся в диапазоне 19–23°C. Для Планов 2 и 3 доля площади с несоответствием норме составляет 35% и 40% соответственно.

3.2. Скоростной режим

Скорость движения воздуха во всех рассмотренных планировочных решениях не превышает установленного [1] предельного значения 0,3 м/с в рабочей зоне. Однако распределение скоростей по площади помещения существенно различается.

Рис. 4. Векторное поле скоростей воздуха в горизонтальном сечении для Плана 2

Для Плана 1 скорости воздуха составляют 0,1–0,2 м/с по всей площади рабочей зоны с равномерным распределением. Для Планов 2 и 3 характерна асимметрия: в левой части залов скорости составляют 0,15–0,25 м/с, в правой – снижаются до 0,05–0,15 м/с. Установлена корреляция между зонами низких скоростей и зонами температурного перегрева.

3.3. Анализ причин несоответствий

Анализ полученных результатов позволил установить основные причины несоответствия параметров микроклимата требованиям [1] в Планах 2 и 3.

Первая причина – неравномерное размещение воздухораспределителей. Концентрация приточных устройств в левой части залов при недостаточном их количестве в правой части привела к неравномерности воздухообмена. В зонах с пониженной интенсивностью вентиляции происходит аккумуляция тепловой нагрузки, что выражается в росте температуры выше нормативных значений.

Вторая причина – недостаточный учёт тепловыделений от оборудования. Правые части залов характеризуются повышенной плотностью размещения оргтехники, что создаёт дополнительные тепловые нагрузки. Проектные решения не предусматривали соответствующего увеличения мощности кондиционирования для данных зон.

Третья причина – отсутствие балансировки воздушных потоков. Система вентиляции спроектирована без разделения на зоны с независимым регулированием, что не позволяет адаптировать воздухораспределение под локальные тепловые нагрузки.

Для обеспечения соответствия параметров микроклимата требованиям [1] рекомендован комплекс мероприятий по доработке проблемных планировочных решений.

Первое мероприятие – установка дополнительных воздухораспределителей в зонах перегрева. Расчёт показывает, что для компенсации выявленного температурного превышения необходимо увеличить подачу приточного воздуха на 20–30% в правых частях залов. Это достигается установкой 2–3 дополнительных потолочных диффузоров с соответствующим тройниковым подключением к существующей сети воздуховодов.

Второе мероприятие – повышение производительности системы кондиционирования. Рекомендуется увеличение холодильной мощности кондиционеров, обслуживающих проблемные зоны, на 15–25% с заменой наружных блоков на модели большей производительности или установкой дополнительных внутренних блоков.

Третье мероприятие – балансировка воздушных потоков. На ответвлениях воздуховодов, обслуживающих различные зоны залов, необходимо установить регулируемые дроссель-клапаны с последующей наладкой системы на проектные расходы воздуха.

4. Практические рекомендации по проектированию

На основании проведённого исследования сформулированы практические рекомендации для проектировщиков систем вентиляции и кондиционирования операционных залов банков:

1. Расчёт теплового баланса должен выполняться с детализацией по зонам помещения. Усреднение тепловых нагрузок по площади зала недопустимо, поскольку приводит к неравномерности параметров микроклимата.
2. Размещение воздухораспределителей должно обеспечивать покрытие всей площади рабочей зоны. Рекомендуемый шаг между соседними диффузорами – не более 4–6 м. Расстояние от крайних диффузоров до стены – не более 2–3 м.
3. Для помещений площадью более 300 м² рекомендуется предусматривать зонирование системы вентиляции с возможностью независимого регулирования расходов воздуха по зонам.
4. Обязательным элементом проекта должно стать CFD-моделирование. Стоимость моделирования составляет 3–5% от стоимости проектных работ, но позволяет избежать затрат на устранение недостатков на стадии эксплуатации.
5. Система автоматизации должна предусматривать контроль температуры и скорости воздуха в характерных точках рабочей зоны с регистрацией отклонений от заданных параметров.

Заключение

Проведённое исследование продемонстрировало высокую эффективность метода CFD-моделирования для анализа систем вентиляции и кондиционирования воздуха на этапе проектирования. Применение данного метода позволяет выявлять проблемные зоны и вносить корректировки в проект до начала строительно-монтажных работ.

Из трёх рассмотренных планировочных решений только одно (План 1) обеспечивает полное соответствие параметров микроклимата требованиям [1] во всём объёме рабочей зоны. Два других решения характеризуются локальным перегревом отдельных зон на 2–3°C выше верхней границы оптимального диапазона, что является нарушением нормативных требований.

Причинами выявленных несоответствий являются неравномерное размещение воздухораспределителей, недостаточный учёт локальных тепловых нагрузок и отсутствие балансировки воздушных потоков по зонам помещения.

Разработанные рекомендации по доработке проблемных решений включают установку дополнительных воздухораспределителей, повышение мощности кондиционирования и выполнение балансировки системы. Реализация предложенных мероприятий позволит обеспечить соответствие [1].

Результаты исследования могут быть использованы проектными организациями для повышения качества разрабатываемой документации и предотвращения типовых ошибок при проектировании систем вентиляции операционных залов банков.