подписка на электронный дайджест
         
Контакты +7 (812) 336-95-69
  • Сегодня, 1 декабря

  • Ближайшие мероприятия

    Показать все ближайшие мероприятия
  • Сравнительные исследования по оценке эффективности работы отопительных приборов

    О. В. Канашина, ведущий специалист по работе с проектными организациями АО «Фирма Изотерм»

    При проектировании систем инженерного оборудования зданий и, в частности, систем отопления решаются задачи обеспечения требуемых параметров микроклимата, определяемых условиями комфортного пребывания человека и требованиями технологических процессов. От их решения зависят самочувствие и работоспособность людей, а также качество производимой продукции.

    Распределение параметров микроклимата в  отапливаемом помещении представляет собой результат взаимодействия множества факторов: теплотехнические характеристики ограждений, режим погоды, геометрия помещения с размещенной внутри мебелью, оборудование, температурный режим сопряженных помещений, тип, мощность и расположение отопительных приборов, параметры системы вентиляции, наличие внутренних источников теплоты и т. д.

    Параметры микроклимата обслуживаемой зоны помещений жилых, детских дошкольных, административных и бытовых зданий, а также качества воздуха в обслуживаемой зоне указанных помещений и общие требования к оптимальным и допустимым параметрам микроклимата, к качеству воздуха устанавливает ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

    В создании комфортного микроклимата ответственная и решающая роль возложена на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

    Отопительные приборы являются одним из основных элементов системы отопления, и предназначены для передачи тепла от теплоносителя в помещения зданий, в которых необходимо обеспечить требуемый температурный режим. Расчетный тепловой поток от теплоносителя определяется путем составления теплового баланса для каждого отапливаемого помещения в зависимости от его назначения и режима эксплуатации с выявлением общей потребности в тепле. Данный тепловой поток определяет мощность отопительного прибора.

    Для отопления зданий на современном рынке существует огромный выбор решений от лаконичных стальных панельных радиаторов до высокоэнергоффективных современных медно-алюминиевых конвекторов.

    Эффективность работы отопительных приборов зависит от нескольких факторов, в том числе от их конструкции, способов их монтажа и установки в помещении, а также от схемы подключения к системе отопления. Все эти факторы должны быть всесторонне оценены по экономическим, техническим, эстетическим показателям, а также по теплотехническим свойствам (количество затрачиваемого на обогрев помещения тепла, доля отдаваемого прибором конвективного и лучистого тепла и др.) и учтены на стадии проектирования системы отопления.

    Отопительные приборы по преобладающему способу передачи тепловой энергии делятся на три группы:

    1. Радиационные приборы, передающие излучением не менее 50% общего теплового потока. К первой группе относятся потолочные отопительные панели и излучатели.
    2. Конвективно-радиационные приборы, передающие конвекцией от 50 до 75% общего теплового потока. Вторая группа включает радиаторы секционные и панельные, гладкотрубные приборы, напольные отопительные панели.
    3. Конвективные приборы, передающие конвекцией не менее 75% общего теплового потока. К третьей группе принадлежат конвекторы с кожухом и без кожуха, ребристые трубы.

    Существенными факторами, от которых зависит самочувствие человека в помещении, является распределение температуры и скорости движения воздуха в объеме помещения. Особенности формирования поля температуры и скорости в помещении в значительной степени также зависят от типа отопительного прибора и его размещения. Многообразие типов отопительных приборов, предлагаемых отечественными и зарубежными производителями, приводит к необходимости проведения сравнительных исследований по оценке их эффективности. Такие исследования, направленные на изучение формирования температурного поля отапливаемых жилых помещений, представляют интерес как для проектировщиков, так и для производителей отопительных приборов.

    В данной статье приведены исследования двух работ, результаты которых иллюстрируют влияние работы системы отопления с отопительными приборами разного типа на формирование параметров микроклимата помещения, полученные методом численного моделирования.

    Работа № 1. Исследовательская работа по сравнению эффективности работы конвектора и радиатора, выполненная методом численного моделирования

    Для изучения особенностей формирования микроклимата в помещениях с притоком через вентиляционные клапаны и отопительными приборами различного типа была проведена исследовательская работа методом численного моделирования — конвектор и радиатор [1]. Расчет проводился с помощью программы STAR CD, предназначенной для изучения и расчета гидродинамики и теплообмена различных сред.

    Моделирование работы отопительных приборов (конвектора и радиатора) выполнено на примере типовой комнаты: 6 х 3 м, высота 2,56 м, с одним окном 1,5 х 1,5 м. поступление приточного воздуха в помещение осуществлялось через приточные клапаны. Температура наружного воздуха принималась минус 26 °С. Сопротивление теплопередаче оконного блока принималось R = 0,51 м2К/Вт. Теплообмен с соседними помещениями не учитывался. В качестве исследования применялись настенный медно-алюминиевый конвектор «Атолл» (производства АО «Фирма Изотерм») и стальной панельный радиатор (рис. 1, 2).

    Рис. 1. Медно-алюминиевый конвектор Атолл (АО «Фирма Изотерм»)

    Рис. 2. Стальной панельный радиатор

    Математическое моделирование нестационарной задачи формирования температурного поля в помещении комнаты объемом с использованием результатов экспериментальной оценки конвективной и лучистой составляющих теплового потока отопительных приборов позволило выяснить характерные особенности приборов:

    • Поля температуры и скорости воздуха в жилых помещениях при подаче наружного воздуха через вентиляционные клапаны неоднородны.
    • Формирование поля температуры и скорости воздуха в помещении в значительной степени зависит от типа отопительного прибора.
    • Изучение особенностей формирования полей температуры и скорости в объеме жилой комнаты, выполненное методом численного моделирования, показало, что конвектор, имеющий более мощную конвективную струю по сравнению с радиатором, обеспечивает более стабильное и равномерное температурное и скоростное поле в объеме помещения при открытых приточных вентиляционных клапанах.
    • Использование конвекторов в качестве отопительных приборов предпочтительнее радиаторов, т. к. они более динамичны.
    • При расположении конвектора под окном за счет более мощной конвективной струи снижается влияние холодной поверхности окна, что улучшает тепловой комфорт помещения, уменьшая радиационное охлаждение людей. Взаимодействие конвективной струи конвектора и холодной приточного воздуха обеспечивает вблизи наружной стены более равномерное вертикальное распределение температуры.

    Анализ конструкций сравниваемых отопительных приборов и их инерционных качеств показывает, что наилучшими с точки зрения регулирования являются конвекторы.

    В качестве иллюстрации работы отопительных приборов на рис. 3, 4 приведены расчетные поля температуры и модуля скорости через 49 минут от момента включения приборов — при достижении стационарного режима для конвектора.

    При работе конвектора поле температуры в комнате более равномерное по сравнению с радиатором (рис. 3, б). Четко прослеживается конвективная струя от конвектора, препятствующая проникновению холодного воздуха в нижнюю зону комнаты. Поле температуры однородно — температура во всех точках равна 22 °С. Зона с модулем скорости 0,2 м/с локализована в середине комнаты (рис. 4, б). В течение 10 минут поступления холодного воздуха в комнату при работе конвектора изменений в распределении температуры не наблюдается. Поле скорости за это время выравнивается. При работе конвектора струя холодного воздуха не достигает пола. Скорость струи на уровне высоты подоконника составляет 0,2 м/с.

    Рис. 3. Поле температуры в вертикальном сечении комнаты: а) при работе радиатора; б) при работе конвектора

    Рис. 4. Поле модуля скорости в вертикальном сечении комнаты: а) при работе радиатора; б) при работе конвектора

    При работе радиатора холодный воздух от клапана опускается в нижнюю зону; температура в нижней части комнаты по всей длине ниже 20 °С (рис. 3, а). В нижней зоне комнаты по всей длине наблюдается большая, чем для конвектора, подвижность воздуха, модуль скорости равен 0,2–0,3 м/с. Для радиатора зона более высоких значений скорости локализована в центре нижней части комнаты (рис. 4, а).

    Факел холодного воздуха из клапана при работе радиатора достигает пола и захватывает почти всю 2-метровую зону, прилегающую к окну. Скорость потока воздуха у пола достигает 0,4 м/с. Струя достигает пола в пределах 2-метровой зоны вблизи окна. В случае конвектора нагретая конвективная струя препятствует опусканию холодного воздуха; в нижней зоне комнаты поддерживается более высокая температура.

    Сравнение полей температуры в объеме помещения при работе конвектора и радиатора позволяет сделать вывод о том, что при работе конвектора поле температуры в комнате более однородно вследствие преобладания конвективной составляющей теплообмена. Распределение модуля скорости потока при работе конвектора также более равномерно по объему комнаты. Использование конвекторов в качестве отопительных приборов предпочтительнее радиаторов, т. к. они более динамичны, обладают низкой тепловой инерцией, имеют более мощную конвективную струю, что позволяет создать тепловую завесу у окон, препятствовать наличию сквозняков в помещении и образованию конденсата на остеклении.

    Работа № 2. Результаты численного моделирования и экспериментальных испытаний внутрипольного конвектора «Гольфстрим»

    В данной работе [2] приводятся данные исследований испытаний внутрипольного конвектора с естественной конвекцией «Гольфстрим» КРК 20.11.150 (производства АО «Фирма Изотерм»), полученных экспериментально в лаборатории и методом математического моделирования.

    Силами инженерно-технической службы компании АО «Фирма Изотерм» проводились численные расчеты на базе современной специализированной программы FloEFD. FloEFD (производитель — американская компания Mentor, a Siemens Business) — это полностью интегрированный в системы CAD пакет для решения задач гидрогазодинамики и теплообмена, который позволяет инженерам создавать более качественные решения за меньшее время.

    Чтобы рассчитать физический процесс, то есть изменение физических параметров в пространстве и времени, его надо сначала смоделировать. Для решения численных задач были построены трехмерные модели внутрипольного конвектора «Гольфстрим» КРК 20.11.150 (рис. 5) и испытательная камера (с размерами и условиями согласно требованиям DIN EN 16430-2 [2]).

    Рис. 5. Конвектор КРК 20.11.150 концевой (АО «Фирма Изотерм»): 1 — короб установочный; 2 — теплообменник; 3 — решетка; 4 — болты упорные; 5 — кронштейны; 6 — клапан воздухоспускной

    Результаты математического моделирования сопоставлены с данными, полученными в испытательной лаборатории института HLK Stuttgart (Германия) [2].

    Результаты испытаний и расчета приведены в табл. 1.

    Таблица 1. Данные испытаний и моделирования отопительного прибора

    Наименование величин Условное обозначения Ед. изм. Данные
    испытаний моделирования
    Атмосферное давление кПа 97,0 97,0
    Температура воздуха (определяющая температура) °C 20 20,55
    Температура теплоносителя на входе в отопительный прибор °C 85,4 85,4
    Температура теплоносителя на выходе из отопительного прибора °C 73,0 73,77
    Разность температур теплоносителя в приборе °C 12,4 11,63
    Средняя температура теплоносителя в приборе °C 79,2 79,59
    Разность между средней температурой теплоносителя в приборе и определяющей температурой воздуха в помещении (температурный напор) °C 59,2 59,04
    Расход теплоносителя кг/с 7,4916·10-3 7,4916·10-3
    Тепловой поток испытываемого отопительного прибора Вт 390 371
    Тепловой поток испытываемого отопительного прибора при стандартном (нормальном) атмосферном давлении гПа Вт 403 383
    Номинальный тепловой поток испытываемого отопительного прибора при нормальных условиях Вт 590 563

     

    Как следует из табл. 1, при численном моделировании значение теплового потока на 4,9% меньше полученного при испытаниях в камере.

    Проведение виртуальных тепловых испытаний (моделирование) при помощи программных средств позволяет получить более полную информацию об отопительных приборах и условиях их работы. Например, на рис. 2 и 3 показаны скоростные и температурные поля в камере и встроенном в конструкцию пола конвекторе, на основе которых возможно проводить оптимизацию конструктивных решений и определять условия их работы.

    Рис. 6. Скоростные и температурные поля в камере

    Рис. 7. Скоростные и температурные поля в камере и конвекторе

    Как следует из рис. 6, 7, программа предоставляет достаточно подробные данные, позволяющие оценить распределение всех параметров микроклимата в любой области помещения, в том числе не только воздушной среды, но и твердых тел (строительных ограждений, приборов отопления, охлаждения).

    Таким образом, привлечение современных методов математического моделирования микроклимата расширяет возможности проектирования, позволяет получить более полную и четкую картину распределения всех необходимых параметров микроклимата в помещении, сравнить эффективность работы различных отопительных приборов и выбрать достойное решение.

    Постоянно работая над оптимизацией конструкции конвекторов для систем водяного отопления и расширения линейки продукции, компания АО «Фирма Изотерм» учитывает данные не только от результатов лабораторных исследований, но и широкие возможности компьютерного моделирования как самих изделий, так и условий, близких к реальным, в которых прибор будет эксплуатироваться. Данный подход позволяет, помимо усовершенствования конструкции приборов отопления в целях получения высоких показателей тепловой мощности и энергоэффективности, еще и математически смоделировать микроклимат в различных типах помещений и обеспечить необходимый тепловой комфорт.

    Литература

    1. Дацюк Т. А., Пухкал В. А., Ивлев Ю. П. Результаты моделирования микроклимата жилых помещений при различных типах отопительных приборов. Инженерно-строительный журнал. № 6, 2013.
    2. СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».
    3. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
    4. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. — М.: Энергоатомиздат, 1984. —152 с., ил.

     

    Скачать PDF-файл статьи «Сравнительные исследования по оценке эффективности работы отопительных приборов»