Текущий выпуск
№3 2017
Главная|Журнал|Осень 2015|Моделирование. Почему уже «да»?
      

Моделирование. Почему уже «да»?

Дарья Денисихина, Андрей Колосницын

Методы математического моделирования (CFD-подходы), о которых пойдёт речь в статье, считались перспективным направлением в создании и анализе схем воздухораспределения ещё в 80-х годах ХХ века.

Так почему мы в России до сих пор продолжаем в основном о них говорить и не внедряем в проектную практику? Считается, что да: здорово, хорошо, умно, красиво, но мы уж как-нибудь так, по старинке…

Причин здесь несколько. Во-первых, проектный контур пока не привык вписывать моделирование в отлаженный процесс проектирования. Что-то новое всегда вызывает сопротивление (и это нормально). Надо лишний раз подумать, на каком этапе подключить моделирование, чтобы это было наиболее эффективно. Когда «поезд ушёл», можно только любоваться на красочные картинки результатов, понимая, что разработанный проект даст на практике плачевные результаты. В итоге, проектировщику при использовании моделирования придётся зависеть ещё от кого-то, ждать ещё чьих-то умозаключений, что скорей всего не вызывает у него энтузиазма.

Во-вторых, возможно, не каждый исполнитель заинтересован в том, чтобы его решение «проверяли». Он написал в проекте, что температура в рабочей зоне Тр.з.=23 °C. Хочет ли он увидеть, что на самом деле в части рабочей зоны температура воздуха повышается до 27 °C, а в части падает до 19 °C, «в среднем» обеспечивая те самые желаемые 23 °C? Лишнее знание для исполнителя? А для заказчика? Последнему ведь потом слушать жалобы работников офиса, зрителей, спортсменов и пр. Пытаться что-то исправить после ввода объекта в эксплуатацию.

Ну и, в‑третьих, понятно, что если мы хотим использовать при проектировании математическое моделирование микроклимата (помимо упрощённых стандартных методов), то это дополнительное время и дополнительные денежные затраты. Так, например, первые работы по моделированию помещений, относящиеся ещё к 2002 году, могли занимать у авторов статьи 2—3 месяца. Малое количество специалистов в области моделирования, отсутствие мощных компьютеров для расчётов, эксклюзивность и единичность выполняемых проектов, и, как следствие, высокие цены на проведение расчётов. Заказчику приходится идти на заметное удорожание проекта и увеличение сроков проектирования. Возникает закономерный вопрос: так ли это необходимо? В результате при привлечении CFD-подхода получаем в сухом остатке:

задержку в выходе проектного решения;

дополнительно затрачиваемые денежные ресурсы;

незаинтересованность исполнителя проекта в том, чтобы его «проверяли».

И как в таких условиях развивать использование математического моделирования в практике проектирования систем вентиляции и кондиционирования? Зачем нужны те самые красивые цветные картинки, которые приносят столько неудобств для создателя проектного решения? Однако сегодня картина на рынке CFD-услуг заметно изменилась. Подумаем, что же предпринято для того, чтобы математическое моделирование перестало быть только наукой, а стало непосредственным участником проектного процесса.

Накопленный опыт выполнения разнообразных математических моделей (офисов, театров, бассейнов, спортивных залов, стадионов, ледовых арен и др.) и создание методик по моделированию различных типов воздухораспределительных устройств и доводчиков (диффузоров, сопел, фэнкойлов, охлаждающих балок и пр.) позволяет сократить сроки выполнения математического моделирования до 2 недель вместо прежних 2 месяцев. Это уже те сроки, в которые математическая модель может органично вписаться в проектный процесс, поддерживая его, а не задерживая.
Быстрое выполнение расчётов приводит к возможности формирования адекватных для проектного процесса цен на моделирование. Сегодня появилась возможность выполнять работы по моделированию в 3—5 раз дешевле, чем это было ещё несколько лет назад. Таким образом улучшение качества проектного решения с помощью CFD-методов перестало заметно отражаться на итоговой стоимости проектирования.
Прогрессу в развитии CFD-методов в инженерной практике также, безусловно, способствует постоянный рост производительности вычислительной техники (рост расчётной мощности компьютеров). Необходимо ли проектной организации моделирование? Мы убеждены, что да! Конечно, если проектная организация заинтересована в качестве выпускаемого продукта и поддержании своего имиджа на высоком уровне. В этом случае специалист по моделированию – партнёр и коллега, работающий в непосредственном взаимодействии с проектировщиками, вместе создают качественный продукт.

Нужно ли моделирование заказчику, инвестору? Конечно, ведь именно они больше всего заинтересованы в проверке проектных решений (в т. ч. по системам отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). Исправление проектных ошибок после ввода здания в эксплуатацию окажется либо дорогостоящим, либо в принципе будет невозможно. В этом случае специалисты по моделированию – это тот экспертный орган, который призван проверять качество проектных решений, вовремя указывать на необходимость внесения изменений в проект и предлагать варианты конкретных решений.

Имея за спиной большой опыт моделирования проектных решений для различных объектов, мы намерены массово внедрить методы математического моделирования в проектный процесс и повысить качество создаваемых проектных решений для строящихся в нашей стране объектов. Ниже приведём несколько примеров задач, для которых применены методы математического моделирования.

Не останавливаясь в данной статье на подробностях (с удовольствием сделаем это в дальнейших публикациях), покажем, как визуально выглядят результаты моделирования, и как они могут быть использованы для корректировки проектных решений.

Офисное помещение

Цель настоящей работы – анализ проектного решения по системам вентиляции и кондиционирования воздуха (В и КВ) реконструируемого офиса, его корректировка в случае необходимости, формирование рекомендаций по расстановке и эксплуатации оборудования. В расчётах учитывались работа систем В и КВ смежных помещений, наличие людей, офисного оборудования и тип освещения. Моделирование солнечного излучения выполнялось с учётом расположения объекта и его ориентации по сторонам света.

Моделирование показало, что приточные струи, от расположенных на одной из стен решёток, будут достигать рабочей зоны с недопустимо большими скоростями, вызывая дискомфорт у работников офиса. Изменив тип и место расположения воздухораспределителей удалось добиться того, что температура и скорость воздуха в рабочей зоне стали соответствовать комфортным условиям. Так температура находится в диапазоне 24—25 °C, а подвижность воздуха не превышает 0,2 м/с.

Большой плавательный бассейн

Распространённая проблема в бассейнах – это конденсация влаги на конструкциях (в т. ч. запотевание окон), образование ржавчины, гниение или появление грибка. Дополнительная сложность при проектировании спортивных бассейнов с трибунами состоит в том, что оптимальные значения параметров микроклимата для зрителей и спортсменов отличаются. В данной работе с помощью методов математического моделирования рассмотрена совместная работа систем ОВ и КВ в спортивном бассейне на 1 500 зрителей, показаны температурные, скоростные, влажностные поля и поля углекислого газа в объёме бассейна. Расчёт позволил выявить следующие недостатки проектного решения:

повышенные скорости у поверхности воды;

запотевание части окон.

Проблема повышенной скорости воздуха у поверхности воды была связана с неправильным подбором параметров на притоке. В результате часть потока «падала» вниз, к бассейну. Повышенная скорость около воды повлечёт серьёзное увеличение влаговыделения с водной поверхности, приводя к работе систем осушения в нерасчётном режиме. Кроме того, повышенные скорости воздуха воспринимаются мокрыми людьми (а особенно спортсменами) существенно хуже, чем, например, людьми в офисе.

«Разрывы» в цепочке радиаторов под окнами привели к запотеванию части окон. Этому поспособствовало и общее циркуляционное течение, направленное от зрителей к окнам. Верхние окна на торце здания запотели, несмотря на отсутствие «разрывов» в радиаторах. Свободно-конвективный поток тёплого воздуха от радиатора был отклонён в сторону ниспадающим холодным воздухом от верхних окон.
Выявленные проблемы, и в первую очередь понимание причин их появления, позволяют откорректировать проектное решение таким образом, чтобы в дальнейшем не было нареканий при эксплуатации объекта.

Театр

Проанализировано проектное решение по системам вентиляции и кондиционирования воздуха нового театра на 1 700 зрителей. В расчётах учитывались теплопритоки от зрителей, постановочного освещения, оборудования сцены и зала. Результаты расчётов показали, что на большей части внутреннего пространства театра параметры воздушной среды комфортны как для зрителей, так и для актёров. Однако, на дальних рядах амфитеатров ввиду геометрических особенностей зала скапливается тёплый воздух, и повышено содержание углекислого газа. По результатам моделирования проект был скорректирован. На амфитеатрах добавлены вытяжные решётки, не позволяющие отработанному тёплому воздуху застаиваться под потолком над зрителями.

Выводы

Кратко остановимся на основных отличиях стандартных инженерных подходов, используемых при создании проектного решения, и методов математического моделирования. А также приведём схему предлагаемой совместной работы проектной организации и специалиста по моделированию.
Стандартные инженерные методики основаны на упрощённых зависимостях распространения струйных течений в условиях большого количества накладываемых ограничений на:

форму помещения;

неравномерность расположения источников тепловыделений;

взаимодействие течений от воздухораспределителей и тёплого воздуха от людей и оборудования;

влияние солнечной радиации пр.

Использование при проектировании только инженерного подхода приводит к тому, что параметры микроклимата поддерживаются исключительно на бумаге, а не при реальной эксплуатации объекта. В результате – дискомфорт в помещении и нарушение технологических требований. Методы математического моделирования базируются на численном решении дифференциальных уравнениях сохранения.
Данные уравнения позволяют рассчитать параметры воздушной среды в объёме любой геометрической сложности и при любых особенностях расположения и интенсивности источников тепло– и влаговыделений. Результатом математического моделирования является значения параметров микроклимата в «каждой» точке вентилируемого/кондиционируемого объёма. Совместная работа проектной организации и специалиста по моделированию выглядит следующим образом:

1 этап. Составление проектного решения, базируясь на общепринятых стандартных инженерных методиках и опыте проектировщика.

2 этап. Проверка качества микроклимата, формируемого разработанным проектным решением в исследуемом объёме, методами математического моделирования.

3 этап. Корректировка проектного решения, базирующаяся на результатах распределения скорости, температуры, влажности, распределения СО2, полученных в результате моделирования.

4 этап. Проверка окончательного откорректированного проектного решения методами математического моделирования.

Вероятно, уже настало время, когда отечественная проектная практика больше не должна отказываться от возможности создания по-настоящему классных и качественных проектов.


 ОБ АВТОРАХ

Дарья Михайловна Денисихиназам. генерального директора ООО «ММ-Технологии», канд.физ.-мат. наук, LEEDAP BD+C.

Андрей Николаевич Колосницынгенеральный директор ООО «ММ-Технологии».

www.mm-technologies.ru


Математическое моделирование