Улучшение теплового комфорта на улицах с помощью систем распыления

В жаркое летнее время снизить это воздействие возможно, применив, например, системы испарительного охлаждения.

Повышение заболеваемости и смертности в связи с тепловым стрессом [1] приведёт к тому, что мировое потребление энергии на охлаждение к 2100 году возрастёт на 72 % [2]. Частота и интенсивность тепловых волн [3] увеличится, и к 2040 году может стать обычным явлением [3, 4]. Эти проблемы усугубляются эффектом городского острова тепла (Urban Heat Island, далее – UHI). В 2003 и 2006 годах резко возросла интенсивность тепловых волн в летние периоды в Европе. Небывалая жара вызвала повышенную смертность и ухудшение самочувствия среди населения [5, 6].

Согласно исследованиям Garssen et al. [7] явная взаимосвязь обнаружена между средненедельной максимальной температурой наружного воздуха и количеством смертельных исходов в Нидерландах в июне–сентябре 2003 года (рис. 1). Более того, в течение лета 2006 года в Европе сообщалось о более чем 70 случаев смертности, вызванных жарой [8]. Эти проблемы усугубляются эффектом городского острова тепла (UHI) [9, 10].

Термин городского острова тепла используется для городских районов, которые характеризуются более высокими температурами наружного воздуха, чем их сельские окрестности. Это явление связано с тем, что городские районы удерживают и высвобождают в окружающую среду большое количество тепловой энергии [11]. В связи с этим необходимо было разработать и оценить меры по улучшению теплового комфорта в жаркое летнее время в городах.

Данная статья посвящена непосредственно системам испарительного охлаждения (DEC – Direct Evaporative Cooling) в качестве стратегии адаптации к изменению климата. К таким системам относится распыление воды струёй воздуха, направленной на целевую зону. Это может быть достигнуто, например, путём направления воздушного потока на увлажнённые покрытия перед входом в здание [12].

Как правило, это приводит к понижению температуры воздуха и повышению абсолютной влажности. Такие системы как, к примеру, вентиляторы с увлажнением [13] и испарительные башни [14–16] также могут быть интегрированы в здания. Кроме того, системы охлаждения могут быть реализованы в более широком масштабе (здания и улицы) с использованием водяных прудов с водопадами и фонтанами [17], смачиванием мостовых водой [18] и устройством распылительных систем [19]. В этой статье акцент делается на распылительных системах для улиц (рис. 2).

В системе распыления облако мельчайших капель воды распыляется с помощью форсунки/инжектора. Таким образом улучшается смешивание и увеличивается контактная поверхность между воздухом и капельками воды, что приводит к более высокой скорости испарения и более эффективному охлаждению воздуха. Системы распыления для испарительного охлаждения всё чаще используются для достижения немедленного охлаждения и повышения теплового комфорта на открытом воздухе и внутри помещений [19, 20].

Они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими стратегиями адаптации к изменению климата, таких как использование ограждающих конструкций с высокой диффузной отражательной способностью поверхности (альбедо), покрытие крыш растительностью и повышение сопротивления теплопередаче конструкций [21]. Это экологически чистый и экономически эффективный метод для улучшения качества среды внутри и вне помещений, использующий пассивное охлаждение с относительно простыми компонентами [14].

Системы распыления предоставляют проектировщикам и градостроителям гибкость при выполнении дизайнерских решений, что позволяет легко интегрировать их в существующие городские инфраструктуры или в реконструируемые здания. Производительность системы является управляемой и может быть использована динамическим образом, то есть функционировать, когда охлаждение желательно и необходимо. Большинство других стратегий адаптации к изменению климата и смягчения эффекта городского теплового острова, такие как высокое альбедо поверхности (величина, характеризующая отражательную способность любой поверхности), активны в течение всего года. Это означает, что они имеют как положительный эффект в тёплое время года, так и отрицательные побочные эффекты, к примеру, увеличение энергопотребления в зимнее время [22, 23].

Городская территория и окрестности

Несколько научно-исследовательских организаций и консорциумов запустили проекты по адаптации к изменению климата в городах, к примеру: Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change). Консорциумом университетов, научно-исследовательских институтов, политиков и городских чиновников – CPC (Climate Proof Cities – климатоустойчивые города) осуществляет фундаментальные и прикладные исследования по адаптации к изменению климата в городских районах. Исследования также проводятся для определённых областей в Нидерландах, к примеру: для квартала Bergpolder Zuid в Роттердаме, расположенного в северном районе города. Система распыления воды в данном примере применяется во внутреннем дворе (рис. 3), где наблюдается относительно высокая температура воздуха и поверхностей.

Исследуемый квартал состоит из жилых и офисных зданий с узкими улицами и окружающими проспектами (рис. 4a). Большинство улиц узкие с соотношением сторон от 1:1 до 2:1. Средняя высота зданий в районе составляет около 12,6 м, с высотами самого низкого и высокого здания – 2,8 и 51,0 м соответственно (более подробное описание расчётной модели см., ЗВТ. 2015. Весна, с. 72). Диаметр внутреннего кругового домена составляет 1 200 м (рис. 4б). Геометрия зданий, находящихся за круговым расчётным доменом, не включена в расчётную модель, однако их влияние на воздушный поток учтено с использованием соответствующих параметров шероховатости для поверхностей (согласно рекомендациям лучших практических руководств).

Применение вычислительной гидродинамики (CFD) для расчётов микроклимата в городском квартале с системой испарительного охлаждения

 Моделирование выполнено с помощью трёхмерных нестационарных усреднённых уравнений Навье-Стокса в сочетании с моделью турбулентности Realizable. Теплопроводность, конвекция и излучение, вместе с ветровыми потоками, также учтены в расчётах. Поверхностям зданий и земли присвоена одномерная теплопроводность. Для расчётов тепловой конвекции и излучения применены приближение Буссинеска и радиационная модель P‑1 соответственно [24]. Параметры солнечного излучения, такие как вектор солнечных лучей и доля излучения, достигающего поверхности зданий и земли, вычислены с помощью внедрённого в ANSYS Fluent солнечного калькулятора. Расчёты произведены для периода с 15 по 19 июля 2006 года. Для учёта испарительного охлаждения внедрена модель Лагранжа для капель и паров воды.

Распылительная насадка установлена на высоте 3 м (рис. 5). Общий расход воды на распыление составляет 9 л/мин (табл. 1). Модель Rosin-Rammler [25] используется для описания распределения капель по размеру при моделировании c CFD. Диаметры наименьшей и наибольшей капель, учтённых в данной работе,  равны 10 и 60 мкм соответственно. Средний диаметр капель, полученный с помощью распределения Rosin-Rammler, и параметр распыления n равны 20 мкм и 3,5 соответственно. Температура вводимой в систему воды составляет 25 °C.

Капли введены в расчётный домен в 12.00 17 июля, когда и начинаются расчёты их траектории. Обратите внимание, что все граничные условия (например, метеорологические условия) зафиксированы и идентичны условиям в 12.00. Для оценки коэффициентов сопротивления, действующих на капли, используются соотношения Morsi & Alexander [26].

 Результаты

Влияние систем испарительного охлаждения на условия комфорта зависит от сложного взаимодействия между различными климатическими показателями [27] и характеристиками спреев [28, 29]. Для того чтобы получить представление о потенциале системы распыления, которая повышает тепловой комфорт, в данном исследовании рассчитывается универсальный индекс теплового климата (UTCI – Universal Thermal Climate Index) [30, 31]. Индикатор теплового комфорта (UTCI) применяется как на открытом воздухе, так и в полузакрытых условиях. Это эквивалентная температура, полученная на основе многоузловой модели Фиала [32, 33], которая отражает физиологическую реакцию человека на метеорологические параметры, включая температуру и влажность воздуха, скорость ветра и радиационную температуру Tmrt [34]. Значения UTCI можно разделить на десять уровней теплового стресса от «экстремального переохлаждения» до «экстремального перегрева» (табл. 2) [34]. В этом исследовании средняя радиационная температура считается постоянной во всём дворе при Tmrt = 45 °C до и после распыления воды.

Изолинии скорости ветра и температуры воздуха на высоте 1,75 м (расчётная высота пешеходов) вычислены на полдень 17 июля (рис. 6). Распределение температуры согласуется с распределением скорости ветра. В регионах с низкой скоростью ветра температуры воздуха относительно выше. Это явление типично для внутренних дворов, где скорость ветра существенно снижается. Оценка эффективности системы охлаждения внутри двора (рис. 4) путём сопоставления результатов для двух случаев – с применением системы распыления воды и без неё.

На рисунке 5 показано распределение скорости ветра, температуры воздуха и относительной влажности на высоте 1,75 м для случая без системы распыления. На этой высоте, где скорость ветра относительно низкая (0,5–1,5 м/с), наблюдается равномерное распределение температуры и относительной влажности воздуха. Следует обратить внимание, что температура воздуха на 2–4 °C выше, чем назначенная температура воздуха у входа в вычислительный домен (метеорологические данные, 30 °C), что является последствием эффекта городского острова тепла. В этом случае среднее значение UTCI на этой высоте практически постоянно (34,4 °C), что относится к «сильному перегреву» (табл. 2).

Распределение температуры и относительной влажности воздуха внутри двора с использованием системы распыления изображено на рис. 7. В этом случае расход воды (ṁ) составляет 9,0 л/мин и система установлена на высоте (H) 3 м. Видно, что максимальное снижение температуры (около 7 °C) происходит под распылительной системой, соответствующей середине распылительной линии. Это происходит из-за относительно низкой скорости ветра внутри двора, что уменьшает эффект рассеивания капель ветром. Таким образом, большее количество капель выпадает локально вдоль линии распыления, что приводит к более эффективному охлаждению и более высоким показателям влажности в этой области.

Распределение температур и относительной влажности воздуха (рис. 7) относительно симметрично по отношению к распылительной линии. Тем не менее рециркуляция воздуха по часовой стрелке (вокруг оси у) во дворе приводит к адвекции (перенос воздуха и его свойств в горизонтальном направлении) холодного воздуха и влаги к правой стороне двора. Кроме того, система сохраняет охлаждающий эффект на расстоянии от форсунки/инжектора. Например, снижение температуры составляет более 2 °C на расстоянии 8 м от распылительной линии.

Перевод и техническое редактирование выполнены Аделей Хайруллиной ●

Adelya Khayrullina (Аделя Хайруллина) – специалист Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ, Башкортостан), инженер-строитель по специальности «Промышленное и гражданское строительство». С октября 2012 года PhD студент Технического университета Эйндховена (Нидерланды), кафедра строительной физики и инженерного оборудования зданий.

 ОБ АВТОРАХ

Hamid Montazeri (Хамид Монтазери) – PhD (c 2015 года), научный сотрудник Технического университета Эйндховена (Нидерланды), кафедра строительной физики и инженерного оборудования зданий.

Yasin Toparlar ( Ясин Топарлар) – PhD студент кафедры строительной физики и инженерного оборудования зданий Технического университета Эйндховена (Нидерланды) и отдела моделирования окружающей среды в научно-исследовательском институте VITO (Бельгия).

Bert Bloken (Бeрт Блокэн) – профессор кафедры строительной физики и инженерного оборудования зданий Технического университета Эйндховена (Нидерланды), также профессор кафедры строительства Левенского католического университета (Бельгия).

Jan Hensen (Ян Хенсен) – профессор Технического университета Эйндховена, Нидерланды, кафедра строительной физики и инженерного оборудования зданий. Профессор Чешского технического университета в Праге, кафедра моделирования эксплуатационных условий. Хенсен – выдающийся член научных сообществ ASHRAE и REHVA.

 Список литературы

1. Roberts S. Effects of climate change on the built environment. Energy Policy 2008; 36:4552–7.

2. Isaac M, Van Vuuren DP. Modeling global residential sector energy demand for heating and air conditioning in the context of climate change. Energy Policy 2009; 37:507–21.

3. Kovats RS, Hajat S. Heat stress and public health: a critical review. Annu Rev Public Health 2008; 29:41–55.