Численное исследование воздушного отопления в 12-этажном многоквартирном доме на основе ANSYS Fluent

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические и нормативные основы проектирования систем воздушного отопления в гражданском строительстве

1.1. Эволюция теплотехнических решений в российском многоэтажном строительстве и роль численного моделирования в современной теплоэнергетике

1.2. Нормативное регулирование эксплуатации теплотехнического оборудования согласно стандартам Минэнерго России и требованиям Ростехнадзора

1.3. Особенности применения вычислительной гидродинамики (CFD) для решения задач распределения теплоносителя в жилых помещениях

Глава 2. Математическое моделирование и верификация параметров микроклимата 12-этажного здания в программном комплексе ANSYS Fluent

2.1. Обоснование выбора расчетного домена, физико-математической модели и параметров турбулентности для условий естественной и вынужденной конвекции

2.2. Численное исследование распределения температурных градиентов и скоростей воздушных потоков при различных режимах работы отопительного оборудования

2.3. Сравнительный анализ расчетных параметров с требованиями ГОСТ Р 54860 и оценка энергетической эффективности системы

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Численное исследование на основе ANSYS Fluent воздушного отопления в 12-этажном МКД

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена стратегическими задачами повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения жилищного фонда Российской Федерации в контексте реализации федеральных программ энергосбережения и требований Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности». Современные многоквартирные дома представляют собой сложные теплотехнические объекты, где обеспечение нормативных параметров микроклимата при минимальных энергозатратах является приоритетной инженерной задачей. Традиционные системы водяного отопления в многоэтажном жилищном строительстве демонстрируют существенные недостатки, связанные с инерционностью регулирования, гидравлическими разбалансами, коррозией трубопроводов и значительными потерями теплоносителя в распределительных сетях. Воздушное отопление, напротив, обладает рядом технологических преимуществ, включая возможность быстрого изменения температурного режима, отсутствие промежуточного теплоносителя, интеграцию с системами вентиляции и кондиционирования, а также потенциал для утилизации теплоты вытяжного воздуха посредством рекуперативных теплообменников. В условиях Российской Федерации применение воздушного отопления в многоэтажных жилых зданиях остается технически недостаточно изученным направлением, требующим детального численного моделирования процессов тепломассопереноса для обоснования проектных решений.

Степень разработанности проблемы в отечественной научно-технической литературе характеризуется наличием фундаментальных трудов в области теплотехники зданий и вычислительной гидродинамики. Основополагающие исследования теплопередачи в ограждающих конструкциях и расчета теплопотерь помещений представлены в работах В.Н. Богословского, Е.Г. Малявины, Ю.А. Табунщикова. Теоретические аспекты конвективного теплообмена и аэродинамики воздушных потоков в замкнутых объемах рассмотрены в трудах А.М. Гришина, Г.Н. Абрамовича, В.В. Батурина. Применение методов вычислительной гидродинамики для решения задач теплоснабжения зданий активно развивается в работах сотрудников НИУ «МЭИ», НИ ТПУ, МГСУ, однако специфика численного моделирования воздушного отопления в условиях высотного многоквартирного дома с детальным анализом распределения температурных полей и скоростей воздушных потоков по всем этажам остается недостаточно освещенной в российских публикациях. Существующие нормативные документы, включая СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», СП 50.13330.2020 «Тепловая защита зданий», ГОСТ Р 54860-2011 «Здания жилые и общественные. Методика определения энергетической эффективности», устанавливают требования к параметрам микроклимата и энергопотреблению, но не содержат специализированных расчетных методик для проектирования систем воздушного отопления многоэтажных зданий.

Современное развитие программных комплексов вычислительной гидродинамики, в частности ANSYS Fluent, открывает широкие возможности для детального моделирования процессов тепломассопереноса в системах отопления и вентиляции жилых зданий. Использование численных методов позволяет прогнозировать распределение температур, скоростей воздушных потоков, выявлять зоны дискомфорта и застоя воздуха, оптимизировать расположение воздухораспределительных устройств и теплопроизводительность системы, минимизируя необходимость дорогостоящих натурных экспериментов. Применительно к 12-этажному многоквартирному дому численное моделирование обеспечивает возможность учета вертикальной стратификации температур, влияния ветровых нагрузок на инфильтрацию наружного воздуха, режимов работы приточно-вытяжных систем и динамики изменения теплового режима при переходных процессах.

Цель выпускной квалификационной работы заключается в проведении комплексного численного исследования теплового режима и аэродинамических параметров системы воздушного отопления 12-этажного многоквартирного дома с использованием программного комплекса ANSYS Fluent для обоснования проектных решений и оценки энергетической эффективности системы в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации Российской Федерации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• проанализировать современное состояние и перспективы применения систем воздушного отопления в многоэтажном жилищном строительстве Российской Федерации с учетом нормативных требований и опыта эксплуатации аналогичных систем;
• обосновать выбор математической модели тепломассопереноса, модели турбулентности и граничных условий для численного моделирования воздушного отопления 12-этажного многоквартирного дома в программном комплексе ANSYS Fluent;
• разработать трехмерную геометрическую модель расчетного домена, включающую помещения типовых этажей, воздуховоды системы отопления и элементы ограждающих конструкций с учетом теплофизических свойств материалов;
• выполнить численное исследование стационарных и нестационарных режимов работы системы воздушного отопления с определением полей температур, скоростей воздушных потоков и давлений в помещениях различных этажей;
• провести сравнительный анализ полученных расчетных параметров микроклимата с требованиями ГОСТ 30494-2011, СанПиН 2.1.3684-21 и ГОСТ Р 54860-2011 для оценки соответствия системы нормативным критериям комфорта и энергоэффективности;
• разработать рекомендации по оптимизации проектных параметров системы воздушного отопления 12-этажного многоквартирного дома на основе результатов численного моделирования.

Объектом исследования является система воздушного отопления 12-этажного многоквартирного дома с учетом теплофизических характеристик ограждающих конструкций, режимов работы теплотехнического оборудования и климатических условий эксплуатации здания.

Предметом исследования выступают закономерности распределения температурных по

…