Эксперты «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» выполнили моделирование системы отопления и вентиляции Воскресенского собора

Специалисты «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» создали математическую модель системы отопления и вентиляции Воскресенского собора, расположенного в г. Арзамас, Нижегородская область, и находящегося сейчас на реставрации. Цель проекта заключалась в выполнении поверочных расчетов температурно-влажностных режимов собора для подтверждения эффективности спроектированной системы отопления и вентиляции.

27dd58fa0dca76e6317872e025c2f34a.jpg

Комплекс из летнего и зимнего храмов в России долгое время считался едва ли не единственным решением. Сегодня монастырские богослужения совершаются в соборах круглый год. Но для того, чтобы переоборудовать «сезонный» храм под круглогодичное использование, требуется особое внимание к техническим деталям. В первую очередь, необходимо повысить тепловую устойчивость ограждающих конструкций церковного здания, снизить неконтролируемую фильтрацию воздуха, нормализовать естественный воздухообмен и обеспечить оптимальные параметры температуры и относительной влажности воздуха в отапливаемых зонах и помещениях здания. Для круглогодичного использования собора в системе отопления нужно предусмотреть возможность регулирования температуры воздушной среды в зимний период в диапазоне от +5°С до +16°С.

При выборе оптимальных параметров температуры и относительной влажности воздуха необходимо обеспечить минимальное изменение влагосодержания штукатурного грунта, красочного слоя стенописи, красочных слоев икон и пр. Постоянные сквозняки и перепады температуры, холодный воздух с улицы в сочетании с жаром свечей и лампад могут очень быстро погубить стенопись и повредить внутренний слой ограждающих конструкций. А для круглогодичного использовании здания собора необходима возможность регулирования температуры воздушной среды в зимний период в диапазоне от +5°С до +16°С. При этом перевод здания на оптимальные температурно-влажностные параметры необходимо осуществлять в течение нескольких лет.

Перед специалистами «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» также стояли задачи:

Обеспечения определенного уровня влажности (40%–60%) безопасного для хранения икон, иконостаса и настенных росписей.

Выбора технических решений, учитывающих требования комфорта и обеспечивающих сохранность элементов интерьера собора (икон и стенописи) – в холодный период года температура должна быть от +12°С до +16°С, влажность 40%–50%, а в теплый –температура от +12°С до +20°С, влажность 40%–60%.

Обеспечения благоприятного микроклимата для эксплуатации здания собора при проведении служб, во время которых из-за присутствия людей, а также горящих свечей и лампад в интерьере скапливается много тепла, окиси углерода и углекислого газа, влажность увеличивается на 15-20%.

По результатам моделирования эксперты «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» определили, что «раздачу» воздуха желательно производить в нижнюю зону, а удаление – из верхней зоны через заполнения световых проемов, оснащенных автоматическими вытяжными фрамугами. Основная цель проветривания – не допускать резкого повышения относительной влажности внутреннего воздуха после отключения системы отопления. В дни проведения служб и после окончания богослужений необходимо удалять из внутреннего объема избытки влаги и вредные примеси, что можно сделать также только с помощью проветривания.

Организация распределения воздуха в большом объеме собора с разнообразными архитектурными элементами разного масштаба представляет собой сложную инженерную задачу. Из-за сложного характера формирующегося течения достоверное прогнозирование поведения воздушных потоков становится невозможным без привлечения методов численного моделирования распределенных параметров микроклимата. Такой подход позволяет получить распределение температуры, влажности, скорости воздушных потоков, концентрации углекислого газа по объему помещения вне зависимости от сложности геометрии, распределения источников тепла и влаги.

Для численного моделирования сложного смешанно-конвективного течения в объеме собора использовался газодинамический решатель Ansys Fluent. Моделирование было выполнено для теплого и холодного периодов года. В ходе математического моделирования также исследовалось течение, формирующееся при режиме сквозного проветривания.

Для проведения расчета в сеточном препроцессоре Fluent Meshing была построена конечнообъемная расчетная сетка на основе полиэдральных элементов размером 8–10 млн. ячеек, с измельчением в местах дверных и оконных проемов и источников тепловыделений (радиаторов). Пространственное разрешение поверхностной расчeтной сетки варьировалось от 10 мм до 1000 мм. Размер элементов в объеме был задан фиксированным – 800 мм. Для каждого безразмерного критерия качества сетки был выдержан приемлемый диапазон значений, что важно для обеспечения точности расчета.

3a7453facd24713e9742a0f2c41a7f5a.jpg

e66b4daea252801f494b2ecc178fcedc.jpg

Рис. 1 – Внешний вид конечнообъемной сетки и CAD-модели расчетной области.

Как показали результаты моделирования, спроектированная система отопления обеспечивает комфортные параметры воздушной среды в летний период: средняя температура воздуха на разной высоте составляет 15°С–17°С, подвижность 0,2м/с–0,6 м/с.

Неблагоприятная ситуация складывается в зимний период года. Средняя температура воздуха в объеме собора лежит в диапазоне от 5°С до 12°С, что на 4–5°С ниже проектных значений. Результаты расчета показали, что спроектированная система отопления не способна компенсировать суммарные тепловые потери через строительные конструкции и обеспечить необходимый температурно-влажностный режим в здании.

Чтобы компенсировать теплопотери, предложено установить дополнительные 8 радиаторов в центральной части храма суммарной производительностью 32–36 кВт. Для проверки эффективности принятого решения выполнено дополнительное моделирования температурно-влажностного режима собора. Результаты моделирования подтверждают правильность и рациональность предложенных мероприятий по усовершенствованию системы отопления для достижения необходимых параметров воздуха в соборе в зимний период года.

Несмотря на то, что вблизи пола температура также держится в районе 0–5°С, наличие дополнительных радиаторов, установленных на колоннах, обеспечивает равномерный прогрев воздуха по площади в каждом контрольном сечении. Средняя температура воздуха в здании лежит в диапазоне от 10 до 15°С.

Системы вентиляции и отопления церковных зданий, а также их архитектурные особенности формируют в их объемах сложные течения с одновременным действием сил свободной и вынужденной конвекции. Такой тип течений плохо описывается стандартными инженерными методиками. Для получения достоверной картины движения разнотемпературных потоков воздуха, а, следовательно, определения эффективности проектируемой системы отопления и вентиляции, требуется привлечение современных технологий компьютерного моделирования распределенных параметров микроклимата.

«Применение методов математического моделирования для анализа поведения воздушных потоков в Воскресенском соборе показало эффективность спроектированной системы вентиляции в летний период. В то же время, стало очевидно, что в зимний период средняя температура воздуха в объеме собора существенно понижена и находится вне комфортных и безопасных для сохранности стенописи и красочного слоя икон значений. Схема организации системы отопления собора должна быть пересмотрена», – комментирует Денис Хитрых, R&D-директор «КАДФЕМ Си-Ай-Эс».

___________________________________________________________

О «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» – крупнейший на российском рынке дистрибьютор систем инженерного анализа, а также центр компетенции и элитный партнер компании ANSYS, Inc. Компания обеспечивает лицензирование, внедрение и техническое сопровождение всех линеек продуктов Ansys, а также сопутствующих программных продуктов сторонних разработчиков для создания специализированных вертикальных решений. «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» также оказывает клиентам комплексные услуги инженерного консалтинга, в том числе выполнение многодисциплинарных инженерных расчетов на заказ, разработку методик решаемых задач, развертывание и настройку высокопроизводительных вычислительных комплексов, проводит очное классное и дистанционное обучение, осуществляет интеграцию и адаптацию инженерного программного обеспечения. В эпоху цифровой трансформации компания помогает клиентам внедрять новые технологии Индустрии 4. на промышленном уровне и предлагает комплексные услуги по созданию цифровых двойников. Подробнее – на сайте https://www.cadfem-cis.ru/.

Комментарии