Разработка системы отопления, вентиляции и кондиционирования для реконструкции исторического здания – Берлинского Городского Дворца – поставила перед инженерами сложную задачу. Разрабатываемая система должна была соответствовать многим, нередко противоречивым, требованиям: экономичность в эксплуатации, создание комфортных условий для людей и для сохранения объектов искусства, снижение бюджета проекта. Инженеры компании ILK Dresden использовали для разработки системы отопления, вентиляции и кондиционирования приложение ANSYS Fluent, что позволило удовлетворить всем заявленным критериям.

Строительство Берлинского Городского Дворца началось в XV веке. С 1701 по 1918 годы здание являлось главной резиденцией прусских королей династии Гогенцоллерны и немецких императоров. Дворец сильно пострадал во время Второй мировой войны, а позже был снесен правительством Германской Демократической Республики. Сейчас эта важная историческая достопримечательность воссоздается с тремя фасадами по первоначальному проекту, при этом четвёртый фасад и интерьер был разработан архитектором Franco Stella. Здание назовут «Берлинский Городской Дворец – Гумбольдт-Форум», в нем будет размещен музей неевропейского искусства, театр, кинотеатр, зрительный зал и два ресторана. Завершение строительства запланировано на 2019 год.

Наиболее важными критериями при проектировании системы отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК либо HVAC – heating, ventilation and air-conditioning) стали устойчивая работа и энергетическая эффективность системы. Европейское законодательство требует, чтобы здания, построенные после 2014 года, потребляли на 25 процентов меньше энергии по сравнению со зданиями предыдущего поколения. Задачей Института кондиционирования и охлаждения воздуха в Дрездене (ILK Dresden) стала оценка соответствия системы ОВК требованиям нормативных документов в области энергоэффективности при соблюдении требований по комфортным условиям для посетителей здания и сохранности предметов искусства (экспонатов музея). Для моделирования первоначальной конфигурации системы ОВК и исследования альтернативных вариантов инженеры ILK Dresden использовали программный комплекс вычислительной гидродинамики (CFD – computational fluid dynamics) ANSYS Fluent. Они предложили изменения конструкции, которые повышают характеристики комфорта и энергоэффективности на 10–20 процентов при сохранении стоимости первоначального проекта.

Междисциплинарный анализ

Специфические проблемы, связанные с нестандартными проектными требованиями, побудили владельца здания обратиться в ILK Dresden с просьбой о разработке оптимальной конфигурации оборудования. Для работы над этим проектом была выбрана именно эта организация, так как инженеры ILK Dresden имеют богатый опыт междисциплинарных расчётов для решения конструкторских и исследовательских задач в различных отраслях: тепло- и массообмен, термодинамика, гидродинамика, холодильная техника и холодильное оборудование, тепловые насосы и солнечная энергетика. ILK Dresden является некоммерческой рыночно-ориентированной организацией, располагает штатом около 150 сотрудников и помещениями площадью 3000 квадратных метров, на которых расположены 60 испытательных и 25 научно-исследовательских лабораторий.

ILK Dresden выбрал для описываемого проекта программный пакет ANSYS Fluent, поскольку хорошая репутация и доказанная достоверность результатов, существенно превосходящие конкурентов, позволяют как инженерам ILK Dresden, так и их клиентам иметь полную уверенность в точности расчетов. Кроме того, ANSYS Fluent предоставляет полный спектр физических моделей, необходимых для расчёта практически любой задачи, связанной с анализом систем ОВК зданий.

В расчёте были учтены воздушные потоки, теплопередача и солнечное излучение. Для задания граничных условий инженеры использовали климатические данные, предоставленные германской метеослужбой Deutscher Wetterdienst.

Для проверки численного моделирования распределения ветрового давления по поверхности здания инженеры ILK Dresden вместе с Дрезденским техническим университетом (TUD – Dresden University of Technology) выполнили продувку масштабной модели в аэродинамической трубе. Инженеры ILK Dresden занимались моделированием систем распределения воздуха, характеристиками расхода, скорости и температуры источников воздуха, их местоположением и расположением устройств возвратной магистрали. Производители заложенных в проекте вентиляционных установок предоставили для моделирования подробные эксплуатационные характеристики, в частности зависимости расхода воздуха от перепада давления.

Инженеры выполнили численное моделирование воздушного пространства разных помещений: выставочных, концертных и конференц-залов. При этом были приняты во внимание различные варианты их использования и климатические условия внешней среды. Например, при работе над выставочным залом были рассмотрены модели с различным количеством людей в качестве источников тепла. Особое внимание уделялось наихудшим комбинациям условий, в частности, самым жарким и холодным дням, которые можно ожидать в Берлине.

С помощью CFD моделирования были получены всеобъемлющие картины воздушных потоков, распределения таких величин, как скорость, давление и температура во всех частях здания. С особым вниманием инженеры отнеслись к помещениям, где требования по комфорту для человека являлись наиболее приоритетными. Для таких помещений были определены температуры, влажности и скорости потоков, а также рассчитаны проектные риски неудовлетворённости посетителей (draft risk) согласно стандарту ISO 7730. ANSYS CFD позволяет получить распределения температур в виде цветных контуров по горизонтальным сечениям для различной высоты над уровнем пола. Эти результаты не только были использованы для оценки эффективности системы охлаждения, но и помогли понять причины, обуславливающие особенности работы системы и её характеристики.

Оптимизация проекта

Хотя первоначальный проект системы ОВК удовлетворял требованиям энергоэффективности, по критериям комфорта для людей и поддержания условий для сохранения предметов искусства он был не настолько хорош, как хотелось бы. Используя платформу ANSYS Workbench, инженеры ILK Dresden провели оптимизационные расчёты для устранения этих недостатков. Прежде всего, инженеры определили входные и выходные параметры для каждого параметрического исследования. Например, если в какой-то зоне здания скорость воздуха в первоначальном проекте была слишком высока, они указывали расположение, размеры и массовый расход источников воздуха в качестве входных параметров, а в качестве выходных параметров использовали скорость движения воздуха в проблемной зоне. Затем были сформированы начальные наборы входных параметров.

С помощью команды "Обновить все расчетные точки" (Update All Design Points) платформа ANSYS Workbench позволяет автоматически запустить Fluent для решения всех вариантов модели. Значения параметров для каждой расчетной точки сводятся в единую таблицу. Такие таблицы помогли инженерам ILK Dresden понять, насколько результаты зависят от каждого из входных параметров. Эта информация была использована для разработки дополнительных вариантов системы ОВК.

Проведенные инженерами ILK Dresden CFD расчёты имели ключевое значение при разработке оптимальной системы отопления, вентиляции и кондиционирования, позволили удовлетворить широкому ряду противоречивых требований и обеспечили уверенность в том, что разрабатываемый дворец будет соответствовать всем необходимым характеристикам по энергоэффективности, комфорту, сохранению объектов искусства и финансовым затратам.

Источник: http://www.ansys.com/About-ANSYS/advantage-magazine/Volume-X-Issue-3-2016/fit-for-a-king
Автор: Donald Stubbe