В статье рассматривается влияние фактических планировочных решений, связанных с размещением экспозиционных перегородок, на параметры микроклимата выставочных залов. Показано, что даже при корректно спроектированных системах вентиляции и кондиционирования изменение внутренней геометрии помещения на этапе разработки экспозиции может приводить к существенному изменению структуры воздушных потоков и локальным отклонениям параметров среды в зоне размещения экспонатов. На основе численного моделирования (CFD) продемонстрирована необходимость инженерного сопровождения проектов на стадии формирования экспозиции, а также обоснована целесообразность применения расчетных методов для оценки и корректировки принимаемых решений.

Введение

Современные выставочные пространства предъявляют повышенные требования к параметрам микроклимата, обеспечивающим как сохранность экспонатов, так и комфорт посетителей. При этом системы вентиляции и кондиционирования воздуха, как правило, проектируются на ранних стадиях, когда внутренняя планировка залов ещё не определена.

На практике окончательная конфигурация экспозиции (перегородки, стенды, витрины) формируется на более позднем этапе и нередко существенно отличается от исходных проектных предпосылок. В результате в зале возникают аэродинамические препятствия, изменяющие структуру воздушных потоков, что приводит к локальным отклонениям параметров микроклимата и, в частности, к превышению допустимых скоростей воздуха вблизи экспонатов.

Традиционные методы расчета воздухообмена не позволяют оценить подобные эффекты, поскольку не учитывают реальную геометрию экспозиции. В этих условиях применение методов численного моделирования (CFD) становится эффективным инструментом анализа структуры воздушных потоков и корректировки планировочных решений на этапе дизайна интерьера.

В настоящей статье рассматривается влияние экспозиционных перегородок на параметры воздушной среды выставочного зала на примере реализованного музейного объекта в г. Калининграде, а также приводятся практические рекомендации по снижению их негативного воздействия на воздухораспределение.

Особенности объекта и принятые решения

Выставочный зал, рассматриваемый в рамках исследования, является частью современного музейного комплекса, для которого предъявляются повышенные требования к стабильности параметров микроклимата.

В зале реализована система приточно-вытяжной вентиляции с перемешивающей схемой воздухораспределения. Подача приточного воздуха осуществляется через воздухораспределительные устройства, размещенные по периметру помещения в нижней зоне и скрытые в конструкциях фальшстен, в которых также проложены подводящие воздуховоды (рис. 2). Удаление воздуха осуществляется через проемы в верхней зоне.

Особенностью принятого решения является обеспечение требуемых параметров микроклимата (температуры и относительной влажности) в течение всего года единой климатической системой без применения дополнительных локальных систем отопления или кондиционирования непосредственно в зале.

Подготовка наружного воздуха осуществляется в центральной приточной установке (рис. 2) с учетом тепловлажностных нагрузок от посетителей, освещения и солнечной радиации в теплый период года, а в холодный период — с учетом теплопотерь через ограждающие конструкции. Основная часть воздухообмена в зале обеспечивается за счет рециркуляционного воздуха, доля которого может достигать 90% от общего расхода.

Регулирование расхода наружного воздуха осуществляется с помощью клапанов переменного расхода (VAV), установленных перед местными кондиционерами, в зависимости от показаний датчиков концентрации CO₂ в обслуживаемых помещениях (рис. 2). Такой подход обеспечивает требуемый воздухообмен при минимизации избыточного поступления наружного воздуха, что важно для поддержания стабильной влажности в течение года.

Следует отметить, что в соответствии с рекомендациями АВОК [1] для музейных и выставочных зданий может применяться схема с централизованной подготовкой воздуха и последующим зональным регулированием расхода и параметров воздуха для отдельных залов. Однако данная схема наиболее эффективна для объектов с относительно небольшими расходами воздуха.

В рассматриваемом случае расчетные расходы воздуха на один выставочный зал составляют от 20 до 40 тыс. м³/ч, что делает применение одной центральной установки менее рациональным. В связи с этим была принята схема с индивидуальными кондиционерами для каждого зала при централизованной подготовке наружного воздуха (рис. 2), что обеспечивает необходимую гибкость регулирования и устойчивость работы системы.

Важным этапом проектирования являлся выбор схемы воздухораспределения, который определялся конструктивными особенностями здания и требованиями к организации микроклимата.

Как отмечается в практике проектирования музеев, приоритетным решением часто является применение вытесняющей вентиляции с подачей воздуха из нижней зоны [2]. Однако в рассматриваемом объекте реализация данной схемы была ограничена конструктивными особенностями. В частности, применение воздухораспределения через пол было исключено из-за отсутствия фальшпола.

Размещение воздухораспределительных устройств в потолочной зоне для подачи приточного воздуха из верхней части помещения также не было реализовано вследствие насыщенности перекрытия зенитными фонарями и другими конструктивными элементами.

В этих условиях была принята схема подачи приточного воздуха через стеновые воздухораспределители, расположенные в нижней зоне по периметру помещения и интегрированные в конструкцию фальшстен (рис. 3).

Выбор перемешивающей схемы вентиляции был обусловлен необходимостью обеспечения требуемых параметров микроклимата в зоне размещения экспонатов при совмещении функций вентиляции и воздушного отопления. Применение вытесняющей схемы в рассматриваемом объекте не было принято, поскольку при подаче нагретого воздуха из нижней зоны, в непосредственной близости от поверхностей размещения полотен, при относительно невысоких скоростях формируются восходящие потоки вдоль их поверхности. Следует отметить, что при принятой схеме в нижней зоне помещения формируются локальные участки с повышенной подвижностью воздуха. Однако в рамках данного исследования основным критерием оценки являлись параметры воздушной среды непосредственно вблизи экспонатов, поскольку именно эта зона является определяющей с точки зрения их сохранности.

Дополнительно следует отметить подход, представленный в работе А.А. Бородкина [3], в которой рассматриваются особенности построения систем вентиляции и кондиционирования воздуха для музейных помещений. В работе А.А. Бородкина также рассматривается применение перемешивающей схемы воздухораспределения, что согласуется с принятыми в настоящем исследовании решениями. При этом особое внимание уделяется обеспечению стабильности параметров микроклимата в условиях переменных тепловых и влажностных нагрузок, обусловленных изменением числа посетителей и наружных климатических воздействий.

В качестве основного инструмента адаптации системы к переменным нагрузкам предлагается использование VAV-регулирования. При этом изменение общего расхода воздуха осуществляется за счёт включения и отключения отдельных диффузоров либо изменения их пропускной способности на основании сигналов от датчиков температуры и влажности.

Таким образом, регулирование параметров внутреннего воздуха достигается преимущественно изменением расхода приточного воздуха при фиксированных его параметрах.

В отличие от данного подхода, в рассматриваемом проекте принята схема с индивидуальной системой кондиционирования для каждого выставочного зала, обеспечивающей возможность работы при постоянном расходе приточного воздуха с изменением его температурно-влажностных параметров в зависимости от расчетных тепловлагопритоков.

Такое решение позволяет:

1. сохранять неизменной структуру воздушных потоков в помещении;
2. обеспечить стабильное распределение скоростей воздуха в зоне экспозиции;
3. снизить риск возникновения локальных зон с повышенной подвижностью воздуха или застойных зон при переходных режимах.

Оба подхода направлены на решение задачи адаптации системы к переменным нагрузкам, однако реализуют её различными способами: через изменение расхода воздуха (в случае VAV-систем) или через изменение его параметров при постоянном расходе (в настоящем исследовании).

Таким образом, принятая перемешивающая схема воздухораспределения является обоснованным решением, учитывающим как конструктивные ограничения здания, так и требования к обеспечению параметров микроклимата.

Постановка задачи исследования

С учетом принятых решений по организации воздухораспределения (рис. 2) и особенностей размещения приточных устройств в конструкции фальшстен (рис. 3), влияние экспозиционных перегородок на параметры воздушной среды требует отдельной количественной оценки.

При размещении перегородок и стендов вблизи стен возможно частичное или полное перекрытие приточных решеток, а также формирование узких каналов между перегородками и ограждающими конструкциями (рис. 4), что приводит к локальному увеличению скоростей приточного воздуха.

Для оценки указанных эффектов было выполнено численное моделирование методом вычислительной гидродинамики (CFD) для нескольких вариантов планировочных решений выставочного зала:

1. Вариант 1 (по первоначальному проекту): без экспозиционных перегородок;
2. Вариант 2: с перегородками без проемов;
3. Вариант 3 (фактически реализованный): с перегородками, содержащими проемы;
4. Вариант 4: с усовершенствованной конфигурацией проемов.

Усовершенствование конфигурации проемов заключалось в добавлении перфорации в нижней части стендов, перекрывающих приточные решетки, а также увеличении и добавление проемов в перегородках, расположенных перпендикулярно основным стенам зала.

В качестве критериев оценки принимались параметры микроклимата в зоне размещения экспонатов, расположенной в непосредственной близости от поверхностей перегородок и ограждающих конструкций. Анализировались подвижность воздуха вблизи экспонатов, а также температура, относительная влажность. Дополнительно анализировалась концентрация CO₂ в зонах пребывания посетителей.

Основное внимание уделялось оценке локальных превышений скорости воздуха вблизи экспонатов, обусловленных изменением структуры потоков при различных вариантах исполнения перегородок. Данный параметр нормируется и имеет ключевое значение для сохранности экспонатов, однако, в отличие от температуры и относительной влажности, не подлежит оперативному контролю средствами автоматизации, что требует его учета на этапе проектирования.

Таким образом, задачей исследования являлась количественная оценка влияния экспозиционных перегородок на параметры микроклимата выставочного зала и определение условий, обеспечивающих допустимые значения скорости воздуха в зоне размещения экспонатов.

Математическая модель и исходные данные

Численное моделирование воздушных потоков в выставочном зале выполнялось с использованием программного комплекса STAR-CCM+.

Расчетная модель включала геометрию помещения с учетом конструкций фальшстен, размещения приточных и вытяжных устройств, а также различных вариантов установки экспозиционных перегородок.

Моделирование проводилось в стационарной постановке с использованием модели турбулентности k–ε, обеспечивающей приемлемую точность при расчете распределения скоростей и температур в помещениях большого объема.

В качестве граничных условий задавались:

1. расходы приточного и вытяжного воздуха, соответствующие расчетным значениям системы вентиляции;
2. параметры приточного воздуха (температура и влагосодержание), определяемые режимами работы системы кондиционирования;
3. тепловыделения от освещения и посетителей;
4. характеристики ограждающих конструкций.

Распределение концентрации CO₂ моделировалось с учетом выделений от посетителей и подачи наружного воздуха через систему вентиляции.

Расчетная сетка формировалась с локальным сгущением вблизи приточных решеток, перегородок и в зоне размещения экспонатов, что обеспечивало более точное определение параметров воздушной среды в критических областях.

Оценка влияния планировочных решений на параметры микроклимата

Для количественной оценки влияния конфигурации экспозиционных перегородок на параметры микроклимата выполнено сравнение результатов численного моделирования для четырех вариантов планировочных решений, сформулированных в постановке задачи.

Анализ проводился по параметрам, имеющим ключевое значение для сохранности экспонатов: подвижности воздуха, температуре и относительной влажности. В отличие от общего анализа полей, оценка выполнялась локально — в зоне размещения полотен, расположенной в непосредственной близости (порядка 0,15 м) от поверхностей стен и перегородок.

В качестве расчетного показателя использовалась доля площади контролируемых поверхностей, на которой наблюдается выход параметров за пределы допустимых значений. Такой подход позволяет корректно сопоставлять варианты между собой при различной площади поверхностей размещения экспонатов.

Критерии оценки принимались в соответствии с требованиями к музейным помещениям:

1. подвижность воздуха — более 0,2 м/с;
2. температура — выход за диапазон 19–21 °C;
3. относительная влажность — выход за диапазон 50–55 %.

Анализ результатов

Полученные результаты свидетельствуют о том, что конфигурация экспозиционных перегородок оказывает определяющее влияние на параметры микроклимата в зоне размещения экспонатов.

Наиболее неблагоприятным является вариант 2 (с перегородками без проемов), при котором доля зон с превышением скорости воздуха достигает 22%. Это связано с формированием узких каналов между перегородками и стенами, в которых происходит ускорение приточного потока (рис. 5). Аналогичная тенденция наблюдается для температуры и влажности, где доля зон несоответствия достигает 17% и 32% соответственно.

Введение проемов в перегородках (фактическая конфигурация) приводит к частичному перераспределению потоков и снижению негативных эффектов, однако сохраняются локальные зоны с повышенными скоростями (до 3-5 м/с) и отклонениями относительной влажности.

Наилучшие результаты получены для варианта с усовершенствованной конфигурацией проемов, при котором достигается наиболее равномерное распределение воздушных потоков. В данном случае доля зон с превышением скорости снижается до 5%, а отклонения температуры и влажности минимальны (см. табл. 1).

Вариант без перегородок демонстрирует относительно благоприятные показатели, однако не может рассматриваться в качестве эталонного, поскольку не учитывает фактическую структуру экспозиции.

Дополнительный анализ влияния методики оценки

Для оценки влияния расположения контрольных поверхностей был рассмотрен дополнительный расчетный случай (вариант 1.1), в котором при отсутствии перегородок поверхности контроля параметров были размещены в тех же зонах, что и в вариантах с экспозицией, включая центральную часть зала.

Результаты данного расчета показали существенное снижение доли зон с отклонениями параметров (подвижность воздуха — порядка 2–3%, температура — менее 1%, влажность — около 4%). Однако полученное улучшение не связано с изменением аэродинамики, а обусловлено изменением методики оценки.

Это объясняется тем, что в центральной части зала параметры воздушной среды являются более равномерными по сравнению с приповерхностными зонами, где формируются основные аэродинамические возмущения, вызванные взаимодействием приточных струй с ограждающими конструкциями.

Таким образом, включение в анализ поверхностей, расположенных вне зоны непосредственного воздействия приточных струй, приводит к «разбавлению» доли неблагоприятных участков и не отражает реальных условий размещения экспонатов.

Данный результат подтверждает, что критические зоны формирования повышенных скоростей и отклонений параметров микроклимата локализуются преимущественно вблизи стен и экспозиционных перегородок.

Иллюстрация характерных зон повышенных скоростей

Результаты моделирования позволяют наглядно выявить механизмы формирования локальных зон повышенных скоростей. В частности, в зазорах между стеной и перегородкой формируются струйные потоки, сопровождающиеся локальным увеличением скорости воздуха (рис. 5).

Аналогичные эффекты наблюдаются в угловых зонах, где происходит взаимодействие потоков от нескольких приточных устройств (рис. 6).

Распределение подвижности воздуха по поверхностям размещения экспонатов (на примере варианта с усовершенствованными проемами) показывает, что даже незначительная с точки зрения дизайна, но корректная оптимизация проемов позволяет существенно сократить зоны с превышением допустимых скоростей.

На рис. 7, 8 показано распределение подвижности воздуха и относительной влажности до и после усовершенствования проемов.

Вывод по разделу

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

1. экспозиционные перегородки оказывают существенное влияние на структуру воздушных потоков;
2. отсутствие проемов приводит к формированию локальных зон с недопустимыми параметрами микроклимата;
3. наличие проемов требует дополнительной оптимизации их расположения и размеров;
4. корректная конфигурация перегородок позволяет обеспечить равномерное распределение воздушных потоков и минимизировать зоны риска;
5. критические отклонения параметров микроклимата формируются преимущественно в приповерхностных зонах, что должно учитываться при выборе методики оценки.

Полученные результаты подтверждают необходимость учета планировочных решений экспозиции на этапе проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Список источников

1. 1. СТО НП «АВОК» 7.7-2020. Музеи. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: утвержден Некоммерческим партнерством «Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике» (НП «АВОК») приказом от 15 августа 2020 г. ; введен в действие с 15 августа 2020 г. – Москва : АВОК-ПРЕСС, 2020. – II, 66 с.
2. 2. Болотов Е. Н. Сохранить наследие: микроклимат музеев / Е. Н. Болотов // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. – 2018. – № 1. – С. 24–31.
3. 3. Бородкин А. А. Особенности построения систем вентиляции и кондиционирования воздуха в музеях / А. А. Бородкин // С.О.К. – 2019. – № 6. – С. 42–47.