В статье приведен анализ использования программного комплекса Ansys при моделировании работы механической системы вентиляции в помещении музейного хранения фондов, на объекте культурного наследия музея «Уткина дача».
Ключевые слова: музейное хранение фондов, Ansys, архитектурное наследие, внутренний воздух, максимальная скорость.
При реконструкции объектов исторического и архитектурного наследия для музейных нужд крайне важен индивидуальный подход к проектированию систем микроклимата [1]. Эти системы должны обеспечивать оптимальные условия для сохранения объектов. В научном сообществе активно обсуждаются вопросы определения оптимальных значений температуры, относительной влажности, скорости воздушных потоков и допустимых колебаний параметров микроклимата в музейных помещениях.
Согласно исследованиям, итальянских ученых, большинство экспонатов требует определенных значений относительной влажности (40–60 %) и температуры (19–24°C) внутреннего воздуха. Однако, помимо этих обязательных показателей, также важно поддерживать стабильность параметров внутри данного интервала. Например, дневные колебания температур не должны превышать 1,5 °C, а относительная влажность может меняться на 2–6 % [2]. Однако, учитывая разнообразие объектов и материалов, эти показатели могут варьироваться, что делает расчеты более сложными.
В статье польских ученых [3] содержится информация о рекомендуемых диапазонах температуры и влажности для польских музеев. Для хранения бумаги рекомендуется поддерживать температуру 14–18 °С и влажность 50–65 %. Для древесины рекомендуется поддерживать температуру 14–18 °С с влажностью 55 ± 5 %. Что касается картины, рекомендуется поддерживать температуру в диапазоне 16–18 °С и влажность 55 ± 5 %.
Также европейские музеи ориентируются на исследования и нормы, рекомендованные Гарри Томсоном [4].
В России был разработан Стандарт АВОК 7.7–2020 «Музеи. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха» [5]. Согласно этому стандарту, оптимальные параметры внутреннего воздуха в помещениях музейного хранения фондов составляют: температура — от 18 до 22 °C, влажность — от 50 до 55 %, и подвижность воздуха — от 0,15 до 0,20 м/с. Эти значения могут быть скорректированы в зависимости от типа экспонатов. Стандарт также рекомендует, чтобы суточные колебания параметров внутреннего воздуха не превышали 1 °C по температуре и 5 % по относительной влажности.
В настоящей статье предлагается анализ скорости воздушных потоков на объекте «Уткина дача», расположенного в городе Санкт-Петербург. Для проведения симуляции режима берется помещение музейного хранения фондов, в котором была запроектирована механическая система вентиляции, рисунок 1.
Рис. 1. План помещения музейного хранения фондов
По результатам проектных расчётов была построена трехмерная модель помещения музейного хранения фондов, рисунок 2. В качестве инструмента исследования выступает программный комплекс Ansys. Данную программу можно описать как виртуальную лабораторию, позволяющую проводить исследования в различных направлениях: механические, электрически, оптические, прочностные и многие другие. В рамках проводимого исследования интерес представляют аэродинамические модули программы.
Рис. 2. Трехмерная модель помещения музейного хранения фондов
Целью исследования является анализ результатов моделирования воздушных потоков для помещения музейного хранения фондов с механической вентиляцией.
При подготовке к процессу моделирования в программе ANSYS были выполнены следующие операции
— создание геометрической схемы модели. Так как ANSYS делает больший акцент на проведение программного математического моделирования, для создания трехмерной модели был использован программный комплекс SolidWorks.
— построение сетки конечных элементов. Получившееся число ячеек сетки для данной модели составляет 2 116 981. Оптимальным числом для расчетов на имеющемся персональном компьютере составляет 2 500 000 ячеек, на основании чего эту сетку можно считать оптимальной по критерию числа ячеек
— настройки модуля Fluent: настройка эксперимента и настройка исходных данных эксперимента
— подключение моделей физических процессов. При решении поставленной задачи необходимо подключить: модель Energy — модель уравнения энергии, необходима для обеспечения изменений температур, модель Viscous — модель турбулентности. В данной задаче используется k-ε модель турбулентности как самая универсальная модель
— настройки для исследований помещения для летнего периода. Массовый расход на приточной вентиляции: 0,176 кг/с, что эквивалентно расходу в 520м 3 /ч, такой же расход на вытяжной вентиляции.
Для решения поставленной задачи в ANSYS необходимо выполнить следующие шаги:
— определить стратегию решения;
— назначить критерий сходимости;
— установить количество итераций.
После завершения процесса моделирования результаты были проанализированы с целью их дальнейшей оценки.
На рисунке 3 показано распределение скорости воздуха на у приточных и вытяжных решёток на расстояние 2,5 м от пола. Скорость воздуха здесь находится в диапазоне от 0,05 до 0,6 м/с. Максимальная скорость наблюдается на выходе из приточных решеток.
Рис. 3. Распределение скорости у приточных и вытяжных решеток
На рисунке 4 показано распределение скорости воздуха в сечении помещения.
Рис. 4. Распределение скорости в сечении помещения
Заключение
Из построенной модели следует, что теоретическая система вентиляции обеспечит оптимальную циркуляцию воздушных потоков в помещении музейного хранилища. Максимальная скорость достигается на выходе из приточных решеток, в остальных зонах она колеблется в диапазоне от 0,05 до 0,2 м/с, что соответствует нормам, установленным в [5]. Это свидетельствует о правильном проектировании механической системы вентиляции. Для каждого объекта исторического и архитектурного наследия требуется разработка индивидуальных схем систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
При разработке этих систем специалисты сталкиваются с множеством сложностей. Для предотвращения ошибок в расчетах и проектировании, программный комплекс Ansys является эффективным инструментом. Он помогает моделировать не только воздушные потоки внутри помещений, но и температурные, влажностные режимы и многое другое.
Литература:
- Дорохов В. Б., Фомин И. В. Пути и возможности климатологической сертификации музейных зданий и памятников архитектуры: Исследования в консервации культурного наследия. Вып. 2. Материалы международной научно-методической конференции, посвященной 50-летнему юбилею ГосНИИР. М.: ИНДРИК, 2008. С. 86–91.
- Качество воздуха в музеях // АВОК; пер. с ит. Булекова С. Н., науч. ред. Тарабанов М. Г. 2009. № 6
- Blaszczok M., Kaczmarczyk J., Grygierek J. F. Microclimate (Indoor Air Quality) In Museum Buildings in Poland. May 2010. Conference: 10th Rehva World Congress. Clima 2010At: Antalya, Turkey.
- Thomson Garry. The museum Environment, London-Boston, 1996. Гарри Томсон. Музейный климат [Текст] / Garry Thomson / пер. с англ. — СПб: Скифия. — 2005.
- Стандарт СТО НП «АВОК» 7.7–2020 «Музеи. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха»
