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:

1. 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.
2. Качество воздуха в музеях // АВОК; пер. с ит. Булекова С. Н., науч. ред. Тарабанов М. Г. 2009. № 6
3. 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.
4. Thomson Garry. The museum Environment, London-Boston, 1996. Гарри Томсон. Музейный климат [Текст] / Garry Thomson / пер. с англ. — СПб: Скифия. — 2005.
5. Стандарт СТО НП «АВОК» 7.7–2020 «Музеи. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха»