mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2026.2.246-256mgssuvest-893Research ArticleИнженерные системы в строительствеEngineering systems in constructionЧисленное исследование воздухораспределения в помещениях квартир при использовании компактных регенеративных теплоутилизаторовNumerical study of air distribution in apartment premises using compact regenerative heat exchangershttps://orcid.org/0000-0002-4411-5753МонаркинН. Н.MonarkinN. N.

Николай Николаевич Монаркин — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры теплогазоводоснабжения

160000, г. Вологда, ул. Ленина, д. 15

РИНЦ AuthorID: 831464, Scopus: 56027718900, ResearcherID: O-9932-2017

Nikolay N. Monarkin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Heat and Gas and Water Supply

15 Lenina st., Vologda, 160000

RSCI AuthorID: 831464, Scopus: 56027718900, ResearcherID: O-9932-2017

nikolay-monarkin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6639-598XЯковлевВ. А.IakovlevV. A.

Виктор Александрович Яковлев — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры теплогазо-снабжения и вентиляции

190005, г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4

РИНЦ AuthorID: 248647

Viktor A. Iakovlev — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of the Heat and Gas Supply and Ventilation

4, 2nd Krasnoarmeyskaya st., St. Petersburg, 190005

RSCI AuthorID: 248647

yakovlevspv@rambler.ruhttps://orcid.org/0009-0005-5822-1628МонаркинаТ. В.MonarkinaT. V.

Татьяна Владимировна Монаркина — аспирант кафедры теплогазоводоснабжения

160000, г. Вологда, ул. Ленина, д. 15

РИНЦ AuthorID: 1131504, Scopus: 57396272900

Tat’yana V. Monarkina — postgraduate student of the Department of Heat and Gas and Water Supply

15 Lenina st., Vologda, 160000

RSCI AuthorID: 1131504, Scopus: 57396272900

monarkinatv@vogu35.ruВологодский государственный университет (ВоГУ)РоссияVologda State UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ)РоссияSaint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPbGASU)Russian Federation202626022026212246256Copyright © Монаркин Н.Н., Яковлев В.А., Монаркина Т.В., 20262026Монаркин Н.Н., Яковлев В.А., Монаркина Т.В.Monarkin N.N., Iakovlev V.A., Monarkina T.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/893Введение

Введение. В гражданских зданиях существуют проблемы вентиляции, связанные с нарушением требуемого воздухо-обмена и высокими потерями теплоты. Одним из решений таких проблем является применение децентрализованных компактных реверсивных вентиляционных устройств с функцией утилизации теплоты вытяжного воздуха. К подобным устройствам относятся стационарные переключающиеся регенеративные теплоутилизаторы (СПРТ). Они дают высокую степень энергосбережения при небольших расходах воздуха. При применении СПРТ важен вопрос эффективности воздухообмена и воздухораспределения в помещении. Проведено исследование по оценке подвижности воздуха в помещениях типовых квартир при использовании данных устройств при различных характерных расходах воздуха.

Материалы и методы

Материалы и методы. Применен метод вычислительной гидродинамики (CFD-моделирование) работы механической приточно-вытяжной вентиляции на основе компактного регенератора в двухкомнатной квартире. Для моделирования использован программный комплекс Ansys Fluent. Рассмотрена изотермическая постановка задачи. Модель турбулентности принята k–omega (k–ω).

Результаты

Результаты. Приведены поля распределения скорости движения воздуха в плане помещений на различной высоте при различных характерных расходах воздуха. Показаны увеличение подвижности воздуха в помещениях при увеличении производительности вентиляции; совместное действие механической децентрализованной вентиляции и естественной централизованной вытяжной вентиляции жилых зданий.

Выводы

Выводы. По результатам моделирования определено, что при применении вентиляционных устройств типа СПРТ возможно обеспечение требуемой подвижности воздуха в помещениях, что способствует эффективному воздухо-обмену. Выявлено, что допустимая подвижность воздуха в помещениях устанавливается для расходов воздуха в диапазоне 50–100 м3/ч. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании механических систем вентиляции жилых многоквартирных зданий на основе компактных установок типа СПРТ, а также при сочетании естественной и механической вентиляции. В дальнейшем необходимо провести исследование воздухораспределения для других видов и типов квартир, что позволит расширить базу данных для выработки рекомендаций и создания методики проектирования систем вентиляции на основе компактных реверсивных устройств. Также требуется подтверждение моделирования экспериментом.

Introduction

Introduction. Civil buildings have ventilation problems associated with inadequate air exchange and high heat loss. One solution to these problems is the use of decentralized compact reversible ventilation units with an exhaust air heat recovery function. They are called stationary switching regenerative heat exchangers (SSRHE). SSRHE provide a high degree of energy saving with low air flows. When using SSRHE, the issue of the effectiveness of air exchange and air distribution in the room is important. Therefore, a study was conducted to assess the mobility of air in the premises of typical apartments when using such devices at various characteristic air flow rates.

Materials and methods

Materials and methods. The CFD method of modelling the operation of mechanical supply and exhaust ventilation based on a compact regenerator in a two-room apartment is applied. The Ansys Fluent software package was used for modelling. The isothermal formulation of the problem is considered. The turbulence model is adopted by k–omega (k–ω). 

Results

Results. The distribution fields of air velocity in the plan of rooms at different heights with different characteristic air flow rates are presented. An increase in indoor air mobility is shown with an increase in ventilation performance. The combined effect of mechanical decentralized ventilation and natural centralized exhaust ventilation of residential buildings is shown.

Conclusions

Conclusions. Based on the simulation results, it was determined that when using ventilation devices of the SSRHE type, it is possible to ensure the required air mobility in the premises, which contributes to effective air exchange. It is determined that the permissible indoor air mobility is set for air flow rates in the range of 50–100 m3/h. The results of the study can be used in the design of mechanical ventilation systems for residential multi-apartment buildings based on compact SSRHE-type installations, as well as in the combination of natural and mechanical ventilation. In the future, it is necessary to conduct a study of air distribution for other types of apartments, which will expand the database to develop recommendations and create a methodology for designing ventilation systems based on compact reversible devices. Experimental confirmation of the simulation is also required.

СПРТтеплоутилизаторподвижность воздухавоздухораспределениевоздухообменреверсивная вентиляцияскорость движенияSSRHEheat exchangerair distributionreversible ventilationair velocityИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-00080 (URL: https://rscf.ru/project/22-79-00080/). Авторы выражают благодарность анонимным рецензентам.The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation No. 22-79- 00080 (URL: https://rscf.ru/project/22-79-00080/). The authors express gratitude to anonymous reviewers.ReferencesMalyavina E., Agakhanova K. Computational study of a natural exhaust ventilation system during the heating period // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. Pp. 116–124. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_12Malyavina E., Agakhanova K. Computational study of a natural exhaust ventilation system during the heating period. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020; 116-124. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_12Китайцева Е.Х., Малявина Е.Г. Естественная вентиляция жилых зданий // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 1999. № 3. С. 35–40. EDN TYXBBV.Kitaytseva E.Kh., Malyavina E.G. Natural ventilation of residential buildings. AVOK. 1999; 3:35-40. EDN TYXBBV. (rus.).Киреев А. Вентиляция в многоквартирных домах: проблемы и перспективы // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2022. № 6 (246). С. 66–68. EDN RIZKMA.Kireev A. Ventilation in apartment buildings: problems and prospects. Plumbing, Heating, Air-Conditioning. 2022; 6(246):66-68. EDN RIZKMA. (rus.).Monarkin N., Monarkina T. Experimental Research of a Regenerative Heat Exchanger // Processes. 2022. Vol. 10. Issue 1. DOI: 10.3390/pr10010100. EDN SWPPKR.Monarkin N., Monarkina T. Experimental Research of a Regenerative Heat Exchanger. Processes. 2022; 10(1). DOI: 10.3390/pr10010100. EDN SWPPKR.Монаркин Н.Н. Обеспечение требуемого воздухообмена в помещениях при использовании компактных регенеративных теплоутилизаторов // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 3. С. 455–462. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.455-462. EDN ZXZSIV.Monarkin N.N. Maintenance of the required indoor air exchange rate by using compact regenerative heat exchangers. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(3):455-462. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.455-462. EDN ZXZSIV. (rus.).Zender-Swiercz E. A review of heat recovery in ventilation // Energies. 2021. Vol. 14. Issue 6. P. 1759. DOI: 10.3390/en14061759. EDN VNRBFP.Zender-Swiercz E. A review of heat recovery in ventilation. Energies. 2021; 14(6):1759. DOI 10.3390/en14061759. EDN VNRBFP.Monarkin N. Reversible decentralized ventilation: Experimental determination of efficiency by carbon dioxide level // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 78. P. 107675. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.107675. EDN UNDJBA.Monarkin N. Reversible decentralized ventilation: Experimental determination of efficiency by carbon dioxide level. Journal of Building Engineering. 2023; 78:107675. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.107675. EDN UNDJBA.Li Y., Nielsen P.V. CFD and ventilation research // Indoor Air. 2011. Vol. 21. Issue 6. Pp. 442–453. DOI: 10.1111/j.1600-0668.2011.00723.xLi Y., Nielsen P.V. CFD and ventilation research. Indoor Air. 2011; 21(6):442-453. DOI: 10.1111/j.1600-0668.2011.00723.xQuang T.V., Doan D.T., Phuong N.L., Yun G.Y. Data-driven prediction of indoor airflow distribution in naturally ventilated residential buildings using combined CFD simulation and machine learning (ML) approach // Journal of Building Physics. 2024. Vol. 47. Issue 4. Pp. 439–471. DOI: 10.1177/17442591231219025Quang T.V., Doan D.T., Phuong N.L., Yun G.Y. Data-driven prediction of indoor airflow distribution in naturally ventilated residential buildings using combined CFD simulation and machine learning (ML) approach. Journal of Building Physics. 2024; 47(4):439-471. DOI: 10.1177/17442591231219025Van Quang T., Phuong N.L., Doan D.T. Efficient Prediction of Indoor Airflow in Naturally Ventilated Residential Buildings Using a CFD-DNN Model Approach // Lecture Notes in Civil Engineering. 2024. Pp. 759–770. DOI: 10.1007/978-981-99-9947-7_76Van Quang T., Phuong N.L., Doan D.T. Efficient Prediction of Indoor Airflow in Naturally Ventilated Residential Buildings Using a CFD-DNN Model Approach. Lecture Notes in Civil Engineering. 2024; 759-770. DOI: 10.1007/978-981-99-9947-7_76Nielsen P.V. Fifty years of CFD for room air distribution // Building and Environment. 2015. Vol. 91. Pp. 78–90. DOI: 10.1016/j.buildenv.2015.02.035Nielsen P.V. Fifty years of CFD for room air distribution. Building and Environment. 2015; 91:78-90. DOI: 10.1016/j.buildenv.2015.02.035Raczkowski A., Suchorab Z., Brzyski P. Computational fluid dynamics simulation of thermal comfort in naturally ventilated room // MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 252. P. 04007. DOI: 10.1051/matecconf/201925204007Raczkowski A., Suchorab Z., Brzyski P. Computational fluid dynamics simulation of thermal comfort in naturally ventilated room. MATEC Web of Conferences. 2019; 252:04007. DOI: 10.1051/matecconf/201925204007Агафонова В.В., Скибин А.П., Волков В.Ю. Моделирование воздухообмена в офисном помещении при применении микроперфорированного текстильного воздуховода // Водоснабжение и санитарная техника. 2021. № 2. С. 52–57. DOI: 10.35776/VST.2021.02.06. EDN UOQQLZ.Agafonova V., Skibin A., Volkov V. Modeling air exchange in office premises using a microperforated fabric air duct. Water Supply and Sanitary Technique. 2021; 2:52-57. DOI: 10.35776/VST.2021.02.06. EDN UOQQLZ. (rus.).Засимова М.А., Маринова А.А., Иванов Н.Г., Подмаркова А.Д. Численное моделирование воздушных потоков при обтекании сидящего теплового манекена в помещении с перемешивающей вентиляцией // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2022. Т. 15. № 3. С. 111–131. DOI: 10.18721/JPM.15309. EDN BBMIUJ.Zasimova M.A., Marinova A.A., Ivanov N.G., Podmarkova A.D. Numerical simulation of turbulent airflow and heat transfer around a seated thermal manikin in the room with mixing ventilation. St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics. 2022; 15(3):111-131. DOI: 10.18721/JPM.15309. EDN BBMIUJ. (rus.).Teodosiu R., Ilie V., Teodosiu C. Computational Fluid Dynamics prediction of indoor air quality // International Journal of Material Science & Engineering. 2014.Teodosiu R., Ilie V., Teodosiu C. Computational Fluid Dynamics prediction of indoor air quality. International Journal of Material Science & Engineering. 2014.Du L., Yang C., Dominy R., Yang L., Hu C., Du H. et al. Computational Fluid Dynamics aided investigation and optimization of a tunnel-ventilated poultry house in China // Computers and Electronics in Agriculture. 2019. Vol. 159. Pp. 1–15. DOI: 10.1016/j.compag.2019.02.020Du L., Yang C., Dominy R., Yang L., Hu C., Du H. et al. Computational Fluid Dynamics aided investigation and optimization of a tunnel-ventilated poultry house in China. Computers and Electronics in Agriculture. 2019; 159:1-15. DOI: 10.1016/j.compag.2019.02.020Küçüktopçu E., Cemek B., Simsek H. Modeling Environmental Conditions in Poultry Production: Computational Fluid Dynamics Approach // Animals. 2024. Vol. 14. Issue 3. P. 501. DOI: 10.3390/ani14030501Küçüktopçu E., Cemek B., Simsek H. Modeling Environmental Conditions in Poultry Production: Computational Fluid Dynamics Approach. Animals. 2024; 14(3):501. DOI: 10.3390/ani14030501Cao Q., Liu M., Li X., Lin C., Wei D., Ji S. et al. Influencing factors in the simulation of airflow and particle transportation in aircraft cabins by CFD // Building and Environment. 2022. Vol. 207. P. 108413. DOI: 10.1016/j.buildenv.2021.108413Cao Q., Liu M., Li X., Lin C., Wei D., Ji S. et al. Influencing factors in the simulation of airflow and particle transportation in aircraft cabins by CFD. Building and Environment. 2022; 207:108413. DOI: 10.1016/j.buildenv.2021.108413Ghibeche I., Nourani A., Naas T.T., Benziouche S.E., Buchholz M., Buchholz R. A computational fluid dynamics (CFD) modeling in a new design of closed greenhouse // Studies in Engineering and Exact Sciences. 2024. Vol. 5. Issue 1. Pp. 649–666. DOI: 10.54021/seesv5n1-037Ghibeche I., Nourani A., Naas T.T., Benziouche S.E., Buchholz M., Buchholz R. A computational fluid dynamics (CFD) modeling in a new design of closed greenhouse. Studies in Engineering and Exact Sciences. 2024; 5(1):649-666. DOI: 10.54021/seesv5n1-037Abu-Zidan Y., Mendis P., Gunawardena T. Optimising the computational domain size in CFD simulations of tall buildings // Heliyon. 2021. Vol. 7. Issue 4. P. e06723. DOI: 10.1016/j.heliyon.2021.e06723Abu-Zidan Y., Mendis P., Gunawardena T. Optimising the computational domain size in CFD simulations of tall buildings. Heliyon. 2021; 7(4):e06723. DOI: 10.1016/j.heliyon.2021.e06723Penev A., Tsokov L. Influence of buoyancy forces in multi-storey buildings on the efficiency of a regenerative air handling unit with heat recovery // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1032. Issue 1. P. 012029. DOI: 10.1088/1757-899X/1032/1/012029Penev A., Tsokov L. Influence of buoyancy forces in multi-storey buildings on the efficiency of a regenerative air handling unit with heat recovery. IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2021; 1032(1):012029. DOI: 10.1088/1757-899X/1032/1/012029Koper P. Influence of Control Strategy on Heat Recovery Efficiency in a Single-Duct Periodic Ventilation Device // Energies. 2024. Vol. 17. Issue 22. P. 5801. DOI: 10.3390/en17225801Koper P. Influence of Control Strategy on Heat Recovery Efficiency in a Single-Duct Periodic Ventilation Device. Energies. 2024; 17(22):5801. DOI: 10.3390/en17225801

The authors declare that there are no conflicts of interest present.