Блог

Моделирование обогрева летних веранд ресторанов и кафе

Открытие летних веранд ресторанов способствует увеличению количества посадочных мест и привлекательности со стороны клиентов в летний период. В условиях ограничительных мер в связи с эпидемией коронавируса это также возможность продолжать работу, избегая вынужденных простоев. На большей части территории России летний сезон, к сожалению, короткий и не всегда достаточно тёплый, в связи с этим экономический эффект от организации открытых веранд оказывается недостаточно велик, а сами веранды зачастую не пользуются большой популярностью из-за погодных условий. Использование различных типов обогревателей для создания комфортных условий для посетителей и продления сезона работы открытых веранд – достаточно распространённый способ решения этих проблем.

В летних верандах в основном используются инфракрасные обогреватели, работающие от топлива (газа или керосина) или электричества. Встречаются и другие виды отопления, однако ИК обогреватели обладают преимуществами, которые делают их лучшим решением для обогрева открытых помещений. Инфракрасное излучение обладает волновыми свойствами, поэтому не подвержено воздействию ветра. Воздух на практике можно считать оптически прозрачной средой, в связи с чем он не нагревается от инфракрасного излучения – нагреваются только объекты, находящиеся в зоне действия обогревателя. Работа инфракрасных обогревателей полностью или практически полностью бесшумна в сравнении, например, с тепловыми пушками, а также в отличие от них не воздействует на людей потоком воздуха.

При подборе и размещении обогревательного оборудования рестораны руководствуются инструкциями, доступными в интернете либо предоставляемыми самими производителями обогревателей, или методиками расчетов, применяемыми дистрибьюторами оборудования. Если определить расположение обогревателей, обеспечивающее охват нужной области помещения, таким образом вполне возможно, то оценить, достаточной ли мощностью обладает выбранный обогреватель для обеспечения комфортного пребывания людей на веранде или террасе при тех или иных условиях, практически невозможно.

Подход к моделированию ИК обогревателей

Инженерами АО «ЦИФРА» применяются наукоёмкие методы вычислительной аэродинамики, которые позволяют моделировать описываемые законами физики процессы течения воздуха и теплообмена, включая теплообмен излучением, происходящие на открытых верандах и террасах с высокой точностью и дающие достоверные результаты.

Моделирование работы обогревателей в помещении веранды позволяет оценить охват пространства излучением. По распределению теплового потока излучения на полу можно судить о расположении наиболее сильно обогреваемых областей и зон, нагрев которых мал и недостаточен. На основе этого производятся изменения размещения столов, расположения и наклона обогревателей. При этом полученных данных категорически не хватает для того, чтобы заключить, будет ли в таких условиях человеку комфортно. Включение в расчёт модели человека позволяет связать величину общего теплового потока с поверхности тела, который состоит из конвективной составляющей – охлаждения человека на воздухе, и излучательной, соответствующей нагреву от обогревателей, с реальными ощущениями человеком тепла и холода. Для этого в модели на основе нормативных документов задаётся теплоизоляция одежды человека, рассчитанной на определенные погодные условия, а также фактические погодные условия, принимаемые в расчёте. 

Рассмотрим в качестве примера открытую летнюю веранду кафе.

Для обогрева людей в осенне-летний период под потолком устанавливаются инфракрасные обогреватели. 

Так, если принять, что температура воздуха на улице 0 градусов по Цельсию, ветер отсутствует, а мощность обогревателя 4,5 кВт, то человек в костюме, одетый на +15 ℃, сможет пробыть на веранде в комфорте (без ощущения прохлады) на протяжении 21 минуты.

Если предположить, что в этих условиях на улице дует ветер со скоростью 3 м/с, то комфортное время пребывания человека на веранде снижается до 10 минут. Ветер значительно увеличивает конвективный теплообмен с воздухом, проще говоря – на ветру человек гораздо быстрее замерзает. Как уже было сказано раньше, инфракрасное излучение не подвержено воздействию ветра, а также практически не нагревает воздух, т.е. вся тепловая энергия излучения без потерь передаётся объектам, находящимся в зоне действия обогревателя. При этом, однако, источником излучения является нагревательный элемент, имеющий высокую температуру, и при взаимодействии с воздухом он отдаёт часть тепловой энергии путём конвективного теплообмена, тем большую, чем сильнее ветер. Инженеры АО «ЦИФРА» проводят специальное исследование влияния ветра на работу обогревателей с целью определить потери тепловой энергии на конвекцию, учитывая конструкцию веранды или террасы, где установлены обогреватели, конструкцию самих обогревателей, характерные для места направления и скорости ветра. По результатам исследования предлагаются способы снижения потерь: изменение расположения и наклон обогревателей, конструктивные решения (ветрозащитные элементы для самих обогревателей или помещения в целом). Так, в рассматриваемом примере исследование показало, что никак не защищенный от ветра обогреватель при потолочной установке и скорости ветра 3 м/с теряет до трети тепловой мощности из-за конвективного теплообмена нагревательных элементов с воздухом. В связи с этим крайне важно предусмотреть защиту от ветра для обогревателей, а также для людей, т.е. всей веранды в целом.

Опыт и компетенции

Подход к задачам обогрева людей с помощью инфракрасных обогревателей, разработанный инженерами АО «ЦИФРА», позволяет:

  • разработать эффективное решение для обогрева людей на веранде или террасе, обеспечивая заданные показатели по продолжительности комфортного пребывания людей на месте, равномерности обогрева площади помещения и поверхности тела людей (так, существуют нормы, определяющие максимально допустимый тепловой поток излучения на голову человека, поэтому лучше всего организовать равномерный обогрев человека с разных сторон);
  • оптимизировать существующее решение – повысить эффективность работы оборудования и комфортность нахождения в помещении с помощью ветрозащитных мер, снизить необходимую мощность обогревателей в работе или повысить тепловой эффект за счёт изменения расстановки и положения обогревателей; предложить меры по улучшению существующего решения подбором нового оборудования.

Инженерами АО «ЦИФРА» также выполнен проект по подбору инфракрасных обогревателей для обеспечения тепловой комфортности людей, находящихся под козырьком главного входа в отель, в холодное время года. В проекте выбрана модель обогревателя, а в результате многовариантных расчётов определена оптимальная расстановка обогревателей под потолком козырька, позволяющая обеспечить максимально продолжительное время комфортного пребывания людей под козырьком в наиболее суровых зимних климатических условиях. 

Подводя итог, исследование летней веранды или террасы методом вычислительной аэродинамики с использованием описанной выше расчётной модели позволяет оценить эффективность обогрева с точки зрения комфортности находящихся там людей, достижение которой и является целью применения обогревателей. На основе расчётов выполняется оптимизация расстановки, количества и мощности отопительного оборудования, а также эффективности его работы с помощью защиты от ветра на основе различных целевых показателей и требований заказчиков.

 

Связанные новости
Отличная новость: мы открываем осенний набор в программу стажировки молодых инженеров. Стать участниками стажировки смогут студенты технических специальностей, обучающиеся в вузах Санкт-Петербурга: СПбПУ Петра Великого, БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, СПбГУ, СПбГМТУ, Университет ИТМО. На стажировку принимаются студенты старших курсов: от четвертого и выше. Дата окончания приема заявок — 5 ноября 2021 года.
На нашем YouTube-канале вышли ещё два новых интервью с сотрудниками компании. Серафим Булов – один из молодых специалистов, который начал карьеру в АО «ЦИФРА» в 2021 году после прохождения стажировки - рассказал о том, почему выбрал именно нашу компанию и как пришел в профессию. Сегодня специалист работает над проектированием и оптимизацией судовых палубных конструкций, выполняет прочностные расчеты оборудования АЭС и машиностроительных конструкций.
Связанные публикации в блоге
Архитекторы, инженеры и другие специалисты строительной отрасли сталкиваются с растущим на них давлением, по вопросам соответствия стандартамэнергоэффективности и понижения уровня выбросов углекислого газа при сохранении затрат. Значительное ускорение процесса проектирования зданий при наименьших затратах наилучшим образом достигается за счёт использования новых технологий. Появившийся класс инструментов на базе численного моделирования, моделирование зданий и моделирование физических процессов достигли новых высот скорости и точности, совершенствуя процесс проектирования зданий и другие рабочие процессы с помощью новых возможностей. Численное моделирование открывает мир моделирования для фирм любого размера, работающих над проектами любого масштаба.
От гонок Формулы-1 и межпланетных миссий NASA до объектов гражданского строительства и проектирования ветряных турбин, эксперименты в аэродинамических трубах являются основным методом оценки аэродинамических характеристик конструкции во многих отраслях промышленности. Специально построенные трубы образуют контролируемую среду, в которой инженеры могут произвести оценку воздушного потока, подъёмных сил, сил сопротивления и других сил, которые воздействуют на конструкцию, тем самым предоставляя данные для оптимизации. Точная оценка аэродинамических характеристик может сыграть существенную роль для обеспечения победы одного из нескольких конкурирующих проектов.
Связанные вебинары
На данном вебинаре вы сможете получить новые знания и опыт в области численного решения задач нелинейного деформирования железобетонных конструкций с использованием программных комплексов конечно-элементного анализа Ansys Mechanical и Ansys/LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.