Данная статья содержит методики, с помощью которых решались проблемы, связанные с организацией систем кондиционирования воздуха на территории крытого стадиона NRG Astrodome, расположенного в Соединенных Штатах. Группа инженеров разрабатывала проект, который характеризовали неизвестные проблемы, связанные с размерами сооружения. Начальный этап создания проекта сопровождался решением вопроса практичности и обоснованности организации кондиционирования воздуха в данном сооружении. У разработчиков была информация о высоте кровли в центральной части стадиона (порядка 65 метров) и диаметре сооружения (приблизительно 195 метров). Также было известно, что размер крытой площади равен почти 38,5 тысячам квадратных метров. Кроме того, говорилось, что футбольные события здесь будут проходить с участием максимум 56 тысяч болельщиков.
Технико-экономическое обоснование проекта предполагало акцентирование внимания на ряде факторов, одним из которых являлась конструкция крыши. Ее необходимо было выполнить в таком виде, чтобы кровля не препятствовала выращиванию игрового газона, оптимальным акустическим характеристикам, эффективному функционированию системы кондиционирования и отопления стадиона. Вторым значимым фактором, на который необходимо было обратить внимание, являлась рециркуляция воздушной массы. В результате инженерам необходимо было дать ответ на несколько вопросов:
- Является ли количество воздушной массы, используемой в системе кондиционирования и отопления, оптимальным в плане распределения?
- Будет ли комфортна циркуляция такого объема воздушной массы?
- Отсутствует ли избыточный шум, издаваемый системой распределения воздушной массы?
Следующим существенным фактором была проблема задымленности. Сообщалось, что максимальное расстояние между трибуной и противоположным концом игрового поля равно 165 метрам.
Обратив внимание на задымленность, возникающую на территории открытых стадионов в ночное время суток (в этот период степень видимости дыма является максимальной), инженеры приняли решение о том, что задымленность может создать настоящую проблему. В связи с возникшей проблемой появилась потребность в ее оперативном решении.
Технико-экономическое обоснование располагало еще одним вопросом, который относился к погодным условиям. Данный вопрос был особенно интересным. Для поиска ответа на него разработчики опирались на практический опыт в плане создания проектов больших ангаров, в которых размещались дирижабли. Сложность разработки таких проектов заключалась в необычных погодных условиях, приводящих к выпадению осадков во внутренней части ангара во время отсутствия естественных осадков. Инженеры предположили, что с аналогичной ситуацией они могут столкнуться и при эксплуатации стадиона. Здесь можно было ждать появление тумана, дымки, облачных скоплений турбулентности, похожей на торнадо, а также дождя. Специалисты всерьез задумались над возможностью наблюдения таких явлений.
Обсуждение следующего вопроса было связано с методикой контролирования температурного режима. Инженеров интересовала возможность контролирования температуры на столь обширной территории. Так, они задумались над местом расположения термостатов, выбором типа системы, отвечающей за автоматизированное управление, и подбором воздушных систем, способных обеспечить необходимый температурный контроль. Также у разработчиков возникло предположение о сложности реализации измерения температуры на трибунах. Сложность заключалась в невозможности определить конкретный источник подачи воздуха в определенной зоне стадиона. Это означало, что в случае неправильной разработки проекта воздушная масса может поступать в ту или иную зону от разных систем распределения воздушного потока. Причиной тому может являться возникающая турбулентность. Кроме того, большая высота стадиона может стать причиной возникновения достаточно сильной стратификации, которая особенно проявляется в зимний период. Перед инженерами стояла задача недопущения подобных явлений.
Поэтапная разработка проекта предполагала детальное изучение каждой проблемы. Для этого инженеры использовали теоретический анализ, а также занялись практическими исследованиями. Выбор конструкционного варианта крыши сопровождался изучением проблем выращивания травяного покрова и выполнением экспериментов с целью сбора следующих данных:
- количество световой энергии, необходимой для содержания травяного покрытия в летнее время;
- количество световой энергии, необходимой для содержания травяного покрытия в зимнее время;
- степень воздействия температурных и влажностных изменений на футбольное поле.
В результате необходимо было выбрать покрытие, оптимально подходящее для заданных условий.
Помимо всего прочего, важным условием проекта было выращивание газона рядом со стадионом с учетом ограниченного освещения и искусственно изменяющих климатических условий во внутренней части арены.
Разработчикам пришлось поработать над акустическими проблемами и установить, что площадь кровли (порядка 50 процентов) должна быть покрыта с задействованием звукопоглощающих материалов. В итоге в зонах, через которые проходили световые лучи, отсутствовало какое-либо покрытие. Во время изучения проблем с кровлей инженеры приняли решение о подаче минимального количества световой энергии, необходимой для травяного покрытия. Причиной тому послужило повышение нагрузки на систему кондиционирования воздуха. Конструкционно светопропускающие панели также нагружают отопительную систему и причиняют возникновение стратификации.
Различного характера конструкционные проблемы крыши инженеры решили устранять поэтапно:
- Проведение начальной консультации по объему световой энергии, проходящей через светопропускающую часть кровли.
- Проведение предварительного расчета нагрузки на систему кондиционирования воздуха. Это требовалось для того, чтобы подготовить предварительные сметы и определить требования к обработке воздушной массы.
- Начало исследований, связанных с распределением воздушной массы внутри помещения с большой площадью.
- Проведение анализа термодинамической составляющей, которая отражает погодные проблемы.
- Проведение анализа всевозможных направлений поступления воздушного потока и степени их воздействия на функционирование оборудования, в частности, термостатов. Благодаря этому была спроектирована система управления, у которой, в случае необходимости, была возможность установления температуры приточной воздушной массы в ручном режиме. Кроме того, она способствовала контролю любой зоны с помощью определенного термостата с учетом направления движения воздушной массы и вне зависимости от расположения данного конструкционного элемента. Следует отметить, что проведение ранних расчетов по системе кондиционирования, учет требований к обрабатываемой воздушной массе и методик ее распределения было очень похоже на финальные расчеты, методы и фактически полученные нагрузки.
В результате проведения всех предварительных оценок выяснилось, что проект является обоснованным. Данная информация была донесена до архитекторов. При этом у инженеров были некоторые сомнения, для устранения которых необходимо было провести дополнительные анализы и, при возможности, эксперименты. После одобрений архитекторы начали готовить рабочие чертежи, а инженеры – отдельно исследовать каждую проблему. Кроме того, последние занялись разработкой и доработкой решений, а также развитием и уточнением каждого взаимосвязанного фактора. О подробностях разработки таких решений мы поговорим в следующей части статьи.
Специалисты долго занимались проектированием крыши, в которую были встроены светопропускающие панели. Им не удавалось определить нагрузку на систему кондиционирования воздуха с учетом требований к распределению воздушной массы до того времени, пока до конца не решился вопрос с созданием проекта крыши. Отметим, что процесс длился в течение двухлетнего периода. Главной задачей, на решение которой было потрачено больше всего времени, являлось определение требований к объему световой энергии, необходимой для поддержания в нормальном состоянии травяного покрытия. На ее решение понадобилось полтора года экспериментов, связанных с определением необходимого объема световой энергии, способного поддерживать рост всевозможных сортов травы.
Еще одна существенная проблема, с которой столкнулись исследователи, заключалась в экономике проекта конструкции крыши и светопропускающих панелей. Специалисты приступили к изучению множественных методик ограничения световой и тепловой энергии в летнее время года и предельного роста светового объема в зимнее время. Однако при изучении методик нужно учитывать, что в летний и зимний период солнце сильно меняет свое местоположение. Что касается Хьюстона, где создавался проект футбольного стадиона, данный населенный пункт имеет координату 30 градусов северной широты, поэтому в начале лета в середине дня солнце здесь пребывает в зените. При этом в начале зимы его максимальный подъем над линией горизонта составляет 37 градусов. Из этого можно сделать вывод, что объем световой энергии, направляемый внутрь стадиона в начале лета, значительно превышает объем светового излучения с наступлением зимы. Тем самым, количество света, излучаемого зимой, позволит травяному покрытию выжить. Вместе с тем объем световой энергии в начале лета не будет соответствовать требованиям, значительно увеличив нагрузку на систему кондиционирования воздуха. В связи с этим главный акцент был поставлен на методику ограничения лишнего объема световой и тепловой энергии в летнее время года. При этом инженерам не удалось вывести данную методику на необходимую экономичность.
Решение еще одного интересного вопроса, связанного с крышей, выполнялось на протяжении экспериментов с масштабной моделью крыши с наличием аэродинамической трубы. В результате были сделаны выводы, что условия сильного ветра воздействуют на форму крыши, которая отталкивает внешний воздушный поток и создает разрежение в центральной части арены. Большие вытяжные отверстия, которые должны были располагаться в верхней центральной купольной части, приводят к снижению давления во внутренней части спортивного сооружения по сравнению с окружающим пространством. Инженеры решили, что в связи с таким пониженным давлением перестанут открываться двери, имеющие наружное открытие. В результате сильный ветер приведет к невозможности выхода из сооружения посетителей. Инженеры решили установить аварийные выключатели рядом со всеми главными выходами. Это было необходимо для того, чтобы при возникновении чрезвычайных ситуаций заслонки вытяжных отверстий были полностью закрыты.
Сильная озабоченность была вызвана проблемой скопления табачного дыма. В результате проведенных на территории комплекса Madison Square Park (по рассматриваемому нами сооружению информация в этом плане отсутствует) исследований выяснилось, что относительно рассматриваемого нами сооружения необходимо установить задымленность на «коммерчески допустимом» уровне.
Непрактичным является простое избавление спортивного сооружения от скоплений дыма. При этом с экономической точки зрения целесообразно восстанавливать воздух, используя активированный уголь и электростатические фильтры. Допустимый уровень задымленности определяется посредством организации простого эксперимента, позволяющего создать модель условий видимости, используя стеклянный ящик, позволяющий нам наблюдать цветное видеоизображение спортивного события посредством дыма, находящегося в ящике. Также можно организовать тщательный контроль плотности дыма и предусмотреть инструменты, за счет использования которых возможно точное визуальное представление эффекта, создаваемого различными плотностями дыма. Исследователи выбрали наибольшую плотность, которая считалась допустимой.
Интенсивность циркуляции воздушной массы на стадионе составляет порядка 4,2 миллиона кубических метров в час. Это означает возникновение проблемы ликвидации дыма, а также нагрузку на систему кондиционирования воздуха и отопительную систему. Исследование данных проблем показало почти идентичные результаты. Чтобы ограничить скопление углекислого газа, специалистам необходимо было расходовать наружный воздух в долевом выражении порядка 10 процентов (приблизительно 420 тысяч кубических метров в час). При этом вся воздушная масса должна быть подвержена электростатической фильтрации, чтобы плотность задымления находилась в заданных параметрах. Чтобы табачный дым не раздражал глаза, для его обработки использовался активированный уголь.
Возможную погодную проблему внутри сооружения практически решили с помощью понимания о необходимости постоянного контроля внутренней температуры, независимо от времени года. Тщательный анализ показал, что единственная ожидаемая проблема связана с образованием конденсата на охлажденных поверхностях в зимний период года. Развитие других рассматриваемых возможностей стало невозможным по причине их несоответствия складывающейся на исследуемой территории метеорологической обстановке.
Особенно интересным был вопрос контроля температурного режима. Очевидным является факт невозможности контролирования большой площади поля с использованием термостатов, расположенных по периметру. В связи с этим разработчики позаботились над созданием радиотермостата, способного держать под контролем основные воздухообрабатывающие установки по отдельности. Данный термостат является переносным, поэтому его эффективное использование возможно в любой удобной зоне стадиона.
Для быстрого обнаружения и устранения проблем с оборудованием на подобных сооружениях требуется установка автоматизированной системы с возможность регистрации данных и сигнализацией температурных нарушений.
На основе материалов из журнала "АВОК"
