CFD-моделирование мультимедийных инсталляций

Меня зовут Вадим Каллэ, я руковожу направлением инженерной инфраструктуры STEP LOGIC. Несколько лет назад наша команда принимала участие в строительстве штаб-квартиры одной из российских компаний. В холле, по замыслу дизайнеров, должна была размещаться сложная инсталляция со светодиодными экранами. Однако, если расположить панели неправильно, то они будут перегреваться – выгорает матрица, а на экране образуется пятно. Поэтому для выбора оптимальной конструкции и формы инсталляции мы использовали CFD-моделирование. Как технология Computational Fluid Dynamics Modeling помогла проанализировать микроклимат в помещении и избежать перегрева экранов, расскажу в этой статье.

В проекте мы использовали гибкие OLED-панели, создающие панораму 360 градусов. Инсталляция стала первым в России решением, построенным с использованием подобных экранов. Совокупное разрешение арт-объекта составило 150 млн пикселей.

Во входной группе планировалось установить 4 мультимедийные колонны, собранные из 56 экранов.

В другой части зала под эскалатором – инсталляцию в форме волны из 20 панелей.

Задачи проекта

Мультимедийные экраны сложной формы только появились на рынке, и это был наш первый опыт работы с ними.  Очень скоро стало понятно, что если расположить панели неправильно, то экраны будут перегреваться. Температура дисплея не должна превышать 35 градусов – если она растет, то выгорает матрица, а на экране образуется пятно.

Некоторые OLED-панели располагались в зоне ресепшн, где постоянно находились сотрудники. Температура в этих зонах должна быть комфортной для людей, а скорость потока воздуха не превышать 0,2 м/с, даже несмотря на то, что экраны излучают тепло в инфракрасном диапазоне и им требуется охлаждение. Задачу усложняло то, что проект вентиляции и кондиционирования этажа на тот момент уже был разработан и частично реализован. То есть требовалось определить, как спроектированная схема охлаждения будет работать и сколько воздуха подавать к экранам.

Перед нашей командой стояли задачи:

1. Проверить, можно ли разместить гибкие мультимедиаэкраны на поверхностях сложной формы.

2. Выяснить, будет ли решение работать с существующей системой вентиляции или потребуются доработки.

3. Разработать конструктив для крепления мультимедиаэкранов.

4. Подобрать оптимальную геометрию и количество экранов.

5. Найти решение, чтобы скорость воздуха и температура были комфортными для персонала и посетителей.

Почему использовали CFD-моделирования

После анализа масштаба работ, стало понятно, что схема должна быть проверена CFD-моделированием. По данным технической документации от мультимедиаэкранов были рассчитаны значительные теплоизбытки – для экрана в форме «волны» –  7,5 кВт, для каждой из четырёх колонн – 5,2 кВт, что суммарно даёт теплоприток в помещении более 28 кВт. Для холла размером 25×35 м, в котором предполагается нахождение людей, это очень высокие показатели.  

Численные расчеты (сведение балансов, подсчет количества тепла, уходящего в помещение и за счет принудительной вентиляции) показывают только общую картину. Они дают понимание, сколько тепла выделяется и ассимилируется системой вентиляции и обеспечивают ли кондиционеры снятие теплоизбытков, но не показывают, что именно происходит в зоне экранов – есть ли расход воздуха и застойные зоны, нужна ли оптимизация. Ответы на эти вопросы дает технология Computational Fluid Dynamics Modeling (CFD) – численное гидро- газодинамическое моделирование методом конечных элементов или вычислительная гидрогазодинамика.

Как мы построили работу

Анализ и сбор информации

На первом этапе мы учли все исходные данные, планы, схемы и дизайнерские варианты размещения экранов в холле. В CFD-модель можно заложить разные данные, но если в проекте уже есть функционирующая система кондиционирования, то расчеты нужно вести, исходя из ее параметров.

Чтобы сделать математическую CFD-модель, мы провели анализ документации производителя экранов – конструктив, слои, толщина, характеристики теплопроводности и теплоотдачи. Для CFD-расчета важно было определить, где в устройстве находятся полимерный материал, излучающая матрица, металлический слой, наружное пластиковое стекло, крепежные элементы.

Определение формы инсталляции и количества экранов

В процессе сведения информации мы определили, что экраны можно гнуть по определенному радиусу, а в одном ряду на колонну потребуется 7 экранов. Подсчитать количество рядов уже было делом техники.

Инсталляция в виде «волны» разрабатывалась из множества вариантов. У дизайнеров изначально была определенная задумка. Мы построили 3D-модель и показали в ней весь конструктив: полы, стены, подвесные потолки и сами экраны. После этого началась многоступенчатая работа по оптимизации модели – предложения по изменению формы «волны». В зависимости от варианта количество экранов менялось, потому что у них есть определенный радиус, и их нельзя располагать произвольно. В итоге мы выбирали лучший из 7 вариантов.

Ниже рассмотрим примеры инсталляций разной формы, полученные при 3D-моделировании.

На одном из вариантов экраны пересекались с колонной:

Другой вариант предполагал 40 панелей для инсталляции в зоне ресепшн, так как мы должны были «обойти» железобетонные элементы здания (ригели). Ещё одним минусом этой версии было усложнение теплоотвода и возможный перегрев экранов.

А вот вариант из 20 панелей, который был принят для дальнейших расчётов, как наиболее оптимальный и эстетически привлекательный.

Построение CFD-модели климата помещения

После определения формы мы перешли к вопросу охлаждения инсталляции. Подобных расчетов для гибких мультимедиаэкранов никто ранее не делал.

В результате первых расчётов в CFD стало понятно, что без механической вентиляции экраны гарантированно перегреваются. Мультимедиаэкраны охлаждаются только воздухом, который вокруг них циркулирует, и каналы для его прохождения небольшие. Можно сделать их шире, но тогда придется увеличить в объеме колонны, а у дизайнеров были ограничения по размеру. К тому же это прибавляло количество экранов, а значит и стоимость проекта.

Наши расчеты показали, что при естественной вентиляции для экранов в форме «волны» теплоотвод тоже был недостаточным – в верхней части скапливался нагретый воздух, который приводил к локальному перегреву. На уровне пола температура оставалась более-менее нормальной, а дальше в определенной зоне начинался перегрев и требовалась механическая вентиляция. В CFD-модели мы разместили манекен человека в полный рост, чтобы определить скорость воздуха и комфортную температуру. Параметры проверяли в том числе возле лица и в зоне дыхания.

Мы пробовали разные варианты расходов, температурные графики, геометрию каналов охлаждения. В итоге суммарно было рассчитано более 17 вариантов охлаждения для колонн и волны.

Примеры результатов расчётов для различных параметров для выбранного варианта конструкции.

Изообъёмы с температурой воздуха +40 – 45 °С, тонирование по температуре, вид сбоку.

Вертикальные сечения распределением температуры воздуха

Для колонн также пришлось делать разные модели и расчеты, потому что они представляли собой как отдельно стоящие конструкции, так и экраны у ресепшн. К одной из колонн, например, примыкал стол, поэтому нельзя было, как в других вариантах со всех сторон сделать вентиляционную решетку.

При разработке решений также нужно было учесть, что для ремонта и обслуживания за экранами должен помещаться человек.  Ремонт выполняется с задней части панелей, следовательно, это было дополнительным ограничением для выполнения опорных конструкций, они должны были занимать минимум свободного пространства за экранами.

Проработка конструктивной части

Чтобы закрепить гибкие экраны, нужно было разработать специальную металлоконструкцию, крепящуюся к железобетону и эскалатору. Фактически мы разработали 3D-модель и учли его в CFD-модели. Экспорт модели из Revit в CFD происходит быстро, однако нам приходилось делать это несколько десятков раз. Мы дорабатывали конструктив, форму экранов и заново загружали в CFD, настраивали действия и материалы. Позднее конструктив был выдан разработчикам раздела КМ, которые уже сделали детализированную документацию для изготовления крепежей. 

Ниже приведена визуализация одной из схем открывания конструкций для обеспечения обслуживания.

На потолке возле колонн были предусмотрены кольцевые элементы с сеткой, куда при работе систем вентиляции и кондиционирования уходил горячий воздух. Данные по живому сечению этой сетки, диаметру кольцевого элемента и расходу были получены по нашим расчетам.

Результаты

В итоге была выбрана оптимальная модель и конструктив для колонн. Предпочтение отдали модели, которую физически проще всего было сконструировать и смонтировать.

Большое внимание уделили эстетике инсталляции. После выбора формы экранов, была сделана визуализация в 3dsMax, чтобы показать, как будет выглядеть изображение с разных ракурсов, в том числе с учетом отделочных материалов.

С помощью CFD-моделирования заказчик получил подтверждение, что заложенная система кондиционирования обеспечивает нужный теплоотвод, и в колоннах нет зон перегрева. А вот система охлаждения в зоне эскалатора этим требованиям не соответствовала, поэтому пришлось ее доработать – появились дополнительные канальные кондиционеры и изменилась система воздуховодов, чтобы правильно отводить и подавать охлажденный воздух.

Помимо документации на разработку конструктива, мы подготовили рекомендации для дизайнеров, которые использовались при создании мебели и воздухозаборных решёток.

Выводы

Мы часто сталкиваемся с ситуациями, когда дизайнерские элементы существенно искажают воздушный поток. Казалось бы, количество, температура и подача воздуха правильные, и по расчету в Excel все должно сходиться, а на самом деле поток отклоняется дизайнерским изгибом стены.

В CFD-модели можно посмотреть, как выглядит скоростное поле, поле распределения температур, давлений, какая температура приходит в кондиционер и с какой скоростью воздух проходит через решетки, чтобы определить потери. Нередко оказывается, что они в несколько раз больше, из-за чего кондиционер просто не может обеспечить требуемый расход воздуха.

CFD-моделирование помогает на этапе проектирования предложить правильное решение, чтобы после монтажа и запуска не случилось перегрева оборудования. Например, светодиодными экранами покрывают 10-метровую стену, не учитывая, что тепловыделение от них будет огромным.

Чтобы заранее выяснить возможен ли перегрев оборудования, в CFD-модели нужно задать температуру воздуха в теплый период года, смоделировать системы вентиляции, ограждающие конструкции и сами экраны, все препятствия, которые изменяют конфигурацию воздушного потока. Если это наружная установка, то требуется также учесть солнечное излучение и ветровую нагрузку с учётом направления и силы ветра.