POLITECHNIKA POZNAŃSKA. Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji i Ochrony Powietrza mgr inż. Katarzyna RATAJCZAK Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Promotor: prof. dr hab. inż. Edward SZCZECHOWIAK Recenzenci: prof. dr. inż. Gerard BESLER prof. dr hab. inż. Marian ROSIŃSKI Poznań, czerwiec 2015

2 Spis treści Spis treści Wprowadzenie Specyfika krytych basenów pływackich Parametry wody i powietrza Odprowadzenie wilgoci z hal basenowych Podział hali basenowej na strefy Jakość powietrza w halach basenowych Właściwe rozwiązanie układu grzewczo-wentylacyjnego dla hal basenowych Rozwój technologii do kontroli środowiska w krytych basenach Ocena dotychczasowych rozwiązań w zakresie struktur układów wentylacyjnych Przegląd dotychczasowych rozwiązań w zakresie struktur układów wentylacyjnych Badania przeprowadzone w rozprawie, a stan wiedzy Teza, cel i zakres pracy Rozwiązania przyjęte do analiz Rozdział powietrza w halach basenowych Rozwiązania central wentylacyjnych wybrane do analiz Warianty wybrane do analiz Analizowane warianty dla układu wentylacji centralnej Badanie struktur wentylacyjnych basenów krytych Zasady analiz Parametry projektowe dotyczące obiektu Parametry projektowe dotyczące centrali wentylacyjnej Parametry projektowe dotyczące parametrów wody i powietrza Parametry zmienne Modelowanie stanów działania centrali wentylacyjnej Modelowanie stanów powietrza wilgotnego w centrali wentylacyjnej Modelowanie strumieni powietrza Modelowanie ilości odparowującej wody Modelowanie działania urządzeń w centrali wentylacyjnej Algorytm obliczeniowy Walidacja algorytmu na obiekcie rzeczywistym Wyniki obliczeń symulacyjnych Wnioski Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

3 1. Wprowadzenie 1.1. Specyfika krytych basenów pływackich Parametry wody i powietrza Kryte baseny kąpielowe i rekreacyjne są obiektami o specyficznych warunkach klimatu wewnętrznego. W halach tych basenów występuje wyraźnie wyższa temperatura w porównaniu z typowymi pomieszczeniami przeznaczonymi na pobyt stały ludzi. Odkryte powierzchnie mokre powodują stałe parowanie wody, co stwarza problemy z utrzymaniem wilgotności względnej powietrza i zabezpieczeniem powierzchni przegród przed wykraplaniem wilgoci. Równolegle należy zapewnić użytkownikom basenów i atrakcji wodnych odpowiednie warunki dotyczące komfortu cieplnego i jakości powietrza. Wiąże się to ze znacznymi nakładami energii dla zapewnienia wymaganej temperatury wody i powietrza oraz właściwej wilgotności i jakości powietrza. Nie ma praktycznie ścisłych przepisów dotyczących projektowania temperatury i wilgotności względnej powietrza, ale można znaleźć wytyczne, którymi należy się kierować, żeby przy jednoczesnym zapewnieniu komfortu cieplnego dla użytkowników zabezpieczyć konstrukcję obiektu przed wykraplaniem wilgoci oraz utrzymywać zużycie energii obiektu na jak najniższym poziomie. Wilgotność względną można określić na podstawie krzywej duszności i przyjmuje się, że w halach basenowych wilgotność względna przy temperaturze powietrza wynoszącej około 30 o C powinna wynosić około 55 60%. Dobór temperatury oraz wilgotności powietrza zbyt niskich może skutkować zwiększonym odparowaniu wody, a co za tym idzie, również większym zużyciem energii, ponieważ te dodatkowe zyski wilgoci musi usunąć system wentylacyjny. Ponadto, z punktu widzenia użytkowników, zbyt niska temperatura powietrza skutkuje odczuciem chłodu, zwiększa się też odparowanie wody z mokrej powierzchni ciała. Zbyt wysoka temperatura powietrza oraz wilgotność względna z punktu widzenia użytkownika może powodować uczucie duszności, a ze względu na konstrukcję może prowadzić do zawilgocenia przegród zewnętrznych, a co za tym idzie, do niszczenia konstrukcji obiektu. Im wyższa temperatura powietrza, tym wyższe koszty eksploatacyjne, ponieważ powietrze musi być podgrzane do wyższej temperatury. Ważne jest znalezienie kompromisu i dobranie optymalnych wartości temperatury oraz wilgotności względnej powietrza z uwagi na użytkowników i konstrukcję obiektu oraz ich stałe utrzymywanie w całym okresie użytkowania obiektu. Tab Zalecane parametry wody i powietrza dla basenów sportowych na podstawie przeglądu literatury Parametr FINA Polska Przyjęte do analiz Temperatura wody, t w [ o C] Temperatura powietrza, t P, [ o C] brak wytycznych t P = t W + 1 3K 30 Wilgotność względna, P [%] brak wytycznych <65 60 w okresie dnia 65 w okresie nocy Odprowadzenie wilgoci z hal basenowych Kluczowym problemem krytych basenów kąpielowych jest ciągłe parowanie wody z powierzchni basenów i innych powierzchni mokrych. Strumień odparowanej wody jest głównym kryterium dla wymiarowania systemów technicznych odpowiedzialnych za klimat wewnętrzny. Występująca w halach basenowych stosunkowo wysoka wilgotność względna powietrza (55-60%) i wysokie ciśnienie pary wodnej w powietrzu (średnio 2,5 razy większe w porównaniu z typowymi pomieszczeniami), stwarza dodatkowe problemy z przegrodami zewnętrznymi. Powinny być zaprojektowane i wykonane z należytą starannością, aby zabezpieczyć je przed wykraplaniem wilgoci na powierzchni i przed penetracją wilgoci w głąb, szczególnie przegród stykających się z powietrzem zewnętrznym. Do zabezpieczenia przegród powszechnie wykorzystuje się układy wentylacyjne, projektowane jednak głównie do utrzymania temperatury i wilgotności względnej powietrza w hali basenów. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

4 Głośną sprawą, bezpośrednio związaną z tym zjawiskiem, była sprawa basenu Polonez w Targówku, opisana w lokalnej prasie i intrenecie. Po pięciu latach użytkowania wspomniany basen musiał zostać zamknięty w celu naprawy wadliwych elementów konstrukcji dachu, które zostały zniszczone przez zawilgocenie powierzchni wewnętrznej dachu. Samo zawilgocenie powierzchni dachu było jednak spowodowane złą wentylacją obiektu, co zresztą ma miejsce w wielu obiektach basenowych. Nieprawidłowy rozdział strumieni powietrza wentylacyjnego doprowadził do nieskutecznego usuwania wilgoci, co spowodowało wolne parowanie i skraplanie się pary wodnej na stropie nad niecką basenową. Można było temu zapobiec poprzez odpowiednie zaprojektowanie instalacji wentylacyjnej. Z uwagi na to, że taka sytuacja może dotyczyć większej liczby obiektów basenowych, jednak być może na mniejszą skalę i po dłuższym okresie użytkowania, podjęto rozważania na temat zmiany tradycyjnie projektowanego systemu wentylacyjnego dla obiektów basenowych. Niestety obiekty projektowane w Polsce są często pozbawione etapu projektowania, w którym analizowane są nowoczesne rozwiązania proponowane jako efektywne (pod różnymi względami). Z uwagi na to, że w procesie budowlanym liczy się szybkość wykonania projektu oraz wybudowania obiektu, nie ma czasu na powyższe analizy. Projektowanie odbywa się na zasadzie kopiowania już dostępnych rozwiązań, a nie szukania lepszych Podział hali basenowej na strefy Rozdział powietrza w hali basenowej powinien odpowiadać potrzebom obiektu basenowego i być dostosowany do potrzeb poszczególnych fragmentów hali. Obiekty basenowe można zakwalifikować do kategorii obiektów wielkokubaturowych. Chodzi tu przede wszystkim o halę basenową. Kubatura ta zwiększa się, jeżeli w obiekcie występują trybuny. Wskaźnik kubatury hali basenowej w stosunku do powierzchni wody może wynosić od 5 dla basenów hotelowych do nawet 15m 3 /m 2 B w przypadku obiektów z trybunami dla dużej liczby osób. Tego typu obiekty charakteryzują się licznymi problemami. Wśród nich należy wymienić: duże zużycie energii, problemy z rozdziałem powietrza, przegrzewanie całej hali, niekontrolowane rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń, jeżeli występują, nie ma wielu przykładów projektów instalacji dla takich obiektów. Cechą charakterystyczną hal basenowych jest również to, że mimo dużej kubatury jedynie mała jej część jest zajęta przez użytkowników. Właściwym rozwiązaniem powyższych problemów może być zdecentralizowany system wentylacyjny. Wentylacja strefowa pozwala na oszczędność energii zużywanej przez budynek. Jest korzystna z uwagi na zapewnianie odpowiednich parametrów według wymagań danej strefy, których w obiektach wielkokubaturowych może być nawet kilka. Strefowy podział hali basenowej może zapewnić komfort cieplny użytkownikom obiektu. Dzięki odpowiedniemu systemowi rozdziału powietrza ewentualne obecne w obiekcie zanieczyszczenia są usuwane w miejscu ich powstawania. Podziału hali basenowej można dokonać ze względu na konieczność zapewnienia odpowiednich parametrów komfortu cieplnego użytkownikom basenu (rys. 1.1.): Rozprawa skupia się na warunkach panujących w hali basenowej, zatem uwzględniając wszystkie powyższe założenia, dokonano podziału hali basenowej na 3 strefy. Rys Podział hali basenowej na strefy charakteryzujące się różnymi potrzebami cieplno-wilgotnościowymi Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

5 Jakość powietrza w halach basenowych Od początku tego wieku w obiektach basenowych zwraca się coraz większą uwagę na jakość powietrza. Często w otoczeniu niecek basenów są wyczuwalne zapachy związków chloru. Woda basenowa jest dezynfekowana, w celu ochrony użytkowników przed drobnoustrojami. Jednak równolegle do wody w basenach są wprowadzane przez ludzi różne związki organiczne, które w kontakcie z chlorem tworzą szkodliwe związki organiczne na bazie chloru, takie jak: chloraminy lub trihalometany. Są one lotne i łatwo ulatniają się do otaczającego powietrza. Są one cięższe od powietrza, więc gromadzą się nad powierzchnią wody i są wdychane przez użytkowników basenów. W przypadku wadliwie zaprojektowanej instalacji wentylacyjnej nie można ich usunąć i powodują one znaczne pogorszenie jakości powietrza. W obiektach basenowych emitowanymi związkami chemicznymi są tak zwane uboczne produkty dezynfekcji wody (DBPs disinfection by-products). Pierwotne zanieczyszczenie wody związkami chemicznymi prowadzi do zanieczyszczenia powietrza, w związku z czym pogarsza się jego jakość. Wiadomo, że istnieje ponad 600 związków, które można określić jako uboczne produkty dezynfekcji wod. Można je podzielić na 3 główne grupy: trihalometany (THM), chloraminy i kwasy halooctowe (HAAs). Dodatkowo istnieją jeszcze inne grupy tych związków, takie jak haloacetonitryle (HANs) czy wodzian chloralu (CH). Autorzy badań wyszczególnili 11 substancji wchodzących w skład DBPs, które występują w powietrzu: monochloramina NH 2 Cl, dichloramina NHCl 2, trichloramina NHCl 3, chloroform CHCl 3, bromoform CHBr 3, dichlorobromometan CHBrCl 2, dibromochlorometan CHBr 2 Cl, cyanogen chloride CNCl, cyanogen bromide CNBr, dichloroacetonitrile CNCHCl 2, dichloromethylamine CH 3 NCl 2. Pierwsze trzy substancje zaliczają się do chloramin, natomiast pozostałe do grupy trihalometanów. Głównym przedstawicielem chloramin obecnych w wodzie basenowej jest trichloramina NHCl 3. Jest ona związkiem odpowiedzialnym za zapach chloru w obiekcie basenowym, a także często wokół budynku. Wpływa na podrażnienia oczu, górnych dróg oddechowych. Jest związkiem lotnym, który łatwo przechodzi z fazy ciekłej do gazowej. Najczęściej jedynym źródłem trichloraminy w powietrzu jest woda basenowa. Stężenie trichloraminy w wodzie i powietrzu może być bardzo zmienne i wiązać się z charakterystyką powierzchni kontaktu między wodą a powietrzem (im bardziej wzburzona powierzchnia, tym więcej substancji przechodzi z wody do powietrza) oraz z wentylacją hali basenowej. Natomiast przedstawicielem trihalometanów (THM), z uwagi na największy udział ilościowy w sumie tych związków obecnych w halach basenowych, jest chloroform CHCl 3. Ilość chloroformu w wodzie i powietrzu wiąże się z liczbą pływaków i intensywnością pływania. Natomiast udowodniono również, że chloroform i inne DBPs przechodzą do krwi pływaków i innych użytkowników basenów. Użytkownicy basenów narażeni są na kontakt z chloroformem i innymi produktami ubocznymi dezynfekcji wody na trzy sposoby: wdychanie, połknięcie, kontakt przez skórę. Ilość chloroformu we krwi rośnie wraz ze zwiększonym wysiłkiem fizycznym. Stężenie we krwi zmniejsza się dopiero po około 10 godzinach. Jakość powietrza a dezynfekcja wody Woda w basenach kąpielowych musi być dezynfekowana w celu niedopuszczenia do rozwoju bakterii i innych drobnoustrojów wnoszonych do basenu przez użytkowników. Należy zabezpieczyć ludzi przed zarażeniem się chorobami, które mogą się rozwijać w wodzie. Zarówno woda basenowa, jak i całe otoczenie niecki basenu stwarzają dobre warunki do rozwoju grzybów i pleśni oraz różnego rodzaju mikroorganizmów. Panują tu wysokie temperatury wody (ok o C) oraz powietrza ( o C). Chlorowanie, z użyciem chloru pod różnymi postaciami jest metodą najpopularniejszą. Wpływ na to ma fakt, że jest to metoda dobrze znana, tania i stosunkowo efektywna dla wody basenowej. Niestety chlor, co jest dużą wadą tej metody dezynfekcji, wchodzi w reakcję ze związkami organicznymi obecnymi w wodzie, tworząc związki będące produktami ubocznymi procesu dezynfekcji wody. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

6 Prekursorami powstawania THM w wodzie basenowej są: mocznik, jony amoniowe, α- aminokwasy i kreatyniny wprowadzane do wody przez osoby kąpiące się (czyli np. pot). Są to substancje wprowadzane do chlorowanej wody basenowej wraz z użytkownikami. Ilość powstających DBPs zależy zarówno od ilości prekursorów, czyli ilości wprowadzanych do wody substancji organicznych, jak i od metody dezynfekcji wody. Istnieją badania, potwierdzające, że większa ilość wprowadzonych substancji organicznych związana z większą liczbą użytkowników basenu powoduje podwyższenie stężenia DBPs w powietrzu w hali basenowej. Ilość substancji organicznych wprowadzanych do wody wraz z użytkownikami jest trudna do oszacowania, jednak istnieją pewne dane, które podają te ilości. Ilość mocznika znajdującego się na skórze człowieka wynosi mg; im więcej osób pływa, tym więcej mocznika wprowadzają do wody, a co za tym idzie, zwiększa się ilość tworzących się produktów ubocznych dezynfekcji i emisja tych związków będzie większa. Oprócz kąpieli przed wejściem do basenu warto również zwrócić uwagę na zalecenia dotyczące zakładania czepków, gdy uważa się, że włosy są najbardziej zanieczyszczone. Wpływ produktów ubocznych dezynfekcji wody (DBPs) na zdrowie użytkowników basenów Istnieje szereg badań, które wykazują, że uboczne produkty dezynfekcji wody basenowej mają negatywny wpływ na zdrowie użytkowników basenów. Zwrócić uwagę należy na fakt, że problem w większości dotyczy pływaków wyczynowych i osób pracujących zawodowo na basenach krytych. Długotrwałe i długoletnie przebywanie w halach basenowych może powodować choroby zawodowe, wśród których należy wymienić: astmę zawodową (occupational asthma), alergie, katar, schorzenia górnych dróg oddechowych, podrażnienia skóry, podrażnienia oczu i wiele innych. Można znaleźć dane, że pływacy wyczynowi chorują na astmę dużo częściej niż inni sportowcy. Autorzy zauważają, że ciekawe byłoby porównanie objawów kataru u pływaków oraz pływaczek synchronicznych, które trenują z zaciskami na nosie. Chloraminy, a wśród nich przed wszystkim trichloramina, odpowiadają za podrażnienia i czerwoność oczu, podrażnienie górnych dróg oddechowych, katar, utratę głosu i widać wyraźnie zależność dawka odpowiedź, a dawka, przy której widać wyraźnie objawy zdrowotne, to 40,5 mg/m 3. Autorzy kolejnych badań przeprowadzali analizy u osób dorosłych. Zbadali, że po pływaniu następuje siedmiokrotny wzrost stężenia THM w powietrzu wydychanym. Stężenie chloroformu w powietrzu wydychanym miało ścisły związek ze stężeniem w powietrzu w hali basenowej, ale nie mierzono stężenia w wodzie. Autorzy wskazują jednak, że należy podkreślać, iż pływanie jest bardzo korzystne dla zdrowia i nie należy z niego rezygnować, tylko szukać rozwiązania istniejących problemów. Często proponowanym rozwiązaniem w kwestii zanieczyszczeń powietrza w halach basenowych jest właściwe projektowanie układów wentylacyjnych. Proponuje się, żeby system wentylacyjny pracował tylko na powietrzu świeżym, co ma zapewnić odpowiednie usuwanie DBPs z powietrza. Jest to jednak rozwiązanie niekorzystne z uwagi na zużywanie dużych ilości energii przez obiekt basenowy. Innych wytycznych poza stosowaniem wentylacji z dużą liczbą wymian powietrza nie ma. Dodatkowo należałoby eliminować obecność prekursorów powstawania DBPs w wodzie. Można to uzyskać poprzez zalecenie kąpieli z mydłem przed wejściem do basenu. Zmniejszyć tę ilość można poprzez wprowadzenie obowiązku kąpieli pod prysznicem przed wejściem do basenu. Taka kąpiel może zmniejszyć ilość wprowadzanego mocznika o 90%, natomiast w określone jest konkretniej, że prysznic zmniejsza tę ilość o 80%, a kąpiel w ciepłej wodzie z użyciem mydła powoduje zmniejszenie nawet o 93%. Oczywiście zalecenie kąpieli z mydłem może być trudne do egzekwowania, jednak zostały przeprowadzone badania na temat prośrodowiskowych postaw Europejczyków, z których wynika, że 80% ankietowanych osób uważa, iż stan środowiska ma wpływ na jakość ich życia. Pokazanie ludziom skutków ich zachowania poprzez zapoznanie ich z zagrożeniami zdrowotnymi i tym, jak mogą wpłynąć na poprawę tego stanu, może pozwolić na zmniejszenie problemu, jakim jest wprowadzanie do wody basenowej substancji organicznych, czyli prekursorów powstawania zanieczyszczeń. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

7 Właściwe rozwiązanie układu grzewczo-wentylacyjnego dla hal basenowych Rozwiązaniem powyższych problemów jest dobrze skonfigurowany i zaprojektowany układ grzewczo-wentylacyjny (HVAC) oraz odpowiednio dobrane przegrody zewnętrzne hali basenów. Pewne znaczenie ma również sposób filtracji i podgrzewania wody w basenach oraz atrakcjach wodnych. Układ grzewczo-wentylacyjny powinien jednocześnie zapewnić: odpowiednie parametry komfortu cieplnego różnym grupom użytkowników basenów, tj. pływakom, korzystającym z atrakcji wodnych, ratownikom, trenerom, widzom itp. Każda z tych grup ma różne potrzeby, jeżeli chodzi o odczucie komfortu cieplnego z uwagi na charakter przebywania w hali basenowej. Ponadto układ grzewczo-wentylacyjny ma zapewnić jakość powietrza w hali basenowej i zabezpieczyć przegrody zewnętrzne, szczególnie przeszklone, przed wykraplaniem wilgoci. W większości przypadków próbuje się to rozwiązań za pomocą jednego centralnego układu wentylacyjnego. Takie rozwiązanie jest relatywnie tanie inwestycyjnie, jednak dalekie od realizacji wszystkich potrzeb w hali basenowej i nieoptymalne, w tym również jeżeli chodzi o zużycie energii w czasie eksploatacji. Podstawowym elementem takiego centralnego układu wentylacyjnego dla hali basenowej jest centrala basenowa. Powinna ona przygotowywać powietrze o parametrach potrzebnych dla zabezpieczenia komfortu cieplnego i jakości powietrza w obrębie niecki basenowej, a okazuje się że ta centrala w pierwszej kolejności zabezpiecza przegrody przeszklone przed kondensacją wilgoci, bo ten efekt jest widoczny, a jakości powietrza nie widać. Jak wykazały analizy, dla poprawy sytuacji niezbędna jest decentralizacja układu grzewczo-wentylacyjnego, aby zapewnić spełnienie wymagań dla różnych grup użytkowników obiektu basenowego, poprawić jakość powietrza i zapewnić ochronę przegród budowlanych przed kondensacją wilgoci, a jednocześnie uzyskać wyraźne obniżenie zużycia energii w czasie eksploatacji. Wpływ na to ma struktura układu grzewczo-wentylacyjnego, sposób rozdziału powietrza w hali basenowej, optymalizacja układu technologicznego centrali wentylacyjnej basenowej, dodatkowe układy poprawiające komfort cieplny i chroniące przegrody zewnętrzne przed kondensacją, odpowiednio parametry operacyjne i energooszczędna eksploatacja. Zagadnienia te są przedmiotem rozważań w tej pracy Rozwój technologii do kontroli środowiska w krytych basenach Podejście do projektowania instalacji do kontroli klimatu w krytych basenach zmieniało się przez lata. Pierwsze instalacje były instalacjami prostymi, które zapewniać miały utrzymanie temperatury oraz odprowadzać wilgoć. Projektowanie nastawione było właściwie tylko na efekty wizualne, czyli taki dobór instalacji wentylacyjnej, by nie występował efekt wykraplania wilgoci na przeszklonych powierzchniach przegród zewnętrznych. Kolejnym krokiem było zwrócenie uwagi na zużycie energii przez technologie stosowanie w basenach krytych. W układach central wentylacyjnych zaczęto wprowadzać rozwiązania zmniejszające zużycie energii takie jak: recyrkulacja powietrza, wymienniki płytowe do odzysku ciepła, a najnowszym osiągnięciem jest wprowadzanie do central wentylacyjnych pomp ciepła, które osuszają powietrze i wspomagają jego podgrzew, przez co nagrzewnica może mieć mniejszą moc, a także mogą częściowo podgrzewać wodę basenową. We współczesnych centralach łączy się te trzy wspomniane elementy odzysku ciepła w układ wielostopniowy. Następną propozycją w zakresie polepszenia efektów energetycznych w układach instalacyjnych dla basenów krytych była propozycja osuszania powietrza przez układy otwartej adsorpcji, jednak rozwiązanie to nadal nie jest szeroko stosowane. Zastosowanie wielostopniowego odzysku ciepła pozwala na znaczne obniżenie zużycia energii potrzebnej do przygotowania powietrza. Dalsze działania, to zwracanie uwagi na jakość powietrza i wody. Liczne badania pokazują, że należy skierować uwagę na nowe metody dezynfekcji wody w celu poprawy jej jakości oraz jednocześnie zwracać uwagę na jakość powietrza, związaną bezpośrednio z powstawaniem zanieczyszczeń w związku z reakcjami chemicznymi zachodzącymi między zdezynfekowaną wodą a substancjami organicznymi wprowadzanymi do wody wraz z użytkownikami basenu. W celu poprawy jakości powietrza należy więc w układach wentylacyjnych znaleźć sposób na ich usuwanie, na przykład poprzez zmianę podejścia do rozdziału powietrza. Kolejnym krokiem powinno być zintegrowanie wszystkich powyższych rozwiązań proponowanych jako najbardziej Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

8 efektywne i właściwe dla basenów krytych. Poprzez zintegrowanie należy rozumieć połączenie centrali wentylacyjnej z wielostopniowym, wysokosprawnym odzyskiem ciepła, nowego podejścia do rozdziału powietrza, który ma zapewniać odpowiednią jakość powietrza użytkownikom oraz dzięki wspomaganiu przez układ grzewczy zapewniać komfort cieplny Ocena dotychczasowych rozwiązań w zakresie struktur układów wentylacyjnych Przegląd dotychczasowych rozwiązań w zakresie struktur układów wentylacyjnych Biorąc pod uwagę konieczność wprowadzania rozwiązań energooszczędnych dla systemów przygotowania powietrza oraz zapewnienia odpowiednich parametrów klimatu wewnętrznego i odpowiedniej temperatury wody dla basenów pływackich, wykonano przegląd badań nad takimi systemami. Lazzarini i Longo w 1996 roku porównywali 5 systemów wentylacyjnych dla krytego basenu pływackiego: prosty system wentylacyjny, system z odzyskiem ciepła w postaci wymiennika krzyżowego o sprawności odzysku ciepła 70%, system z pompą ciepła ze skraplaczem powietrznym i wodnym z napędem elektrycznym, system z pompą ciepła, ale napędzaną silnikiem, oraz nowy system z osuszaniem sorpcyjnym. Po zanalizowaniu ich stwierdzili, że układy z pompą ciepła są najlepszymi dostępnymi rozwiązaniami. Kontrola parametrów wewnętrznych w hali basenowej może zmniejszać zużycie energii obiektu basenowego bez konieczności stosowania skomplikowanych technologii. Przykładem może być układ prosty, ale przy zwiększeniu wilgotności względnej powietrza z 50% do 70%. Przy takich założeniach układ zużywa porównywalną ilość energii, co jest bardziej skomplikowane przy mniejszej wilgotności względnej powietrza. Analizy są wykonane bez podawania większych szczegółów i bez analizy wpływu zmiany parametrów powietrza i wody na konstrukcję budynku. Johansson i Westerlund w 2001 roku badali 3 systemy wentylacyjne: układ prosty, układ z pompą ciepła i układ z osuszaniem w systemie otwartej adsorbcji. W układzie prostym do kontroli wilgotności powietrze służy mieszanie powietrza zewnętrznego i usuwanego z hali basenowej, a do kontroli temperatury nagrzewnica wodna. W układzie z pompą ciepła z podwójnym skraplaczem wodnym i powietrznym 20% powietrza osuszane jest w parowaczu pompy ciepła, a pozostałe powietrza przechodzi przez by-pas. Skraplacz pompy ciepła podzielony jest w taki sposób, że 90% jego mocy przeznaczone jest do podgrzewu wody basenowej, a jedynie 10% do podgrzewu powietrza wentylacyjnego. Dodatkowo osuszanie powietrza nocą odbywa się bez udziału powietrza świeżego. Trzecim porównywanym systemem był, podobnie jak u Lazzariniego i Longo, układ z otwartą absorbcją, w którym również, jak w przypadku pompy ciepła, część powstałego przy osuszaniu powietrza ciepła jest przekazywana wodzie basenowej. W tym układzie do jego pracy potrzebny jest dodatkowy generator, który jest niezbędny do pracy adsorbera. Autorzy stwierdzili, że stosując pompę ciepła, można uzyskać zmniejszenie zużycia energii o 14% w stosunku do układów prostych, a przy zastosowaniu systemu osuszania adsorpcyjnego o 20%. Zalecają jednak stosowanie układów z pompą ciepła, gdyż są to systemy dobrze poznane i zoptymalizowane, a rozwiązania z układami adsorpcyjnymi nie są jeszcze skomercjalizowane. Z tego powodu nie ma również możliwości porównania kosztów zastosowania obu rozwiązań. Lam i Chan w 2001 roku do analizy układów wentylacyjnych dla basenów wprowadzili obliczenia zużycia energii w cyklu życia. Autorzy porównywali koszty dla trzech układów: z pompą ciepła, z nagrzewnicą eklektyczną oraz nagrzewnicą wodną, jednakże ich analizy dotyczyły małego, odkrytego basenu hotelowego, więc obliczenia dotyczyły jedynie podgrzewu wody. Autorzy stwierdzili jednak, że najbardziej opłacalnym systemem jest układ z pompą ciepła. Również Lee i Kung badali zużycie energii oraz jej koszty w cyklu życia. Do podstawowych obliczeń zastosowany był układ przygotowania powietrza oparty na pompie ciepła, gdzie parowacz służył do osuszania powietrza, skraplacz do podgrzewu powietrza, dodatkowy skraplacz do podgrzewu wody oraz nagrzewnica elektryczna. W badaniach zastosowany był zmienny udział strumienia powietrza świeżego, regulowany w funkcji entalpii powietrza zewnętrznego. Dla niskich Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

9 temperatur na zewnątrz przewidziano minimalny strumień powietrza świeżego, natomiast wraz ze wzrostem entalpii zwiększał się strumień powietrza świeżego, osiągając 100%. Zaproponowany układ centrali wentylacyjnej jest jednak układem, który nie jest stosowany powszechnie. Nie stosuje się układów, w których występuje zewnętrzny wymiennik ciepła, szczególnie w Polsce. Peng Sun i inni w roku 2011 wprowadzili do swoich analiz element zapewnienia komfortu cieplnego człowiekowi. W poprzednich publikacjach parametry wody i powietrza były stałe, tu wprowadzone zostało rozróżnienie parametrów wody i powietrza w zależności od pory roku. Przeprowadzono badania, dzięki którym uzyskano wskazania dotyczące komfortowych temperatur dla ludzi przebywających w pomieszczeniu i określono je dla kolejnych pór roku jako: dla lata 29,7 o C, dla jesieni 28,2 o C, dla zimy 28,6 o C oraz dla wiosny 27,8 o C. Temperatura wody natomiast ustalana jest na podstawie temperatury powietrza i powinna być niższa od niej o 2 o C. Podejście takie wydaje się słuszne, gdyż różnica temperatur między powietrzem zewnętrznym a wewnętrznym wpływa na odczucia komfortu i im większa ta różnica, tym odczucia są gorsze, jednak ta zasada bardziej dotyczy pomieszczeń o innej specyfice niż baseny pływackie. Peng Sun i inni określili temperaturę wody w zakresie 25,8 27,7 o C, co wydaje się nieco niską temperaturą, odpowiednią jedynie do treningu wyczynowego. Oprócz innego podejścia do parametrów powietrza i wody autorzy analizowali pracę centrali wentylacyjnej, stosując różną regulację w zależności od pory roku. Autorzy zauważyli konieczność regulacji parametrów powietrza i wody w zależności od warunków zewnętrznych w celu zapewnienia komfortu użytkownikom, jednakże zmniejszone zużycie energii w ich analizach spowodowane jest przez przyjęcie zbyt niskich temperatur, co nie ma przełożenia w porównywaniu ich analiz z analizami innych autorów, gdzie przyjmowane przez nich temperatury były wyższe i bliższe zaleceniom literaturowym Badania przeprowadzone w rozprawie, a stan wiedzy Przedstawione badania skupiają się w większości na analizie centrali wentylacyjnej basenowej. Nie określają jednak, jakie parametry nawiewu były uwzględniane w obliczeniach, co ma znaczący wpływ na zużycie energii. Nie poruszają one również kwestii rozdziału powietrza. Nic nie wiadomo na temat układu nawiewno-wywiewnego wewnątrz hali basenowej. Nie określają wpływu wentylacji na obudowę zewnętrzną budynku, a przede wszystkim kwestii zabezpieczenia konstrukcji przez wykraplaniem się na jej powierzchni wilgoci. Badania opisują pracę centrali z podziałem na dzień i noc i zmienność w osuszaniu powietrza, jednakże oprócz Peng Suna nie określają, jak centrala pracuje w ciągu roku i jaki wpływ na jej pracę mają pory roku. Omawiane układy wentylacyjne, które autorzy wskazują jako najbardziej efektywne, nie są możliwe do zastosowania (systemy sorpcyjne), a jako równie dobrą alternatywę autorzy podają centralę z pompą ciepła. Zang, Zhu, Deng i Hue w roku 2005 stwierdzili, że pompy ciepła nadają się bardzo dobrze do kontroli klimatu wewnętrznego dla pomieszczeń, gdzie należy utrzymywać i temperaturę, i wilgotność względną powietrza. Analizy nie były co prawda przeprowadzone dla obiektu basenowego, jednakże autorzy wskazują takie rozwiązanie jako godne uwagi dla różnych systemów HVAC. Układ centrali zaproponowanych przez tych autorów wydaje się najbardziej efektywny i sprawdzony będzie obliczeniowo. Zaproponowany w rozprawie układ wentylacyjny oparty będzie na określonym jako najlepszy układzie z pompą ciepła. Dodatkowo jednak zostanie wprowadzony wymiennik ciepła, który ma znaczny wpływ na oszczędności energii poprzez zmniejszenie wymaganej mocy nagrzewnicy. Analizowana będzie centrala, która jest dostępna na rynku, czyli urządzenie takie można zastosować zarówno w nowo budowanych obiektach w Polsce, jak i w obiektach modernizowanych. W analizach pod uwagę wzięty będzie rozdział powietrza wewnątrz hali basenowej, który uwzględniać będzie potrzeby cieplne wszystkich użytkowników obiektu, ale również podane będą i przeanalizowane rozwiązania dotyczące konstrukcji budynku i ich zabezpieczenie. Nowością więc będzie podejście całościowe do rozwiązania systemu grzewczo-wentylacyjnego hali basenowej, z wzięciem pod uwagę komfortu użytkowników (zarówno pływaków, ratowników, jak i widowni) pod względem cieplnym oraz jakości powietrza. Przeprowadzone zostaną analizy wpływu obudowy budynku i jego lokalizacji, jednak podstawą będzie komfort użytkowników i zmniejszenie zużycia energii centrali basenowej oraz systemu grzewczo-wentylacyjnego całej hali basenowej. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

10 2. Teza, cel i zakres pracy Zakres pracy i problem naukowy Zakres rozprawy obejmuje problematykę zużycia energii w krytych basenach kąpielowych oraz propozycje rozwiązania systemu wentylacyjnego tych obiektów w taki sposób, aby przy zmniejszeniu zużycia energii zapewnić odpowiednie parametry powietrza wewnętrznego w istotnych dla użytkowników miejscach hali basenowej. Z uwagi na dużą liczbę powstających obiektów basenowych zagadnienie zużycia energii ma fundamentalne znaczenie, szczególnie w aspekcie powstawania budynków energooszczędnych. Źle zaprojektowany i eksploatowany system grzewczo-wentylacyjny powoduje duże koszty eksploatacyjne i nie zapewnia wymaganej jakości powietrza w strefie basenu i strefie widowni. Cele pracy Celem pracy jest zaproponowanie zdecentralizowanego systemu wentylacyjnego dla obiektów basenowych. System rekomendowany będzie systemem strefowym, tak zaprojektowanym, żeby przy minimalnym zużyciu energii zapewniać kontrolę podstawowych parametrów termicznych, wilgotnościowych i jakości powietrza (IAQ). Uwaga przede wszystkim skupiona będzie na zapewnieniu odpowiednich parametrów powietrza użytkownikom (pływakom, ratownikom, trenerom), zabezpieczeniu konstrukcji budynku przed szkodliwym wpływem panujących wewnątrz hali basenowej warunków oraz zmniejszeniu zużycia energii przez układ wentylacyjny. Cele szczegółowe pracy obejmują: 1. Zaproponowanie układu wentylacji strefowej obiektów basenowych i pokazanie korzyści z tego wynikających zarówno dla zarządców obiektu, jak i dla jego użytkowników 2. Zaproponowanie algorytmu symulacyjnego pracy centrali wentylacyjnej, możliwego do wykorzystania w urządzeniach stosowanych w obiektach basenowych. 3. Zwrócenie uwagi na problemy jakości powietrza w halach basenowych spowodowane obecnością związków chloru obecnych w powietrzu, a będące wynikiem kontaktu dezynfekowanej chlorem wody ze związkami organicznymi wprowadzanymi do wody przez użytkowników. Jakość powietrza odbija się na zdrowiu przede wszystkim pracowników i pływaków wyczynowych. 4. Analiza możliwości zaprojektowania obiektu basenowego i układu HVAC, aby zużycie energii przez ten obiekt było jak najmniejsze, co znacząco wpływa na koszty eksploatacyjne obiektu. 5. Analiza błędów popełnianych przy projektowaniu obiektów basenowych i wpływ tych błędów na użytkowników basenów. Teza pracy Decentralizacja systemu rozdziału powietrza i zmiana procedury kontroli parametrów pracy centrali basenowej pozwalają na poprawę jakości powietrza i komfortu cieplnego w poszczególnych strefach hali basenowej przy jednoczesnym obniżeniu zapotrzebowania na energię. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

11 3. Rozwiązania przyjęte do analiz 3.1. Rozdział powietrza w halach basenowych Prawidłowe zaprojektowanie systemu rozdziału powietrza jest konieczne w celu uzyskania prawidłowych parametrów powietrza w hali basenowej i jego odpowiedniej jakości. Na efektywność wymiany powietrza wpływają: rozkład elementów nawiewno-wywiewnych, strumień powietrza wentylacyjnego oraz prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi. System wentylacyjny powinien być tak zaprojektowany, żeby wymieniać powietrze w całej kubaturze pomieszczenia. Wyszczególnić można trzy główne schematy rozdziału powietrza w halach basenowych, które będą omówione w tym rozdziale: rozdział powietrza dół góra tradycyjnie stosowany w Polsce rozdział powietrza góra dół tradycyjnie stosowany w Stanach Zjednoczonych rozdział powietrza strefowy nowo proponowany Rozdział powietrza dół góra Najczęściej zalecanym i stosowanym rozdziałem powietrza, szczególnie w Polsce, jest rozdział powietrza dół góra. Ruch powietrza w górę, po płaszczyźnie okien, zabezpiecza okna przed wykraplaniem się na ich powierzchni wilgoci, spowodowanym dużą wilgotnością powietrza, jego wysoką temperaturą i dużymi zyskami wilgoci. Ruch powietrza w górę powoduje konwekcję, co przyczynia się do wymiany i mieszania się powietrza w całej hali basenowej. Taki rozdział powietrza sprawia, że nad niecką basenową jest jednak mały ruch powietrza, więc nie powoduje to uczucie przeciągu przez użytkowników, którzy są mokrzy. Dodatkowo mniejszy ruch powietrza nad lustrem wody nie powoduje intensyfikacji parowania. System rozdziału dół góra może być stosowany zarówno w małych halach, jak i w tych o dużej kubaturze, szczególnie jeżeli w hali basenowej występuje duża powierzchnia przeszkleń. Rys Rozdział powietrza dół góra w hali basenowej (oznaczenia według rysunku 1.1.) Według zaleceń wspomnianych autorów nawiew powietrza do hali basenowej powinien odbywać się od dołu. Strumień powietrza skierowany powinien być do góry, żeby zabezpieczyć przegrody przeszkolone. W systemie rozdziału powietrza dół góra najlepszymi do stosowania nawiewnikami są nawiewniki szczelinowe. Wywiew powietrza zużytego w systemie rozdziału powietrza dół góra powinien znajdować się w osi niecki basenowej lub ewentualnie z boku, na przeciwnej ścianie niż nawiew. Prędkość wypływu strumienia powietrza powinna wynosić 4 5 m/s, w celu zwiększenia jego zasięgu z uwagi na stosowanie w halach basenowych okien o dużej wysokości. Temperatura powietrza nawiewanego w takim przypadku musi być wysoka i wynosić nawet do 45 o C, ponieważ instalacja wentylacyjna pokrywa większą część strat ciepła przez obudowę zewnętrzną. Dodatkowo nawiew powietrza na zimne przegrody zewnętrzne powoduje jeszcze większe straty ciepła, które muszą być niwelowane właśnie wyższą temperaturą. Taki rozdział powietrza nie zapewnia usunięcia z hali basenowej związków chemicznych THM. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

12 Rozdział powietrza strefowy Strefowy rozdział powietrza w hali basenowej jest odpowiedzią na rozróżnienie w hali basenowej stref o różnych potrzebach cieplnych. Ale różne potrzeby cieplne nie są jedynym wskaźnikiem do stosowania takiego rozdziału powietrza. Myśląc o zużyciu energii, należy pomyśleć o osobnej wentylacji niecki basenowej. Zasadne jest również, jak to było opisane wcześniej, wydzielenie widowni jako osobnej strefy, zarówno w celu zapewnienie lepszego komfortu cieplnego użytkowników ponieważ można by wtedy nadać temu powietrzu parametry odpowiednie dla ludzi ubranych jak i ze względu na zmniejszanie zużycia energii. Rozdział powietrza strefowy charakteryzuje się przede wszystkim tym, że jest on optymalny pod względem zapewniania odpowiednich parametrów powietrza w każdym miejscu obiektu. Zdecydowaną zaletą jest możliwość swobodnego sterowania pracą urządzeń wentylacyjnych w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego. Dodatkowe zastosowanie w obiekcie przegród zewnętrznych o niskich współczynnikach przenikania ciepła powoduje brak konieczności włączania systemów dodatkowych w dłuższym okresie w ciągu roku. Rys Rozdział powietrza strefowy (oznaczenia według rysunku 1.1.) Wadą takich systemów jest bardziej skomplikowany układ i pewne trudności w ich zaprojektowaniu. Do każdego obiektu basenowego, w którym planowany będzie system wentylacji zdecentralizowanej należy podejść indywidualnie. Czas wykonania projektu będzie więc dłuższy, niż w przypadku tradycyjnie stosowanych układów centralnych, ale uzyskany efekt jest zawsze wyższy niż w rozwiązaniach tradycyjnych Rozwiązania central wentylacyjnych wybrane do analiz Przy doborze centrali wentylacyjnej powinno się brać pod uwagę: ilość parującej wody, strumień powietrza do odbioru zysków ciepła z parowania, strumień powietrza, który zapewni parametry komfortu, strumień powietrza do nawiewu na okna do zabezpieczenia okien, strumień powietrza świeżego. Centrale wentylacyjne przeznaczone do przygotowywania powietrza dla hal basenowych, nazywane centralami basenowymi, różnią się między sobą wyposażeniem. Centrala basenowa może się składać z kilku sekcji, wśród których należy wymienić: recyrkulację powietrza, nagrzewnicę, wymiennik ciepła, pompę ciepła powietrze powietrze, osuszacze powietrza. Wprowadzenie systemu automatyki i sterowania wraz z programem optymalizacyjnym dedykowanego centralom basenowym jest wskazywane jako zmniejszające zużycie energii. Istnieje kilka opublikowanych rezultatów badań nad zużyciem energii przez centrale wentylacyjne hal basenowych i badania te posłużą do przedstawienia dostępnych do wyboru opcji rozwiązań układów przygotowania powietrza dla basenów. Poniżej przedstawiono schematy central wentylacyjnych, wraz z nadanym numerem wariantu, które zostały wzięte pod uwagę przy analizach struktur układów wentylacyjnych. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

13 Wariant 1 Najprostszym systemem wentylacyjnym, nazywanym systemem tradycyjnym czy konwencjonalnym, jest centrala wentylacyjna wyposażona w nagrzewnicę wodną oraz recyrkulację powietrza. W takim układzie do osuszania powietrza stosuje się powietrze zewnętrzne, które szczególnie zimą ma niską zawartość wilgoci. Rys Centrala basenowa w układzie konwencjonalnym (z recyrkulacją) Wariant 2 i 3 Systemem bazującym na układzie konwencjonalnym jest system, z wymiennikiem ciepła, na przykład krzyżowym, o sprawności 50 60%. Takie rozwiązanie jest wskazane z uwagi na to, że powietrze po przejściu przez wymiennik ciepła ma wyższą temperaturę, co powoduje mniejszą wymaganą moc nagrzewnicy w układzie. Rys Centrala basenowa w układzie konwencjonalnym z wymiennikiem krzyżowym Wariant 4 i 6 Kolejną sekcją centrali basenowej z rysunku 3.4. może być pompa ciepła, czyli skraplacz umieszczony w części nawiewnej, a parowacz w części wywiewnej centrali. W układzie może, ale nie musi występować nagrzewnica powietrza. Jeżeli centrala przygotowywać będzie powietrze dla całej hali basenowej, a co za tym idzie, wyższa musi być temperatura nawiewu, wtedy konieczne jest stosowanie nagrzewnicy, ponieważ skraplacz pompy ciepła w takim układzie nie ma wystarczającej mocy, żeby ogrzać powietrze do temperatury ponad 40 o C. W przypadku gdy centrala basenowa przygotowuje powietrze tylko dla niecki basenowej, a co za tym idzie, temperatura nawiewu nie jest wysoka, nie ma konieczności stosowania nagrzewnicy wodnej. Rys Centrala basenowa w układzie z pompą ciepłą W układzie z pompą ciepła występuje podwójna recyrkulacja, która pozwala na kontrolę wilgotności powietrza nawiewanego przy jednoczesnym mniejszym zużyciu energii. Wariant 7 i 5 Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła może być dodatkowo wyposażona w skraplacz wodny do podgrzewu wody basenowej. Jest to rozwiązanie pozwalające na uzyskanie wysokich współczynników COP. Pompa ciepła w takim układzie pracować będzie stabilnie w ciągu całego roku. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

14 Rys Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła i skraplaczem wodnym (bez skraplacza powietrznego) 3.3. Warianty wybrane do analiz Analizowane warianty dla układu wentylacji centralnej Numer wariantu Lokalizacja System wentylacyjny Centrala wentylacyjna Osuszanie powietrza nocą Regulacja strumienia powietrza świeżego Recyrkulacja (A) Powietrzem świeżym Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy (B) Powietrzem świeżym Poznań Wentylacja centralna Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy + pompa ciepła (C) W parowaczu pompy ciepła Zmienny strumień powietrza świeżego (a) Numer Lokalizacja System wentylacyjny Centrala wentylacyjna Osuszanie powietrza nocą Regulacja strumienia powietrza świeżego Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy (B) Powietrzem świeżym Poznań Wentylacja zdecentralizowana Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy + pompa ciepła (C) W parowaczu pompy ciepła Zmienny strumień powietrza świeżego (a) Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy + pompa ciepła ze skraplaczem wodnym (D) W parowaczu pompy ciepła Zmienny strumień powietrza świeżego (a) Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy + pompa ciepła ze skraplaczem wodnym (C) W parowaczu pompy ciepła Zmienny strumień powietrza świeżego (a) Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

15 4. Badanie struktur wentylacyjnych basenów krytych Badanie struktur układów wentylacyjnych dla basenów krytych odbywa się poprzez wybór wariantów do analiz, zasady analiz wykonane w założenia w oparciu o przegląd literatury w temacie obiektów basenowych, a w szczególności w oparciu o wytyczne dla basenów o przeznaczeniu sportowym. Przyjęty został algorytm obliczeniowy KR_ZDC i KR_C dla układów z centralami wyposażonymi w pompy ciepła oraz algorytm KR_M dla układów z centralami bez pomp ciepła. Obliczenia symulacyjne zostały wykonane dla typowego roku meteorologicznego dla miasta Poznania dla każdej godziny w roku w oparciu o zależności analityczne dla powietrza wilgotnego i dane dotyczące klimatu zewnętrznego: temperatura powietrza zewnętrznego, wilgotność względna oraz promieniowanie słoneczne. Oprócz analiz dotyczących samej centrali wentylacyjnej opierano się na bilansie cieplnowilgotnościowym hali basenowej dla czterech typów obiektów basenowych: basenu bez trybun, basenu z trybunami, basenu hotelowego. W rozprawie przedstawiono wyniki obliczeń dla wszystkich czterech obiektów basenowych Zasady analiz Do obliczeń symulacyjnych opracowano algorytmy pracy centrali wentylacyjnej KR_ZDC.01 i KR_C.01, które wykorzystywane są do obliczeń dla central wentylacyjnych wyposażonych w pompę ciepła, krzyżowy wymiennik do odzysku ciepła oraz podwójną recyrkulację powietrza (zewnętrzną i wewnętrzną). Parametry stałe to wartości, które są zadane (zaprojektowane). Parametry te mają znaczący wpływ na obliczenia, ale w celach porównawczych możliwa będzie ich zmiana przy obliczeniach innych wariantów. Parametry zmienne to wartości, które opisane są wzorami i zależnościami Parametry projektowe dotyczące obiektu Obudowa budynku: obiekt basenowy typ I (powierzchnia wody 300m 2, duża powierzchnia przeszkleń), izolacyjność wg Warunków Technicznych 2014 Powierzchnia wody: 2 A B = 300 m B Lokalizacja obiektu: Poznań, II strefa klimatyczna Profil użytkowania: w ciągu dnia frekwencja 100% Godziny otwarcia: 6: 00 22: 00 Maksymalna liczba osób: 60 osób 10 os tor Frekwencja: 22: 00 6: 00 0 osób 6: 00 22: osób Parametry projektowe dotyczące centrali wentylacyjnej Centrala wentylacyjna: Wydajność centrali wentylacyjnej 40kg/m 3 /m 2 B w wariancie wentylacji zdecentralizowanej oraz 66kg/m 3 /m 2 B w wariancie wentylacji centralnej Moce zainstalowanych w centrali urządzeń: stałe, zaprojektowane moce odpowiednie dla dobranego strumienia powietrza wentylacyjnego Punkt mieszania M1 w recyrkulacji zewnętrznej dobierany dla minimalnego strumienia powietrza świeżego w warunkach obliczeniowych Parametry projektowe dotyczące parametrów wody i powietrza Parametry dotyczące wody i powietrza: Temperatura wody: t w = 28 Temperatura warstwy granicznej: t PW = 28 Wilgotność względna warstwy granicznej: φ PW = 100% Utrzymywana wilgotność względna powietrza w dzień: φ P = 60% Utrzymywana wilgotność względna powietrza w nocy: φ P = 65% Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

16 Parametry zmienne Parametry powietrza zewnętrznego: temperatura, zawartość wilgoci, promieniowanie słoneczne Strumień odparowującej wody: w funkcji frekwencji Strumień powietrza świeżego: w funkcji parametrów powietrza zewnętrznego, przy zapewnieniu wymaganego minimum powietrza świeżego Parametry powietrza nawiewanego: w funkcji strat ciepła obiektu wg bilansu cieplnowilgotnościowego Tryb pracy centrali: w funkcji parametrów powietrza zewnętrznego 4.2. Modelowanie stanów działania centrali wentylacyjnej Modelowanie stanów powietrza wilgotnego w centrali wentylacyjnej Modelowanie stanów działania centrali wentylacyjnej opierać się będzie na zależnościach analitycznych do obliczania właściwości powietrza wilgotnego. Rys Schemat centrali wentylacyjnej z oznaczeniami indeksów stanów powietrza Stan powietrza w każdym punkcie (po każdej przemianie) w centrali wentylacyjnej opisany zostanie poprzez podanie: temperatury, zawartości wilgoci, wilgotności względnej oraz entalpii dla następujących stanów: Z powietrze zewnętrzne, M1 w komorze mieszania recyrkulacji zewnętrznej, OC za wymiennikiem ciepła po stronie nawiewu, M2 w komorze mieszania recyrkulacji wewnętrznej, PC za skraplaczem pompy ciepła, N za nagrzewnicą powietrza (stan powietrza nawiewanego do hali basenowej), P stan powietrza w pomieszczeniu (usuwanego z hali basenowej), OC za wymiennikiem ciepła po stronie wywiewu, PC za parowaczem pompy ciepła, W powietrze usuwane. Dodatkowo dla stanu powietrza nawiewanego, czyli po wszystkich przemianach, jakie odbywają się w centrali wentylacyjnej, podana będzie gęstość powietrza Modelowanie strumieni powietrza Udział powietrza świeżego Udział powietrza świeżego w powietrzu nawiewanym do hali basenowej zależny jest od trybu pracy centrali wentylacyjnej. Będzie on zmienny w funkcji parametrów powietrza zewnętrznego, a przede wszystkim w funkcji zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym, na podstawie którego ustalone zostały tryby pracy centrali. Udział powietrza świeżego przedstawia tabela 4.1. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

17 Tab.4.1. Udział powietrza świeżego Tryb pracy centrali wentylacyjnej* Udział powietrza świeżego ε pś [%] Noc 0% Uwagi dowolne parametry powietrza zewnętrznego poza okresem użytkowania obiektu 100% powietrza świeżego 100% x e x N Mieszanie 2 Mieszanie 1 wg entalpii ε pś = 100 (1 x N x e x P x e ) [%] ε pś = 100 (1 h M1 h e h PC h e ) [%] Mieszanie 1 wg x ε pś = 100 (1 x M1 x e ) [%] x PC x e *nazwa własna trybu pracy centrali wentylacyjnej w algorytmie KR_C.01 i KR_ZDC.01 x M1 < x e x N ε pś + ε rec1 = 0,6 m N w celu zapewnienia odpowiedniego przepływu powietrza przez wymiennik ciepła Strumień powietrza świeżego (zewnętrznego) Strumień powietrza świeżego wynika bezpośrednio z założonego udziału powietrza świeżego w strumieniu powietrza nawiewanego. W pierwszym kroku, projektując układ, należy założyć udział powietrza świeżego dla warunków obliczeniowych. Przyjęto minimalny udział e pś =20%, co przy maksymalnej frekwencji na basenie wynosi m pś = 48 m 3 /(h os). Na podstawie założonego udziału powietrza świeżego dobrano punkt mieszania M1, którego parametry są niezbędne do ustalania pozostałych przemian powietrza w centrali wentylacyjnej. W każdym przypadku, gdy parametry powietrza będą inne niż w warunkach obliczeniowych, strumień powietrza zewnętrznego będzie się zwiększał aż do osiągnięcia 100% strumienia nawiewanego. Udział powietrza recyrkulacyjnego recyrkulacja zewnętrzna (wg rysunku 4.1) Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji zewnętrznej e rec1 zależny jest przede wszystkim od strumienia powietrza zewnętrznego. Jedynym założeniem jest to, że strumień powietrza przepływający przez wymiennik ciepła powinien wynosić minimum 60% strumienia nominalnego. Udział powietrza w recyrkulacji zewnętrznej przedstawia tabela: Tab.4.2. Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji zewnętrznej Tryb pracy centrali wentylacyjnej* Udział powietrza recyrkulacyjnego ε rec1 [%] Noc 100% Uwagi dowolne parametry powietrza zewnętrznego poza okresem użytkowania obiektu 100% powietrza świeżego 0% x e x N Mieszanie 2 0% x M1 < x e x N Mieszanie 1 wg entalpii ε rec1 = 100 ( h M1 h e h PC h e ) [%] Mieszanie 1 wg x ε rec1 = 100 ( x M1 x e ) [%] x PC x e *nazwa własna trybu pracy centrali wentylacyjnej w algorytmie KR_C.01 i KR_ZDC.01 ε pś + ε rec1 = 0,6 m N w celu zapewnienia odpowiedniego przepływu powietrza przez wymiennik ciepła Udział powietrza recyrkulacyjnego recyrkulacja wewnętrzna (wg rysunku 4.1.) Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji zewnętrznej powinien zapewniać właściwe parametry powietrza nawiewanego. Jest to ostatnie miejsce w centrali wentylacyjnej, w którym można wyregulować zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym. W przypadku trybu pracy Mieszanie 1 udział powietrza recyrkulacyjnego jest stały i wynosi 40% z uwagi na to, że przed wymiennikiem ciepła znajduje się punkt, który ma ustaloną zawartość wilgoci. W nocnym trybie pracy założono, że parametry powietrza oraz ilość odparowującej wody są dostatecznie stałe, by dobrana pompa ciepła mogła zapewnić osuszanie powietrza i właściwą Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

18 zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, zatem nie ma potrzeby stosowania recyrkulacji wewnętrznej. Tab.4.3. Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji wewnętrznej Tryb pracy centrali wentylacyjnej* Udział powietrza recyrkulacyjnego ε rec2 [%] Noc 0% Uwagi dowolne parametry powietrza zewnętrznego poza okresem użytkowania obiektu 100% powietrza świeżego 0% x e x N Mieszanie 2 ε rec2 = 100 ( x N x e x P x e ) [%] x M1 < x e x N Mieszanie 1 wg entalpii w celu zapewnienia odpowiedniego ε rec2 = 40% przepływu powietrza przez Mieszanie 1 wg x wymiennik ciepła *nazwa własna trybu pracy centrali wentylacyjnej w algorytmie KR_C.01 i KR_ZDC.01 Strumień powietrza nawiewanego Strumień powietrza nawiewanego dobierany jest na podstawie zysków wilgoci z procesu parowania wody z niecki basenu i ewentualnie innych powierzchni mokrych. m N = β (x PW x P ) x N x P A B [ kg h ] (4.1) W okresie nocy strumień powietrza nawiewanego zmniejszony jest o 20% z uwagi na mniejsze parowanie Modelowanie ilości odparowującej wody Ilość odparowującej wody wyznaczana zostanie z zależności Shaha szerzej opisanej w rozprawie na podstawie przyjętego profilu użytkowania basenu. W obliczeniach z zależności Shaha wyznaczony będzie współczynnik parowania β dla każdej godziny i zostanie on użyty przy obliczeniach bilansu cieplno-wilgotnościowego hali basenowej. Strumień odparowującej wody przyjęty do obliczeń przedstawiono w tabeli: Tab.4.4. Strumień odparowującej wody Godzina 23:00 6:00 6:00 23:00 m w [ kg 2 ] 0,1 0,2 h m B W obliczeniach współczynników parowania przyjęto 100% frekwencję ludzi w okresie użytkowania basenów Modelowanie działania urządzeń w centrali wentylacyjnej Pompa ciepła W obliczeniach przyjęto moce skraplacza i parowacza ciepła odpowiednie do projektowanego strumienia powietrza wentylacyjnego według danych producenta. Współczynnik wydajności grzejnej COP pompy ciepła zależny jest od konfiguracji centrali wentylacyjnej, jej wielkości, czynnika chłodniczego w obiegu pompy ciepła oraz temperatur skraplania i parowania tego czynnika. Można jednak przyjąć, że w przypadku, gdy parametry powietrza przed wymiennikami pompy ciepła będą zmieniały się jedynie w wąskim zakresie współczynnik COP będzie stały w tym okresie. Z uwagi na przyjęte założenia i przyjęte tryby pracy central wentylacyjnych, współczynnik COP będzie w przybliżeniu stały w ciągu roku. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

19 Skraplacz pompy ciepła Skraplacz pompy ciepła, umieszczony za komorą mieszania recyrkulacji wewnętrznej, podgrzewa powietrza wentylacyjne do pewnej granicy, która wynika z jego mocy. Przyjmując moc Q SKR=0,1 kw/m 2 B oraz strumień powietrza nawiewanego m N = 40 kg/(h m 2 B ), skraplacz może podgrzać powietrze o maksymalnie około 9 K. Temperatura ta może więc wynosić około 35 o C, w zależności od temperatury, jaka uzyskiwana jest w komorze mieszania recyrkulacji wewnętrznej. Jeżeli obliczona wymagana moc skraplacza jest mniejsza od mocy maksymalnej Q SKR,1 < Q SKR, to przyjmuje się, że skraplacz jest jedynym urządzeniem zapewniającym właściwą temperaturę nawiewu. Podgrzewanie powietrza w nagrzewnicy nie jest konieczne. Dodatkowo obliczany jest wtedy zapas mocy, który może być wykorzystany do innych celów na przykład do wspomagania podgrzewu wody basenowej. Q SKR = Q SKR,1 Q SKR [kw] (4.2) Jeżeli obliczona wymagana moc skraplacza jest mniejsza od mocy maksymalnej Q Q SKR, to wyliczana jest temperatura powietrza na skraplaczem, przyjmując jego maksymalną moc. SKR,1 > Q SKR t PC = t M2 + [ ] (4.3) m N c p Wymaganą temperaturę nawiewu uzyskać można w takim przypadku poprzez podgrzanie powietrza w nagrzewnicy umieszczonej za skraplaczem. Zawartość wilgoci w powietrzu za skraplaczem jest równa zawartości powietrza w komorze mieszania recyrkulacji wewnętrznej i równa zawartości wilgoci wymaganej w powietrzu nawiewanym: x PC = x M2 = x N [ g kg ] (4.4) Parowacz pompy ciepła Parowacz pompy ciepła zlokalizowany jest w części wywiewnej centrali wentylacyjnej za wymiennikiem krzyżowym do odzysku ciepła. Jego rolą jest osuszenie powietrza usuwanego z hali basenowej poprzez jego ochłodzenie. Założono, że pompa ciepła działa przez cały rok, ponieważ parowacz jest dolnym źródłem ciepła dla skraplacza. W części roku powietrze osuszone jest ponownie wykorzystywane poprzez zastosowanie recyrkulacji zewnętrznej. W okresie letnim, gdy centrala wentylacyjna działa tylko na powietrzu świeżym, parowacz osusza powietrze, ale jedynie w celu zapewniania działania skraplaczowi powietrza, tak by nie było konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza. Parametry powietrza za parowaczem określane są przy założeniu, że powietrze za parowaczem jest powietrzem nasyconym, o wilgotności względnej f PC =100%. W pierwszej kolejności obliczana jest entalpia powietrza za parowaczem, przy wykorzystaniu przekształcenia wzoru na moc parowacza: Q PC = m N (h OC h PC ) [kw] (4.5) Zawartość wilgoci w powietrzu za parowaczem wyznaczana jest w funkcji temperatury i wilgotności względnej. Wymiennik do odzysku ciepła W układzie centrali wentylacyjnej basenowej przyjęto krzyżowy wymiennik do odzysku ciepła. Sprawność odzysku ciepła w wymienniku ciepła nie jest stała w ciągu roku, z uwagi na parametry powietrza przepływającego przez to urządzenie. W okresie zimowym sprawność odzysku ciepła jest wyższa ze względu na wykraplanie się wilgoci, natomiast od pewnego momentu, zależnego Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

20 od parametrów powietrza przed wymiennikiem ciepła (gdy x M1 >7 g/kg dla central wentylacyjnych wyposażonych w pompę ciepła lub x e >7 g/kg dla wariantów bez pompy ciepła), sprawność odzysku ciepła jest stała i wynosi około η Oc,s =60%. Sprawność odzysku ciepła przy braku wykraplania wilgoci zależy od dobranej centrali wentylacyjnej i należy ją odczytać z danych katalogowych centrali. Wpływ na zwiększenie się sprawności odzysku ciepła, gdy w wymienniku ciepła zachodzi wykroplenie wilgoci ma również różnica zawartości wilgoci między powietrzem, które wchodzi do wymiennika ciepła po stronie wywiewnej oraz które opuszcza ten wymiennik, oznaczona jako Δx. Temperatura powietrza za wymiennikiem ciepła obliczana jest z zależności: t OC = t M1 + ƞ OC (t P t M1 ) [ ] (4.6) Zawartość wilgoci w powietrzu za wymiennikiem ciepła jest równa zawartości wilgoci przed wymiennikiem ciepła, czyli w komorze mieszania recyrkulacji zewnętrznej: x OC = x M1 [ g kg ] (4.7) Nagrzewnica Nagrzewnica powietrza podgrzewa powietrze w okresach, kiedy skraplacz pompy ciepła nie ma wystarczającej mocy. Ma to miejsce przede wszystkim w okresach niskich temperatur powietrza zewnętrznego. Q N = m N (h N h PC ) [kw] (4.8) 4.3. Algorytm obliczeniowy W celu wyznaczenia parametrów powietrza w każdym punkcie centrali wentylacyjnej, wyznaczono algorytm obliczeniowy, do stosowania przy centralach wentylacyjnych z pompą ciepła i podwójną recyrkulacją. Rysunek 4.2 przedstawia algorytm stworzony na potrzeby rozprawy o nazwie KR_ZDC.01. Pokazano również przedziały pracy poszczególnych trybów pracy na wykresie h-x. Różnica między układem centralnym i zdecentralizowanym określony jest poprzez pole określające parametry powietrza nawiewanego. W układzie centralnym (kolor szary) temperatura nawiewu jest wyższa, z uwagi na to, że powietrze wentylacyjne musi pokryć straty ciepła przez przenikanie. Dla układów bez pompy ciepła układ centrali wentylacyjnej jest dużo prostszy. Występuje tu właściwie dwa tryby pracy z mieszaniem oraz przy 100% strumieniu powietrza świeżego. Poszczególe tryby pracy, określone na rysunku 4.2 opisano poniżej. Tryby pracy centrali wentylacyjnej NOC Założenia: Brak powietrza świeżego Praca tylko na powietrzu obiegowym Zmniejszenie strumienia powietrza do 80% Zmiana parametrów utrzymywanych w hali basenowej: φ P,NOC = 65% Powietrze usuwane przechodzi przez wymiennik ciepła, następnie jest osuszane i ochładzane w parowaczu pompy ciepła, przechodzi przez wymiennik ciepła i jest mieszanie z powietrzem usuwanym z hali basenowej. Recyrkulacja wewnętrzna wprowadzona jest w celu kontroli parametrów nawiewu. Dodatkowo mieszanie z cieplejszym powietrzem usuwanym powoduje, że mniejsza będzie wymagana moc nagrzewnicy. Jeżeli wilgotność względna powietrza usuwanego z hali basenowej wzrośnie, więcej powietrza przechodzić będzie przez parowacz (przymknie się przepustnica M2). Jeżeli wilgotność względna spadnie, przepustnica M2 otworzy się w celu zwiększenia zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym. Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

21 Z uwagi na to, że osuszanie powietrza odbywa się za pomocą parowacza pompy ciepła i brak jest udziału powietrza świeżego w tym trybie pracy, centrala nocą pracuje w podobnych warunkach. Jedyną różnicą będzie moc nagrzewnicy i skraplacza z uwagi na większe straty ciepła hali basenowej w okresie zimowym w porównaniu do okresu letniego. Tryby pracy centrali wentylacyjnej 100% POWIETRZE ŚWIEŻE Założenia: 100% powietrza świeżego Nie ma konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza Tryb pracy 100% powietrze świeże występuje w ciągu 491 h/rok, co odpowiada 6% roku, gdy zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym jest większa od wymaganej zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym x e x N 11 g/kg. Praktycznie ma to miejsce jedynie w kilku dniach w miesiącach letnich czerwcu, lipcu i sierpniu. W tym trybie pracy recyrkulacja wewnętrzna i zewnętrzna nie jest wykorzystywana. W związku z tym, że powietrze nawiewane do hali basenowej powinno mieć temperaturę wyższą niż powietrze zewnętrzne, w tym trybie pompa ciepła działa. Parowacz służy jako dolne źródło ciepła dla skraplacza, który stosowany jest w celu zapewnienia wymaganej temperatury nawiewu. Temperatra powietrza nawiewanego jest w tym trybie w przybliżeniu równa temperaturze powietrza w hali basenowej, co wynika z faktu, że w okresie letnim występują duże zyski ciepła od słońca. Może się zdarzyć, że z bilansu cieplno-wilgotnościowego hali basenowej temperatura nawiewu jest niższa od projektowanej temperatury powietrza w hali basenowej właśnie z uwagi na zyski od słońca. Ma to jednak miejsce jedynie w pojedynczych godzinach w ciągu roku. Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE 1 Założenia: Stały punkt mieszania w recyrkulacji zewnętrznej M1 Stały strumień powietrza w recyrkulacji wewnętrznej ε rec2 = 40% Mieszanie 1 jest trybem pracy, który występuje przez około 50% roku, a gdyby nie brać pod uwagę godzin nocnych, tryb ten występuje przez 66% czasu, gdy x e x M1 7,4 g/kg. Takie parametry powietrza zewętrznego występują przede wszystkim w zimie, ale również na wiosnę i jesienią. W tym trybie pracy działa zarówno recyrkulacja wewnętrzna, jak i zewnętrzna. Recyrkulacja zewnętrzna ma zapewnić odpowiednią temperaturę powietrza przechodzącego przez wymiennik ciepła. Dodatkowo dzięki recyrkulacji zewnętrznej wzrasta temperatura powietrza wentylacyjnego tak, że potrzeba mniej energii do jego podgrzania. Jest to pierwszy stopień odzysku ciepła. Zastosowanie stałego strumienia powietrza wentylacyjnego przepływajacego przez wymiennik ciepła ma znaczenie ze względu na opory hydrauliczne występujące podczas przepływu powietrza przez wymiennik ciepła. Minimalny udział powietrza zewnętrznego wynosi 30%. Recyrkulacja wewnętrzna natomiast ma za zadanie zapewnić wymaganą zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym. Dodatkowo, z uwagi na wysoką temperaturę powietrza usuwanego z hali basenowej, recyrkulacja wewnętrzna jest kolejnym stopniem odzysku ciepła, ponieważ podnosi temperaturę powietrza wentylacyjnego, co powoduje, że w efekcie nagrzewnica powietrza będzie mogła mieć mniejszą moc. Praca centrali wentylacyjnej w tym trybie jest najbardziej stała. Zmianie ulega jedynie procentowy udział powietrza świeżego i powietrza w recyrkulacji zewnętrznej. Po zmieszaniu tych dwóch strumieni zostają osiągnięte parametry w punkcie M1, które są stałe. Jedynie z uwagi na różne parametry powietrza zewnętrznego wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej maleć będzie wymagana moc nagrzewnicy do podgrzewu powietrza do wymaganej temperatury nawiewu. Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE 2 Założenia: Brak recyrkulacji zewnętrznej Nie ma konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza Tryb pracy Mieszanie 2 występuje w okresie przejściowym wiosna/lato, latem oraz w okresie przejściowym lato/jesień. Parametry graniczne dla działania tego trybu to zawartość wilgoci w Katarzyna Ratajczak IIŚ PP

22 powietrzu zewnętrznym, która mieści się w zakresie: x M1 < x e x N. Ma to miejsce w ciągu 18% godzin w roku, a biorąc pod uwagę tylko godziny otwarcia obiektu 25%. Recyrkulacja zewnętrzna jest wyłączona. Sterowanie zawartością wilgoci w powietrzu nawiewanym odbywa się poprzez sterowanie recyrkulacją wewnętrzną. Udział powietrza zewnętrznego zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym. Gdy zawartość ta wynosi x e x N, centrala przechodzi w tryb 100% powietrze świeże. Pompa ciepła działa. Skraplacz powietrza przy założeniu, że powietrze jest osuszane w parowaczu ma wystarczającą moc, żeby podgrzać powietrze do wymaganego poziomu. W trybie tym nie ma konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza z uwagi na stosunkowo wysokie temperatury powietrza zewnętrznego. Dla centrali z pompą ciepła parametry powietrza w pomieszczeniu parametry powietrza nawiewanego układ zdecentralizowany parametry powietrza nawiewanego układ centralny Rys Algorytm pracy centrali basenowej w układzie centralnym i zdecentralizowanym (KR_ZDC.01) Katarzyna Ratajczak IIŚ PP