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 ROZPRAWA DOKTORSKA Promotor: prof. dr hab. inż. Edward SZCZECHOWIAK Poznań, marzec 2015

2 Składam serdeczne podziękowania Promotorowi Panu Profesorowi Edwardowi Szczechowiakowi za okazaną pomoc, wszelkie wskazówki i czas poświęcony podczas realizacji niniejszej pracy. 2

3 Rozprawa doktorska powstała przy współfinansowaniu w ramach otrzymanych stypendiów: Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski, Poddziałanie Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego National Swimming Pool Foundation Fellowship przyznanego przez fundację National Swimming Pool Foundation z siedzibą w Colorado Springs, Colorado, USA i oraz Działalności Statutowej Instytutu Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej 3

4 Streszczenie Rozprawa przedstawia przegląd zagadnień dotyczących krytych basenów kąpielowych przede wszystkim w zakresie jakości powietrza wewnętrznego oraz urządzeń przygotowujących to powietrze. Zwraca uwagę na problemy wiążące się z jakością powietrza, czyli występujące zanieczyszczenia oraz problemy związane z komfortem cieplnym użytkowników obiektów basenowych. W oparciu o przegląd literatury i wskazane problemy zaproponowane zostało nowe podejście do rozdziału powietrza w halach basenowych, czyli odejście od rozdziału dół góra na rzecz rozdziału strefowego, dostosowanego do każdej ze stref obiektu. W celu porównania systemów wentylacyjnych tradycyjnych z nowo proponowanymi rozwiązaniami obejmującymi układ strefowy i centralę wentylacyjną z wielostopniowym odzyskiem ciepła i dla typowych przypadków basenów kąpielowych. Wykonano obliczenia symulacyjne dla okresu całego roku i dla różnych struktur układów wentylacyjnych. W technologii centrali wentylacyjnej wykorzystano klasyczne osuszanie oparte o potencjał osuszania powietrza zewnętrznego (algorytm K_M.01) oraz w oparciu o szersze wykorzystanie układu odzysku ciepła centrali basenowej (KR_C.01 i KR_ZDC.01). Zaproponowany algorytm obliczeniowy dla układów zdecentralizowanych (KR_ZDC.01) został zwalidowany doświadczalnie w obiekcie rzeczywistym, w którym system wentylacyjny jest zdecentralizowany, a powietrze jest przygotowywane przez centrale wentylacyjne z wielostopniowym odzyskiem ciepła (Termy Maltańskie w Poznaniu). Zwalidowany model obliczeniowy posłużył do wykonania obliczeń symulacyjnych, z których wynika, że niezależnie od architektury obiektu basenowego decentralizacja systemu wentylacyjnego prowadzi do zmniejszenia zużycia energii oraz wpływa na poprawę jakości i komfortu cieplnego dla użytkowników basenów sportowych. Summary The dissertation presents an overview of the information on indoor swimming pools, especially in the field of indoor air quality and air preparation equipment. It highlights the problems involving indoor air quality and thermal comfort of users of the pools. Based on a literature review a new approach for an air distribution system in swimming pool halls (multizone air distribution system) has been proposed. In order to compare the conventional ventilation systems with the newly proposed solutions, including multi-zone system with a multi-stage ventilation heat recovery air handling unit, simulations were performed for a variety of structures, using: ventilation systems which use only fresh air drying potential (algorithm KR_M.01) and other algorithms (KR_C. 01 and KR_ZDC.01) dedicated for systems with heat pumps. Validation of the proposed calculation algorithm dedicated to systems decentralized (KR_ZDC.01) was carried out in a facility in which the ventilation system is decentralized, and the air is drawn through multi-stage air-handling units with heat recovery (Termy Maltańskie in Poznan). Validated calculation model was used to perform simulation, which show that, regardless of the architecture of the building, decentralization of ventilation system leads to a reduction in energy consumption and improving the air quality and thermal comfort for users of the swimming pools. 4

5 Spis treści Streszczenie... 4 Summary... 4 Spis rysunków... 8 Spis tabel Wykaz oznaczeń Wprowadzenie Specyfika krytych basenów kąpielowych Rozwój technologii do kontroli środowiska w krytych basenach Aspekty energetyczne Ocena dotychczasowych rozwiązań Cel i zakres pracy Stan badań nad środowiskiem wewnętrznym w basenach krytych Parametry termiczne i wilgotnościowe hal basenowych Parametry wody basenowej Parametry powietrza w hali basenowej Korelacja między parametrami wody i powietrza Jakość powietrza w halach basenowych Substancje lotne w powietrzu hal basenowych Jakość powietrza a dezynfekcja wody Niezbędny strumień powietrza świeżego Rozdział powietrza w hali basenowej Odprowadzenie wilgoci z hali basenowej Parowanie z powierzchni wodnych Wzór rekomendowany do obliczania odparowania wilgoci Niezbędny strumień powietrza do odprowadzenia wilgoci Inne sposoby odprowadzenia wilgoci Rozwiązania rekomendowane w tym zakresie Rekomendacje dla systemów kontroli środowiska wewnętrznego Parametry wody i powietrza Podział hali basenowej na strefy Technologie do kontroli środowiska wewnętrznego w basenach krytych Rozwój technologii w zakresie ogrzewania i wentylacji Rozdział powietrza w halach basenowych Rozdział powietrza dół góra Rozdział powietrza góra dół Rozdział powietrza strefowy Układy do ochrony przed wykraplaniem wilgoci Rozwiązania central wentylacyjnych basenowych Centrale wentylacyjne klasyczne Centrale wentylacyjne z pojedynczym i podwójnym odzyskiem ciepła Centrale wentylacyjne z pompą ciepła Inne rozwiązania central wentylacyjnych Rekomendowane rozwiązania w zakresie central wentylacyjnych Rozwiązania energooszczędne i ich analiza Podejście zintegrowane Optymalizacja odzysku ciepła z central wentylacyjnych Proponowane struktury rozwiązań energooszczędnych Zasady analizy proponowanych rozwiązań innowacyjnych

6 Obudowa hali basenowej Dane klimatyczne Profil użytkowania System rozdziału powietrza Centrale wentylacyjne Strumień powietrza centrali Parametry powietrza w nocy Osuszanie powietrza w nocy Regulacja i sterowanie Mieszanie powietrza w centrali Warianty wybrane do analiz Modelowanie stanów termicznych układów HVAC dla basenów krytych Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej Bilans cieplny całej hali basenowej Bilans cieplno-wilgotnościowy dla niecki basenowej Temperatura powietrza nawiewanego a rozdział powietrza Gęstość powietrza nawiewanego a rozdział powietrza Wyniki obliczeń bilansu cieplno-wilgotnościowego dla wybranych typów obiektów basenowych Parametry stałe i zmienne w opracowanych algorytmach 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 dla zmiennych warunków klimatu zewnętrznego dla wentylacji centralnej KR_C Tryby pracy centrali wentylacyjnej NOC Tryby pracy centrali wentylacyjnej 100% POWIETRZE ŚWIEŻE Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE Algorytm obliczeniowy dla zmiennych warunków klimatu zewnętrznego dla wentylacji zdecentralizowanej KR_ZDC Algorytm obliczeniowy dla pozostałych struktur wentylacyjnych KR_M Obliczenia symulacyjne dla wybranych struktur energooszczędnych Walidacja modelu na obiekcie rzeczywistym Charakterystyka obiektu rzeczywistego Charakterystyka wykonanych pomiarów sprawdzających Wyniki i analiza porównawcza wyników uzyskanych w pomiarach i algorytmem KR_ZDC Wnioski z przeprowadzonych pomiarów sprawdzających Obliczenia dla wybranych stanów termicznych Wyniki obliczeń dla systemów wentylacyjnych centralnych Wyniki obliczeń dla systemów wentylacyjnych zdecentralizowanych Obliczenia dodatkowych systemów pokrywających straty ciepła hali basenowej Efekty energetyczne proponowanych technologii zmodyfikowanych Analiza porównawcza wyników obliczeń

7 Baseny duże publiczne Baseny duże z widownią Baseny małe prywatne Analiza porównawcza wyników obliczeń Efekty energetyczne zastosowania wymiennika ciepła i wentylacji zdecentralizowanej Efekty energetyczne zastosowania pompy ciepła Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory Osuszanie powietrza nocą Zasady wdrożenia opracowanych algorytmów sterowania Wnioski końcowe i kierunki dalszych badań Wnioski końcowe Kierunki dalszych badań Literatura Załączniki

8 Spis rysunków Rys Procentowy udział zużycia energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy według danych UK na rok Rys Procentowy udział kosztów zużytej energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy według danych UK na rok 1997 i Rys Krzywa duszności wg Lancastera-Cartensa-Ruge a [25,66] Rys Tygodniowy profil użytkowania basenu Rys Udział czterech grup ubocznych produktów dezynfekcji wody przy różnych metodach dezynfekcji wody Rys Procentowy udział składników THM w powietrzu Rys Strumień powietrza świeżego w odniesieniu do powierzchni wody przypadającej na 1 osobę (opracowanie własne) Rys Obliczony procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy (22:00-6:00), dla wariantu 1 (według tabeli 4.4.) wariant wykorzystujący osuszanie powietrza wentylacyjnego powietrzem świeżym (zima) Rys Obliczony procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy (22:00-6:00), dla wariantu 1 (według tabeli 4.4.) wariant wykorzystujący osuszanie powietrza wentylacyjnego powietrzem świeżym (lato) Rys Podział hali basenowej na strefy pod względem wilgotności względnej Rys Podział hali basenowej na strefy charakteryzujące się różnymi potrzebami Rys Strumień odparowującej wody w basenach nieużytkowanych Rys Strumień odparowującej wody w basenach użytkowanych Rys Strumień odparowującej wody w basenach użytkowanych w funkcji liczby osób 50 Rys Strefa niecki basenowej w przekroju i rzucie Rys Strefa widowni Rys Strefa podstropowa Rys Ryzyko wykroplenia wilgoci na powierzchniach przeszklonych o różnych współczynnikach przenikania ciepła (opracowanie własne) Rys Strefa przegród przeszklonych Rys Schemat instalacji do kontroli klimatu wewnętrznego dla krytej pływalni Rys Rozdział powietrza dół góra w hali basenowej (oznaczenia według rysunku 2.9.) Rys Rozdział powietrza środek góra Rys Rozdział powietrza środek góra dół Rys Rozdział powietrza góra dół Rys Rozdział powietrza strefowy (oznaczenia według rysunku 2.9.) Rys Centrala basenowa w układzie konwencjonalnym (z recyrkulacją) Rys Centrala basenowa w układzie konwencjonalnym z wymiennikiem krzyżowym Rys Centrala basenowa w układzie z pompą ciepłą Rys Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła i skraplaczem wodnym (bez skraplacza powietrznego) Rys Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła powietrze powietrze z dodatkowym skraplaczem wodnym do podgrzewu wody basenowej Rys Centrala basenowa z układem otwartej absorpcji do osuszania powietrza Rys Odzysk ciepła w centrali wentylacyjnej Rys Tygodniowy profil użytkowania basenu Rys Zależność temperatury powietrza zewnętrznego od zawartości wilgoci dla Poznania (opracowanie własne) Rys Kierunki strumieni ciepła w hali basenowej

9 Rys Gęstość powietrza w funkcji temperatury w zakresie wilgotności względnej powietrza 35-60% (opracowanie własne) Rys Temperatura nawiewu dla obiektów basenowych o różnej konstrukcji (wg tab.5.1.) Rys Uporządkowany wykres przebiegu temperatury nawiewu w funkcji temperatury zewnętrznej (obliczenia własne) Rys Temperatura nawiewu w układzie wentylacji zdecentralizowanej Rys Straty ciepła hali basenowej w zależności od lokalizacji i typu obiektu (obliczenia własne) Rys Uporządkowany wykres przebiegu temperatury zewnętrznej wraz z zawartością wilgoci w powietrzu zewnętrznym i bilansem cieplno-wilgotnościowym hali basenowej typu I (wg tabeli 5.1.) dla Poznania Rys Schemat centrali wentylacyjnej z oznaczeniami indeksów stanów powietrza Rys Algorytm pracy centrali basenowej w układzie centralnym (KR_C.01) Rys Przemiany powietrza w centrali wentylacyjnej na wykresie h-x dla układu centralnego (KR_C.01) Rys Przebieg zużycia mocy cieplnej nagrzewnicy i skraplacza pompy do podgrzewu powietrza wentylacyjnego ciepła dla układu wentylacji centralnej (Wariant 4) i zdecentralizowanej (Wariant 6) dla obiektu basenowego typu I w funkcji temperatury zewnętrznej Rys Algorytm pracy centrali basenowej w układzie zdecentralizowanym (KR_ZDC.01) Rys Przemiany powietrza w centrali wentylacyjnej na wykresie h-x dla układu zdecentralizowanego (KR_ZDC.01) Rys Algorytm pracy centrali basenowej w układzie zdecentralizowanym (KR_M.01) Rys Schemat systemu wentylacyjnego obiektu rzeczywistego Rys Miernik i rejestrator 9 wejściowy ALMEMO oraz czujniki pojemnościowe wilgotności względnej FHA646-E1C wykorzystane do pomiarów Rys Centrala wentylacyjna wykorzystana do pomiarów oraz lokalizacja czujników w kanale nawiewnym i wywiewnym Rys Wyniki pomiarów parametrów w basenowej centrali wentylacyjnej w obiekcie rzeczywistym w dniach r Rys Wyniki pomiarów parametrów w basenowej centrali wentylacyjnej w obiekcie rzeczywistym w dniach r Rys Wyniki obliczeń wyznaczonym algorytmem KR_ZDC.01 dla zmierzonych w dniach r. parametrów powietrza zewnętrznego Rys Wyniki obliczeń wyznaczonym algorytmem zmodyfikowany (KR_ZDC.02), dla zmierzonych w dniach r. parametrów powietrza zewnętrznego Rys Wyniki obliczeń wyznaczonym algorytmem zmodyfikowany (KR_ZDC.02), dla zmierzonych w dniach r. parametrów powietrza zewnętrznego Rys Ilość ciepła do podgrzania powietrza wentylacyjnego w kwh/m 2 B w okresie pomiarowym Rys Porównanie ilości odparowującej wody określonej na obiekcie rzeczywistym Rys Porównanie ilości odparowującej wody określonej na obiekcie rzeczywistym Rys Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w okresie nocy Rys Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 2 sierpnia tryb pracy 100% powietrze świeże wentylacja centralna (wariant 4 i 5 wg tabeli 4.4.) Rys Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 1 marca tryb pracy Mieszanie

10 Rys Praca centrali wentylacyjnej z pompą w dniu 8 czerwca tryb pracy Mieszanie Rys Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 2 sierpnia tryb pracy 100% powietrze świeże wentylacja zdecentralizowana (wariant 6 i 7 wg tabeli 4.5.) Rys Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 1 marca tryb pracy Mieszanie Rys Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 11 czerwca tryb pracy Mieszanie Rys Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza wentylacyjnego dla obiektu basenowego typu I Rys Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu I Rys Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza ciepła dla obiektu basenowego typu II Rys Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu II Rys Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza dla obiektu basenowego typu III Rys Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu III Rys Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza ciepła dla obiektu basenowego typu IV Rys Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu IV Rys Efekty energetyczne zastosowania wymiennika ciepła oraz wentylacji zdecentralizowanej Rys Rezerwa ilości ciepła powstała w dodatkowym skraplaczu wodnym do wykorzystania do podgrzewu wody basenowej Rys Temperatura powietrza usuwanego z centrali wentylacyjnej w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego Rys Porównanie zużycia energii elektrycznej przez wentylatory w układach wentylacji centralnej i zdecentralizowanej Rys Osuszanie powietrza w okresie nocy powietrzem świeżym i pompą ciepła dla wentylacji centralnej Rys Osuszanie powietrza w okresie nocy powietrzem świeżym oraz pompą ciepła dla wentylacji zdecentralizowanej

11 Spis tabel Tab.2.1.Temperatura wody w zależności od rodzaju basenu według różnych źródeł Tab.2.2. Parametry powietrza w zależności od rodzaju basenu według różnych źródeł Tab.2.3. Prędkości powietrza w strefie niecki basenowej według różnych źródeł Tab.2.4. Strumień powietrza świeżego w krytych basenach wg wytycznych krajowych Tab.2.5. Strumień powietrza świeżego niezbędny do uzyskania stężenia CO 2 na poziomie 1000 ppm przypadający na osobę w zależności od intensywności wysiłku fizycznego Tab.2.6. Powierzchnia wody przypadająca na osobę w zależności od typu użytkowania basenu Tab.2.7. Stężenia THM w powietrzu według literatury polskiej i zagranicznej Tab.2.8. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody dla basenów nieużytkowanych Tab.2.9. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody dla basenów użytkowanych Tab Parametry wody i powietrza przyjmowane jako optymalne dla basenu sportowego Tab.4.1. Współczynniki przenikania ciepła porównywanych wariantów Tab.4.2. System rozdziału powietrza porównywanych wariantów Tab.4.3. Centrale wentylacyjne porównywanych wariantów Tab.4.4. Analizowane warianty dla układu wentylacji centralnej Tab.4.5. Analizowane warianty dla układu wentylacji zdecentralizowanej Tab Zestawienie konstrukcji basenów różnych typów Tab.5.2. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie i na infiltrację dla różnych parametrów obudowy zewnętrznej Tab.5.3. Obliczone straty ciepła dla czterech typów obiektów basenowych Tab.5.4. Straty ciepła pozostałe po uwzględnieniu ogrzewania podłogowego Tab.5.5. Temperatury nawiewu dla układów wentylacji centralnej i zdecentralizowanej Tab. 5.6.Straty ciepła przez przenikanie przy uwzględnieniu zwiększenia strat ciepła przez przegrody przeźroczyste przy uwzględnieniu nawiewu powietrza wzdłuż okien Tab.5.7. Zestawienie wymiarów przegród przeszklonych w obiektach basenowych różnego typu Tab.5.8. Straty ciepła hali basenowej w zależności od typu obiektu oraz jego lokalizacji Tab.5.9. Udział powietrza świeżego Tab Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji zewnętrznej Tab Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji wewnętrznej Tab Współczynniki parowania przyjęte przy modelowaniu stanów powietrza Tab Czas działania trybów pracy centrali basenowej dla wariantów 4 i Tab Czas działania trybów pracy centrali basenowej dla wariantów 5 i Tab.6.1. Strumienie powietrza dla poszczególnych układów wentylacyjnych dla obiektu basenowego typu I, II i III Tab.7.1. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych poszczególnych wariantów dla obiektu typu I Tab.7.2. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu I Tab.7.3. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych poszczególnych wariantów dla obiektu typu II Tab.7.4. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu II Tab.7.5. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych poszczególnych wariantów dla obiektu typu III Tab.7.6. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu III

12 Tab.7.7. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych poszczególnych wariantów dla obiektu typu IV Tab.7.8. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu IV

13 Wykaz oznaczeń Oznaczenie Jednostka Opis parametru A m 2 powierzchnia A B m 2 B powierzchnia wody w niecce basenowej c kj/(kg. K) ciepło właściwe e - współczynnik osłonięcia f w - lotność pary wodnej w powietrzu H W/K współczynnik strat ciepła h kj/(kg. K) entalpia właściwa I W/m 2 natężenie promieniowania słonecznego K, K d, S, współczynniki zwiększające do obliczania parowania z - F u, L b basenów użytkowanych L OK m długość okna w hali basenowej l m wymiar charakterystyczny do obliczania liczby Reynoldsa m kg/h, kg/s strumień masowy Nu - liczba Nusselta n 50 h -1 szczelność obudowy zewnętrznej budynku p Pa różnica ciśnień cząstkowych między powietrzem w hali basenowej a warstwą graniczną p hpa ciśnienie cząstkowe pary wodnej Pa ciśnienie absolutne powietrza wilgotnego p a p o Pa ciśnienie pary wodnej w powietrzu, w temperaturze 0 o C =610,7Pa P i kw moc wentylatorów Pr - liczba Prandtla, Pr=c. p μ/λ p w (t) Pa ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu p w (t) Pa ciśnienie nasycenia pary wodnej w powietrzu Q kw straty/zyski ciepła q W/m 2 jednostkowe straty/zyski ciepła r kj/kg ciepło parowania, r o =2500,8 kj/kg Re - liczba Reynoldsa, Re=w. l/ν R P J/(kg. K) stała gazowa pary wodnej T K temperatura t o C temperatura o C temperatura termometru mokrego t m t s o C temperatura przegród zewnętrznych U W/(m 2. K) współczynnik przenikania ciepła V m 3 /h, m 3 /s strumień objętościowy V i m 3 kubatura wewnętrzna hali basenowej w m/s prędkość powietrza x g/kg, kg/kg zawartość wilgoci w powietrzu α W/(m 2. K) współczynnik konwekcji ciepła β kg/(h. m 2 B. kg/kg), kg/(h. m 2 B. hpa) współczynnik parowania ε - udział powietrza ε R - emisyjność przegród wewnątrz hali basenowej ƞ gn - współczynnik wykorzystania zysków ciepła λ W/(m. K) przewodność cieplna ρ kg/m 3 gęstość powietrza 13

14 σ W/(m 2. K 4 ) stała Boltzmanna 5, W/(m 2. K 4 ) τ kg/kg ; hpa moduł napędowy procesu parowania wody φ % wilgotność względna powietrza κ - współczynnik zmniejszający strumień ciepła utajonego wynikający z parowania wody, κ=0,05 ν kg/(m. s) współczynnik lepkości dynamicznej μ m 2 /s współczynnik lepkości kinematycznej Indeksy Dotyczące stanów powietrza i wody M1 stan powietrza po recyrkulacji zewnętrznej M2 stan powietrza po recyrkulacji wewnętrznej N powietrze nawiewane OC powietrze zewnętrzne za wymiennikiem ciepła OC powietrze wywiewane za wymiennikiem ciepła P powietrze wewnątrz hali basenowej (usuwane z hali basenowej) PC powietrze wywiewane za parowaczem pompy ciepła PW warstwa graniczna między powietrzem a wodą pś powietrze świeże REC1, rec1 recyrkulacja zewnętrzna REC2, rec2 recyrkulacja wewnętrzna SKR, PC powietrze nawiewane za skraplaczem pompy ciepła W woda Z, e powietrze zewnętrzne Dotyczące bilansu cieplno-wilgotnościowego C całkowite CENTR wentylacja centralna F podłoga wokół niecki basenowej HB hala basenowa inf na infiltrację K przez konwekcję NB niecka basenowa OG ogrzewanie statyczne OK okna OP ogrzewanie podłogowe OS od osób PG/PB do podłogi na gruncie, do podbasenia POM sąsiednie pomieszczenia PP na podgrzanie powstającej pary wodnej PW ze względu na parowanie R przez promieniowanie RW rozpryskiwanej wody S przegrody zewnętrzne SOL od słońca STR straty ciepła śr średnie TR przez przenikanie VE na wentylację ZDECENTR wentylacja zdecentralizowana ZYS zyski ciepła 14

15 1. Wprowadzenie 1.1. Specyfika krytych basenów kąpielowych 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. 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. 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. 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, 15

16 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 [27,37]. 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 [27,36,37,38]. 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 [27,37]. 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, omówione w rozdziale 2.2., pokazują, że należy skierować uwagę na nowe metody dezynfekcji wody w celu poprawy jej jakości oraz 16

17 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 (omówione w rozdz ). Kolejnym krokiem powinno być zintegrowanie wszystkich powyższych rozwiązań proponowanych jako najbardziej 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. Propozycję takiego zintegrowanego układu, dzięki któremu obniży się zużycie energii stanowić będą wyniki niniejszej rozprawy Aspekty energetyczne W ostatnim pięćdziesięcioleciu obserwuje się ciągły wzrost zużycia energii pierwotnej na świecie [48]. W latach nastąpił wzrost zużycia energii pierwotnej o 49%, a emisja CO 2 zwiększyła się również o 49%. Budynki zużywają około 40% energii końcowej. W Unii Europejskiej w roku 2004 zużycie energii przez budynki wynosiło 37% i było wyższe od zużycia energii przez przemysł i transport odpowiednio o 28% i 32%. Również w Polsce zużycie energii pierwotnej przez budownictwo kształtuje się od wielu lat na poziomie około 40% [5]. Na zużycie energii przez budynki wpływają straty ciepła przez przenikanie spowodowane zbyt dużymi współczynnikami przenikania ciepła, urządzenia do wytwarzania ciepła o zbyt małej sprawności oraz nieszczelne obudowy budynków. Największy udział w tych stratach mają budynki mieszkalne z uwagi na ich duży udział w ogólnej liczbie budynków. Zwracać uwagę należy również na budynki biurowe, których liczba także jest duża. Niemniej każdy budynek powinien być w obecnych czasach energooszczędny. Unia Europejska wydała dyrektywę w sprawie efektywności energetycznej [98], według której do 2020 roku wszystkie nowo budowane budynki powinny być budynkami o minimalnym zużyciu energii oraz z dużym udziałem odnawialnych źródeł energii jako podstawą zasilania instalacji w budynku. Natomiast budynki istniejące powinny przechodzić modernizację w celu obniżenia zużycia energii. Z uwagi na konieczność dostosowania wspomnianej dyrektywy unijnej do warunków krajowych, wprowadzono w Polsce 1 stycznia 2014 roku nowe warunki techniczne [100], w których przedstawiono nowe wymagania stawiane obiektom budowlanym w zakresie zmniejszenia zużycia energii. Wraz ze zbliżaniem się do 2020 roku zmniejszeniu ulegają maksymalne wartości współczynników przenikania ciepła dla wszystkich rodzajów przegród budowlanych oraz wszystkich obiektów budowlanych. Zmniejszenie to jest stopniowe, ale takie, że obiekty budowane po roku 2021, będą miały bardzo niskie współczynniki przenikania ciepła, co przełoży się na niskie straty ciepła przez przenikanie. Dodatkowo rozporządzenie wprowadza obowiązek stosowania odnawialnych źródeł energii, wskazując 17

18 maksymalne wskaźniki zużycia energii pierwotnej. Żeby osiągnąć wartości planowane dla budynków budowanych po 2021 roku, należy zmniejszać straty ciepła budynku, ale przy jednoczesnym stosowaniu rozwiązań instalacyjnych korzystających z odnawialnych źródeł energii, przy równocześnie wysokiej ich sprawności. Pożądane będą systemy działające okresowo, jedynie gdy jest to konieczne w celu zmniejszania zużycia energii elektrycznej, który ma wysoki wskaźnik energii pierwotnej [103]. Obiekty basenowe są często traktowane jako obiekty zużywające znaczne ilości energii, a tym samym przynoszące straty [77]. Jeżeli w kompleksie nie ma części rekreacyjnej w formie atrakcji wodnych, część sportowa często nie przynosi dużych zysków. Dzieje się tak z powodu konieczności zapewniania wysokich parametrów powietrza oraz przez stosowanie systemów utrzymujących komfort cieplny zaprojektowanych w niewłaściwy sposób. Problemem są przede wszystkim koszty eksploatacji takiego obiektu. Należy więc zwracać uwagę na takie projektowanie systemów instalacyjnych, żeby utrzymywały komfort cieplny użytkowników przy jednocześnie możliwie małych kosztach eksploatacyjnych. Warto zwrócić również uwagę na to, że zużycie energii obiektu basenowego zależy też od projektu obudowy zewnętrznej. Oszczędności można więc szukać już na etapie projektowania poprzez stosowanie dobrych jakościowo i pod względem termicznym materiałów budowlanych [61] oraz unikanie mostków cieplnych [7]. Warto także zwrócić uwagę na izolacje pomieszczeń sąsiadujących z halą basenową, które mają niższą temperaturę wewnętrzną. Straty ciepła do tych sąsiednich pomieszczeń mogą być znaczące [23]. Nie należy szukać oszczędności w obniżaniu temperatury wody, jak ma to często miejsce [34,50], ponieważ są to jedynie oszczędności pozorne. Użytkownicy basenu nie będą chcieli z niego korzystać, jeśli woda będzie miała za niską temperaturę. Również zmniejszanie temperatury powietrza (mniejsza moc urządzeń do podgrzewania powietrza) czy zmniejszanie wilgotności względnej (mniejsze parowanie, ale konieczność osuszania powietrza) dają tylko pozorne zmniejszenie zużycia energii, które przyczyniają się do zwiększenia kosztów pracy systemu wentylacyjnego [81]. W literaturze można znaleźć dane dotyczące zużycia energii końcowej przez baseny pływackie. Porównanie tych danych może być jednak trudne z uwagi na różnorodność architektoniczną oraz różne przeznaczenie obiektów. Wykresy na rysunkach 1.1. i 1.2. przedstawiają analizy autorów [93] dotyczące zużycia energii oraz kosztów tej energii w odniesieniu do basenów pływackich. Autorzy zauważają, że mimo kryzysów energetycznych, wzrostu kosztów energii i nacisków dotyczących polepszania parametrów termicznych budynków koszty zużytej energii są na podobnym poziomie. Chociażby ze względu na to, że trend dotyczący wzrostu cen energii będzie się z pewnością utrzymywał, należy zwracać uwagę na zmniejszanie zużycia energii przez budynki, ponieważ w przeciwnym wypadku, szczególnie obiekty basenowe, rzeczywiście staną się obiektami nieopłacalnymi i przynoszącymi straty. 18

19 Procentowy stosunek zużycia energii końcowej na różne cele w obiekcie basenowym (1997) 6% 6% 25% 53% 10% Ogrzewanie Podgrzewanie wody Inne Wentylatory i pompy Oświetlenie Rys Procentowy udział zużycia energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy według danych UK na rok 1997 Procentowy udział kosztów zużywanej energii w krytej pływalni (1997) Procentowy udział kosztów zużywanej energii w krytej pływalni (2008) 16% 16% 13% 27% 28% 13% 11% 14% 30% 32% Ogrzewanie Podgrzewanie wody Inne Wentylatory i pompy Oświetlenie Ogrzewanie Podgrzewanie wody Inne Wentylatory i pompy Oświetlenie Rys Procentowy udział kosztów zużytej energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy według danych UK na rok 1997 i 2008 Analiza strat ciepła przykładowych obiektów basenowych przedstawiona jest w rozdziale Ocena dotychczasowych rozwiązań 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 [37] 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. Układ z osuszaniem sorpcyjnym dawał najlepsze wyniki, jednakże jest on skomplikowany i nie jest powszechnie stosowany, natomiast w przypadku zastosowania pompy ciepła układ jest 19

20 stosunkowo prosty zarówno w budowie, jak i działaniu, tak że jego obsługa nie jest skomplikowana. 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 [27] 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. W analizach porównawczych przyjęto minimalny udział powietrza świeżego 10m 3 /(h. m 2 B), wilgotność względną utrzymywaną w hali basenowej zależną od parametrów powietrza zewnętrznego (50 63%), trzy wartości parowania oraz stałą moc potrzebną do podgrzewu ciepłej wody użytkowej i zużywaną przez wentylatory i pompy. 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. Autorzy założyli, że zużycie energii przez wentylatory jest stałe i nie zmienia się przy zastosowaniu bardziej skomplikowanych układów (więcej elementów w centrali powodujących większe straty ciśnienia). Dodatkowo stwierdzają, że błąd w obliczeniach, w stosunku do obiektów rzeczywistych, może powodować przyjęcie z góry założonej ilości odparowującej wody, na którą wpływ w rzeczywistości ma bardzo wiele czynników. Lam i Chan w 2001 roku [36] 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. 20

21 Również Lee i Kung [38] 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 temperatur na zewnątrz przewidziano minimalny strumień powietrza świeżego, natomiast wraz ze wzrostem entalpii zwiększał się strumień powietrza świeżego, osiągając 100%. Autorzy zauważyli, że przy pewnych sprzyjających warunkach zewnętrznych nagrzewnica elektryczna nie musi działać. W swoich analizach wykorzystali również optymalizację roju cząstek, optymalizując strumień powietrza świeżego. Dodatkowo wykonali obliczenia w cyklu życia. 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 [47] 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 (co będzie omówione w rozdz ). Dodatkowo, co nie było wcześniej stosowane, wprowadzili zewnętrzny wymiennik ciepła, który w okresach gdy nie ma zbyt dużego odbioru ciepła, w lecie i na jesieni, służy do odbioru ciepła powstałego w skraplaczu podczas osuszania powietrza parowaczem, natomiast w okresie wiosny i zimy może służyć jako chłodnica. 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. Analizując badania opisane w literaturze, należy zauważyć, że nie ma wśród nich badań autorów polskich. Przedstawione badania skupiają się w większości na analizie centrali wentylacyjnej basenowej. Nie określają jednak, jakie parametry nawiewu były uwzględniane w obliczeniach, co ma wpływ na zużycie energii. Nie poruszają one również kwestii rozdziału 21

22 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 [90] stwierdzili, że pompy ciepła nadają się bardzo dobrze do kontroli klimatu wewnętrznego dla pomieszczeń, gdzie należy utrzymywać i temperaturę, i wilgotność względną powietrza. W badanym układzie oprócz pompy ciepła występował również wymiennik ciepła dla poprawienia efektywności oraz zmniejszenia zużycia energii. 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 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 22

23 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. 23

24 2. Stan badań nad środowiskiem wewnętrznym w basenach krytych 2.1. Parametry termiczne i wilgotnościowe hal basenowych Opisując komfort cieplny, najczęściej przywołuje się definicję Fangera [21,22,46,96], która mówi, że komfort cieplny jest to stan, w którym człowiekowi odpowiadają warunki środowiska, w którym się znajduje, a wpływ na niego mają przede wszystkim temperatura, wilgotność względna powietrza czy jego prędkość. Autorzy [22] bardziej szczegółowo określili elementy wpływające na komfort cieplny z podziałem na kilka grup. Na komfort cieplny dla lata i zimy ze strony parametrów powietrza wpływają: temperatura powietrza w pomieszczeniu może być różna dla lata i zimy, pionowy gradient temperatury, prędkość powietrza i odczucie przeciągu, wilgotność względna powietrza. Na komfort cieplny ze strony konstrukcji budynku wpływają: temperatura przegród zewnętrznych, zabezpieczenie przed promieniowaniem słonecznym (wewnętrzne/zewnętrzne elementy zacieniające), odpowiednie współczynniki przenikania ciepła, które zapewnią mniejsze straty ciepła w zimie i mniejsze zyski ciepła w lecie oraz zabezpieczą konstrukcję obiektu przed wykraplaniem wilgoci, podział obiektu na strefy, w których mają być zapewnione odpowiednie parametry powietrza, zapewnienie odpowiedniej szczelności powietrznej obiektu (wskaźnik n 50 [h 1 ] ), liczba i powierzchnia mostków cieplnych, w przypadku wentylacji naturalnej konieczność otwierania okien. Na komfort cieplny ze strony instalacji budynku wpływają [22]: odpowiednie zaprojektowanie instalacji wentylacyjnej i ogrzewania, zaprojektowanie instalacji ogrzewania i chłodzenia strefowych, kontrola prędkości powietrza i odpowiedni rozdział powietrza, kontrola wilgotności względnej i temperatury powietrza, instalacja wentylacyjna umożliwiająca zmianę przepływu powietrza, obecność instalacji klimatyzacyjnej. Według ASHRAE [96] dodatkowo na komfort cieplny wpływają czynniki ze strony ludzi: ubiór, płeć, wiek, aktywność fizyczna, komfort cieplny jest odczuciem indywidualnym, ale również: jakość powietrza skład fizykochemiczny oraz strumień powietrza świeżego i poziom dźwięku. Należy również zauważyć, że na odczucia komfortu cieplnego wpływ ma czas przebywania w obiekcie [46]. Parametry komfortu cieplnego powinny być dobierane według przeznaczenia pomieszczenia oraz aktywności fizycznej ludzi w nim przebywających. Czas przebywania ma 24

25 również znaczenie. W obiektach basenowych, szczególnie w przypadku basenów sportowych, czas przebywania na hali basenowej to minut. W przypadku treningów pływaków wyczynowych czas ten może wynosić minut. Można więc przyjąć, że warunki komfortu cieplnego nie muszą być ściśle utrzymywane [46]. Oprócz pływaków w obiekcie przebywają jednak również trenerzy, opiekunowie oraz ratownicy, którzy z reguły spędzają na basenie więcej niż 2 godziny. Różnica w przypadku tych dwóch grup jest znaczna, ponieważ ci drudzy są przeważnie w ubraniach. Parametry komfortu cieplnego powinny być dobrane w taki sposób, żeby zapewnić odczucie zadowolenia użytkownikom. Nie muszą być one utrzymywane przez całą dobę. W nocy, gdy basen jest nieużytkowany, może nastąpić zmiana parametrów powietrza, które w przypadku obecności w hali basenowej ludzi mogłyby powodować odczucie dyskomfortu [43]. Dobierając parametry powietrza w hali basenowej, należy wziąć pod uwagę poza użytkownikami również konstrukcję budynku. Przegrody zewnętrzne muszą być zabezpieczone przed możliwością wykraplania się na ich powierzchni oraz we wnętrzu wilgoci. Parametry powietrza wewnętrznego powinny być zatem tak dobrane, żeby zabezpieczyć przegrody przed tym zjawiskiem. Może się to odbywać poprzez dobranie odpowiednich materiałów budowlanych dla obudowy zewnętrznej budynku, charakteryzujących się niskimi współczynnikami przenikania ciepła, szczególnie dla części przeszklonych. Parametry powietrza dobrane dla hali basenowej odpowiadają za komfort cieplny użytkowników, potencjalną możliwość wykraplania się wilgoci na powierzchni przegród zewnętrznych, czyli ich trwałość, jak również mają znaczący wpływ na wartość parowania z powierzchni wody, zatem także na zużycie energii urządzeń utrzymujących te parametry na zadanym poziomie Parametry wody basenowej W Polsce, jak i w wielu innych krajach nie ma norm i przepisów dotyczących krytych basenów pływackich. W literaturze można jednak znaleźć wytyczne dotyczące doboru parametrów powietrza: temperatury, wilgotności względnej, prędkości powietrza. Zestawienie danych zebranych z literatury znajduje się w tabelach 2.1. i 2.2. Najważniejszym wyznacznikiem parametrów termicznych wewnątrz hali basenowej jest temperatura wody. Jest ona zależna od przeznaczenia basenu. W literaturze można znaleźć wiele rekomendacji dotyczących temperatury wody basenowej. Swoje wytyczne, nie tyle w kwestii rodzaju basenu, ile w kwestii rozgrywania zawodów, przedstawia Światowa Federacja Pływacka (FINA) [99]. W licznych artykułach poświęconych basenom pływackim można znaleźć szereg wartości dotyczących temperatury wody, a zestawienie tych temperatur przedstawia tabela

26 Tab.2.1.Temperatura wody w zależności od rodzaju basenu według różnych źródeł Rekomendacje Temperatura wody [ ] Źródło FINA Pływanie Skoki do wody >26 Piłka wodna 26±1 [99] Pływanie synchroniczne 27±1 ASHRAE Pływanie rekreacyjne Zawody pływackie Skoki do wody [96] Hotel Baseny terapeutyczne UK Ogólne Terapeutyczne 32 [49] Publiczne 28 Dla dzieci 30 [75] VDI Ogólne Dla dzieci Uzdrowisko [110] Terapeutyczne Polska Ogólne Dla dzieci 28 [25] Inne Ogólne t w =t P - 2 [47] Parametry powietrza w hali basenowej Dobierając temperaturę wewnętrzną w hali basenowej, należy wziąć pod uwagę, że główni użytkownicy basenu są rozebrani. Temperaturę powietrza należy więc dobrać tak, żeby zapewnić im odczucie komfortu cieplnego, gdy wchodzą do hali basenowej, ale również gdy opuszczają basen. Ta druga sytuacja jest ważniejsza przy planowaniu temperatury, ale także prędkości powietrza, gdy wychodzący ludzie są mokrzy. Ma to szczególne znaczenie w przypadku basenów rekreacyjnych, gdy ludzie przemieszczają się między atrakcjami wodnymi. 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 powietrza, która znajduje się w przedziale komfortu, należy dobierać w powiązaniu z temperaturą powietrza, inne bowiem będą odczucia przy danej wilgotności względnej dla różnych temperatur powietrza wewnętrznego. Te zależności można znaleźć na krzywej duszności według Lancastera-Catensa-Ruge a przedstawioną na rysunku 2.1.: 26

27 45 40 Temperatura [ o C] Wilgotność względna powietrza [%] Krzywa duszności ogólna Krzywa duszności dla basenu Rys Krzywa duszności wg Lancastera-Cartensa-Ruge a [25,66] Krzywa ta [25,66] określa, jaka powinna być maksymalna wilgotność względna powietrza przy danej temperaturze wewnętrznej w pomieszczeniu (krzywa duszności ogólna), żeby użytkownicy nie odczuwali dyskomfortu spowodowanego zbyt dużą wilgotnością względną. Obszar, który znajduje się nad tą krzywą, określa poziom uczucia duszności. Z uwagi na inne parametry powietrza w przypadku hal basenowych krzywa ta została przesunięta. Na jej podstawie 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. W aspekcie utrzymywania w pomieszczeniu odpowiedniej różnicy ciśnień wskazane jest [49,96] utrzymywania podciśnienienia, żeby wilgoć i zanieczyszczenia powietrza nie przedostawały się do innych, sąsiednich pomieszczeń, ale były zatrzymywane i usuwane z hali basenowej. Można stosować również układy zrównoważone pod względem ciśnienia [65]. 27

28 Tab.2.2. Parametry powietrza w zależności od rodzaju basenu według różnych źródeł Wytyczne Temperatura Wilgotność powietrza [ ] względna [%] Źródło FINA brak wytycznych [99] ASHRAE ogólnie t P = t W + 1 2K max [96] UK Terapeutyczne t P = t W + 1K max 70 min 26 [49] ogólnie t P > t W - VDI ogólnie t P = t W + 2 4K [110] Polska ogólnie t P = t W + 1 3K <65 [43,66] Inne wiosna t P =28,2 lato t P =27,8 jesień t P =28,6 60 [47] zima t P =29,8 Prędkość powietrza powinna być tak dobrana, żeby w obrębie przede wszystkim niecki basenowej była stosunkowo niska. W strefie przebywania ludzi prędkość powietrza, według polskiej normy [104], powinna wynosić dla okresu zimy przy średnim wysiłku fizycznym mniej niż 0,3 m/s, a w okresie letnim mniej niż 0,4 m/s. Dotyczy to jednak raczej pomieszczeń o innym przeznaczeniu, a nie basenu pływackiego. Ludzie przebywający w hali basenowej są rozebrani i mokrzy. W takim przypadku, gdy temperatura powietrza wynosi około 30, prędkość powietrza nie powinna przekraczać 0,2 m/s, a nawet powinna wynosić do 0,15 m/s [6]. Im większa prędkość powietrza nawiewanego w strefę przebywania ludzi, tym większe odczucie dyskomfortu spowodowane wrażeniem przeciągu. Zbyt duża prędkość powietrza powoduje też intensyfikację parowania. Prędkość powietrza bowiem wpływa na współczynnik parowania β opisany w rozdziale 2.3. W większości wzorów zestawionych w tabelach 2.8. i 2.9. zmienną jest prędkość powietrza i im jest ona większa, tym ilość parującej wody jest większa. Zalecane prędkości powietrza dla strefy przebywania ludzi przedstawia tabela 2.3. Tab.2.3. Prędkości powietrza w strefie niecki basenowej według różnych źródeł Wytyczne Prędkość powietrza [ m ] Źródło s FINA brak wytycznych [99] ASHRAE ogólnie 0,13 [96] Polska 0,15 [6,66] Korelacja między parametrami wody i powietrza Dyskusje na temat zależności między parametrami wody i powietrza można znaleźć w literaturze: [46,47,66,77,87,96]. Głównym wyznacznikiem doboru parametrów powietrza jest temperatura wody. Jednak inni autorzy [47] prezentują nieco odmienne podejście. 28

29 Wyznacznikiem doboru parametrów w hali basenowej powinno być powietrze, a nie woda. Parametry powietrza powinny być określane dla każdej pory roku, co pozwoli na zmniejszenie zużycia energii. Autorzy zaznaczają, że woda powinna mieć temperaturę niższą o 2 K od temperatury powietrza, co przy założonych wartościach pokazanych w tabeli 2.1. wydaje się zbyt mało. Temperatura powietrza wyższa od temperatury wody o więcej niż 2K może powodować intensyfikację parowania wody Jakość powietrza w halach basenowych Jakość powietrza w pomieszczeniu określana jest z uwzględnieniem: ilości zanieczyszczeń jakie znajdują się w powietrzu, zysków wilgoci oraz strumienia powietrza świeżego dostarczanego do pomieszczenia. Wentylacja w obiekcie basenowym ma za zadanie usunięcie zysków wilgoci powstających z parowania z powierzchni wody oraz usunięcie szkodliwych związków będących produktami ubocznymi procesu dezynfekcji i działalności użytkowników. Zatem kontrola parametrów stanu powietrza oraz ilości powietrza nawiewanego są kluczowe w zapewnianiu dobrej jakości powietrza. Zatem kryte baseny pływackie, podobnie jak wszystkie obiekty, w których przebywają ludzie, powinny mieć zapewnioną odpowiednią wentylację, co wiąże się bezpośrednio z doprowadzeniem odpowiedniej ilości powietrza świeżego, zgodnie z aktami prawnymi: [96, 104, 105, 107, 109]. Niezależnie od przeznaczenia pomieszczenia wskaźnikiem, który określa jakość powietrza w pomieszczeniu jest stężenie ditlenku węgla. Im niższe jest to stężenie, tym jakość powietrza jest lepsza. Stężenie ditlenku węgla rośnie wraz z ilością osób, które przebywają w pomieszczeniu oraz wraz ze zwiększaniem ich wysiłku fizycznego. W celu utrzymania jakości powietrza w pomieszczeniu na wymaganym poziomie należy doprowadzać do niego odpowiedni strumień powietrza świeżego. Kolejnym wskaźnikiem, który jest ważny w pomieszczeniach, w których występuje emisja zanieczyszczeń, jest utrzymywanie stężenia tych zanieczyszczeń na wymaganych w rozporządzeniach krajowych poziomach dopuszczalnych. W przypadku obiektów basenowych związkami szkodliwymi są trihalometany i chloraminy, nazwane produktami ubocznymi procesu dezynfekcji wody basenowej (DBPs - disinfection by-products). Powstają one w wyniku reakcji chemicznych między chlorowaną wodą, a wprowadzanymi przez użytkowników basenu substancjami organicznymi. Rozdziały i zawierają opis tych substancji oraz ich dopuszczalne stężenia, które wpływają na jakość powietrza. Metody doboru strumienia powietrza świeżego według różnych kryteriów, które uwzględniają powyższa wymagania przedstawia rozdział W okresie letnim oraz w cieplejszej części roku 100% powietrza dostarczanego do hali basenowej jest powietrzem świeżym zewnętrznym. Powietrze zewnętrzne w okresie letnim ma dużą zawartość wilgoci, zatem mieszanie go z powietrzem powrotnym z hali basenowej nie ma sensu, gdyż tracimy potencjał osuszania powietrzem zewnętrznym. Latem temperatura powietrza zewnętrznego jest wysoka, zatem nie jest konieczne dodatkowe jego podgrzewanie 29

30 powietrzem powrotnym, a z punktu widzenia oszczędności energii moc nagrzewnicy w układzie wentylacyjnym nie będzie wysoka, więc można zrezygnować z recyrkulacji. Problemem jest okres zimowy i okres przejściowy, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niska. W takim przypadku doprowadzanie do hali basenowej 100% powietrza świeżego wiąże się ze znacznymi kosztami związanymi z jego podgrzewaniem, co nie jest uzasadnione ekonomicznie. Nawet wprowadzenie w układzie wentylacyjnym wymienników ciepła do odzyskiwania ciepła przy 100% udziale powietrza świeżego w zimie będzie się wiązało z wysokimi kosztami eksploatacyjnymi. Rozwiązaniem tego problemu może być zmniejszenie udziału powietrza świeżego w strumieniu powietrza nawiewanego do jak najniższego poziomu, pamiętając przy tym, że nie może on być zbyt niski ze względu na odprowadzenie zanieczyszczeń, w tym THM i chloramin. Wykresy na rysunku 2.2. przedstawiają dwa przykładowe profile użytkowania, z którym ilość odparowującej wody ściśle się łączy. Tygodniowy profil użytkowania basenu Frekwencja [%] Dni Profil 1 - zmienna frekwencja ludzi w okresie otwarcia basenu Profil 2-100% frekwencja ludzi w okresie otwarcia basenu Rys Tygodniowy profil użytkowania basenu Na parowanie duży wpływ ma liczba użytkowników basenu. W przypadku gdy w basenie pływać będzie dużo osób, parowanie wody będzie większe. Wzory do obliczania ilości odparowującej wody w basenach pływackich uwzględniają współczynniki poprawkowe, zwiększające uzyskane (najczęściej w badaniach doświadczalnych) ilości parującej wody ze spokojnego zwierciadła wody w przypadku, gdy basen jest użytkowany. W niektórych zależnościach autorzy zalecają podanie liczby użytkowników basenu w celu dokładniejszego wyznaczenia ilości parującej wody. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody omówione zostały w rozdziale 2.3. Oprócz analizy liczby osób przebywających w basenie należy zwrócić uwagę również intensywność ich wysiłku fizycznego. Ma to wpływ na wzmaganie intensywności parowania wody z basenu, gdyż większa intensywność pływania powoduje większe wzburzenie wody, przez co zwiększa się powierzchnia kontaktu wody z powietrzem, jak również powoduje rozprysk wody poza nieckę basenową i parowanie wody z otaczających powierzchni. 30

31 [%] Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych Dodatkowo większy wysiłek fizyczny zwiększa zapotrzebowanie na powietrze świeże z uwagi na większą intensywność oddychania. Po uwzględnieniu intensywności wysiłku pływaków może się okazać, że nawet jeżeli liczba użytkowników w godzinach porannych jest mała, bo trenują pływacy wyczynowi, to parowanie jest duże z uwagi na duże rozpryskiwanie wody przy intensywnym treningu Substancje lotne w powietrzu hal basenowych O jakości powietrza w pomieszczeniu decyduje również stężenie znajdujących się w nim zanieczyszczeń. Często wyznacznikiem jakości powietrza w pomieszczeniach, gdzie przybywają ludzie, jest stężenie ditlenku węgla, które nie powinno przekraczać 1000 ppm [15]. Jednak w przypadku obiektów, w których występuje emisja innych związków chemicznych, należy zwrócić uwagę na ich usuwanie. Jak wspomniano w obiektach basenowych emitowanymi związkami chemicznymi są tak zwane uboczne produkty dezynfekcji wody. Pierwotne zanieczyszczenie wody związkami chemicznymi prowadzi do zanieczyszczenia powietrza, w związku z czym pogarsza się jego jakość [52,77]. Wiadomo, że istnieje ponad 600 związków, które można określić jako uboczne produkty dezynfekcji wody [16]. Można je podzielić na 3 główne grupy [30,84]: trihalometany (THM), chloraminy i kwasy halooctowe (HAAs). Dodatkowo istnieją jeszcze inne grupy tych związków, takie jak [26] haloacetonitryle (HANs) czy wodzian chloralu (CH). Procentowy udział poszczególnych grup DBPs uzyskany na podstawie pomiarów ich ilości w wodzie przedstawia rysunek 2.3. Porównano otrzymane ilości poszczególnych związków przy trzech różnych metodach dezynfekcji wody basenowej Haloaceto nitryle Wodzian chloralu THM Kwasy halooctowe Ozon/chlor chlor EGMO Rys Udział czterech grup ubocznych produktów dezynfekcji wody przy różnych metodach dezynfekcji wody Jak widać, ilość DBPs w wodzie zależy od metody dezynfekcji wody, jednak na potrzeby rozprawy można przyjąć, że są to wahania nieduże, więc różne metody dezynfekcji wody nie będą analizowane. Autorzy badań [84] wyszczególnili 11 substancji wchodzących w skład DBPs, które występują w powietrzu: 31

32 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 [59]. Jest związkiem lotnym, który łatwo przechodzi z fazy ciekłej do gazowej. Najczęściej jedynym źródłem trichloraminy w powietrzu jest woda basenowa [84,85]. 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 [67]. WHO określa, że maksymalne stężenie trichloraminy powinno wynosić 0,5 mg/m 3, jednak uciążliwe symptomy, takie jak podrażnienia oczu i dróg oddechowych, mogą występować już przy stężeniu 0,2 mg/m 3 [79]. Natomiast przedstawicielem trihalometanów (THM), z uwagi na największy udział ilościowy w sumie tych związków obecnych w halach basenowych, jest chloroform CHCl 3. Przykładowy udział ilościowy głównych składników THM, który został uzyskany w pomiarach [19], przedstawia wykres na rysunku 2.4.: 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 [2]. 15% 5% 1% 79% Chloroform Dibromochlorometan Dichlorobromometan Bromoform Rys Procentowy udział składników THM w powietrzu 32

33 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 [2] 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). Do dezynfekcji wody basenowej stosuje się: podchloryn wapnia Ca(OCl) 2 (Calcium hypochlorite) [29,30,44,76], podchloryn sodu NaOCl (Sodiumhypochlorite) [29,44,76], chlorinatedisocyanuric [44,76], chlor w formie gazowej Cl 2 [44,91,94], ditlenek chloru ClO 2 [91,94], ozon O 3 [26,91,94], chlor elektrolityczny [26]. 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 ([51,52,85] i inne). Stężenie w powietrzu zewnętrznym zanieczyszczeń będących produktami ubocznymi procesu dezynfekcji wody (trihalometany, chloraminy) wynosi k e =0 mg/m 3, gdyż związki te nie występują. Prekursorami powstawania THM w wodzie basenowej są [67]: 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. Do substancji powodujących reakcje, w wyniku których powstają uboczne produkty dezynfekcji wody, można zaliczyć również wszelkiego rodzaju produkty kosmetyczne, takie jak kosmetyki do makijażu, kremy, balsamy, dezodoranty. Ilość powstających DBPs zależy zarówno od ilości prekursorów, czyli ilości wprowadzanych do wody substancji organicznych, jak i od metody dezynfekcji wody (co zostało pokazane na rys. 2.4.). Istnieją badania [28,29,85], w których autorzy badają ilość substancji organicznych wprowadzanych do wody przez użytkowników. Potwierdzają oni, że większa ilość wprowadzonych substancji organicznych związana z większą liczbą użytkowników basenu powoduje podwyższenie stężenia DBPs w powietrzu w hali basenowej. 33

34 Ilość substancji organicznych wprowadzanych do wody wraz z użytkownikami również jest trudna do oszacowania, jednak istnieją pewne dane, które podają te ilości. Ilość mocznika znajdującego się na skórze człowieka wynosi mg [1,9]; 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 [59]. Użytkownikom basenów się wydaje, że ilość chloru w wodzie basenowej jest dużo wyższa niż w wodzie pitnej, jednak badania wykazują, że te poziomy są podobne. To odczucie wynika z obecności w wodzie chloramin. Pomierzone wartości w basenach otwartych i krytych wykazują, że więcej ubocznych produktów dezynfekcji wody jest w basenach krytych [59]. Wpływ produktów ubocznych dezynfekcji wody (DBPs) na zdrowie użytkowników basenów Zauważono, że wśród pływaków wyczynowych, którzy spędzają w halach basenowych po kilka godzin dziennie - właściwie przez cały rok oraz wśród osób, których praca zawodowa związana jest z obecnością w halach basenowych, rozwijają się choroby zawodowe. Pływacy wyczynowi oraz ich trenerzy przebywają na basenie dwa razy dziennie rano i popołudniu. W związku z tym przerwa między kolejnymi treningami jest często mniejsza niż wspomniane 10 godzin. Prowadzi to do tego, że dostające się do organizmu substancje chemiczne nie zdążą się wydalić. 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 [84]. 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 [18]. U pływaków zauważono zmiany w płucach podobne do występujących u ludzi (nie sportowców), którzy mają łagodną postać astmy. Autorzy zauważyli też występowanie u pływaków atopii, która może być spowodowana większą ekspozycją na związki chloru z uwagi na częste przebywanie w halach basenów, w których do dezynfekcji wody używa się chloru. Kontakt z ubocznymi produktami procesu dezynfekcji wody predysponuje pływaków wyczynowych do rozwoju u nich atopii [10]. Kolejne badania potwierdzają, że częste korzystanie z basenów, szczególnie przez dzieci, może skutkować nabyciem atopii lub astmy. Korzystanie z chlorowanych basenów jest jedną z przyczyn tych chorób, zaraz po uwarunkowaniach genetycznych i historii alergii 34

35 w rodzinie. Problemy dotyczą przede wszystkim małych dzieci, które uczęszczają na basen od wczesnych miesięcy życia, szczególnie gdy baseny są zanieczyszczone [4]. U wyczynowych sportowców można zaobserwować katar, który pojawia się szczególnie po treningu i często mija po kilu godzinach. Część pływaków (w tym badaniu 16%) narzeka jednak na przewlekły katar, który nie mija. Zauważono, że po minimum dwutygodniowej przerwie w korzystaniu z basenu katar ustępuje [11]. Autorzy zauważają, że ciekawe byłoby porównanie objawów kataru u pływaków oraz pływaczek synchronicznych, które trenują z zaciskami na nosie [10]. W innych badaniach przeprowadzano ankiety, w których młodzi pływacy zapisywali objawy zdrowotne, występujące u nich po treningu. Często wskazywali oni na problem czerwonych i łzawiących oczu. Autorzy wskazują, że związkiem winnym za ten stan jest monochloramina, więc rozwiązaniem problemu może być używanie okularów pływackich [40]. 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 [80]. 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 [67]. Można to uzyskać poprzez zalecenie kąpieli z mydłem przed wejściem do basenu [50,67,77]. Zmniejszyć tę ilość można poprzez wprowadzenie obowiązku kąpieli pod prysznicem przed wejściem do basenu. Taka kąpiel może zmniejszyć ilość wprowadzanego mocznika o 90% [35], natomiast w [9] 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 [50]. 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. 35

36 Niezbędny strumień powietrza świeżego Kryterium higieniczne Liczba osób w hali basenowej jest zmienna i zależy od charakteru obiektu, jego lokalizacji oraz godziny dnia oraz dnia tygodnia, zatem ilość dostarczanego powietrza świeżego powinna być zmienna. Tab.2.4. Strumień powietrza świeżego w krytych basenach wg wytycznych krajowych Strumień powietrza Strumień powietrza świeżego świeżego na osobę na powierzchnię wody Wytyczne Źródło [ m3 h os ] [ m3 2 h m ] B Chiny [89] WHO 36 [83] ASHRAE 35 [96] Polska 30 [105] [6] [88] Niemcy (VDI) 20 [97] Grecja 10 [77] Szwecja 10 [27] Kryterium ograniczenia stężeń zanieczyszczeń (ditlenek węgla) Lepszym sposobem na określenie niezbędnego strumienia powietrza świeżego wydaje się kryterium ograniczenia stężeń zanieczyszczeń. Strumień ditlenku węgla, jaki powstaje w wyniku metabolizmu, można odnieść do zysków ciepła jako dm 3 CO 2 /(s. W) [17]. Należy więc uwzględnić wysiłek fizyczny użytkowników basenu, gdyż wydychana ilość ditlenku węgla zwiększa się wraz ze zwiększaniem się wysiłku fizycznego. Ciężka praca fizyczna wykonywana w pomieszczeniu o temperaturze 30 o C to zyski ciepła całkowitego oddawane do pomieszczenia rzędu 250 W [58]. Można przyjąć, że taki wydatek energetyczny mają pływacy wyczynowi podczas codziennego wysiłku. Pływanie rekreacyjne, jednak dalej intensywne, czyli pływanie ciągiem bez zatrzymywania się, to 200 W, a pływanie typowo rekreacyjne można uznać za wykonywanie pracy średniej 150 W. Obliczony strumień powietrza świeżego niezbędny do zapewnienia jakości powietrza zależnej od stężenia ditlenku węgla utrzymywanej na poziomie 1000 ppm przedstawiona jest w tabeli 2.5. Stężenie ditlenku węgla w powietrzu zewnętrznym przyjęto jako k e =350 ppm, stężenie dopuszczalne k max =1000 ppm, a współczynnik nierównomierności rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń pominięto. 36

37 Tab.2.5. Strumień powietrza świeżego niezbędny do uzyskania stężenia CO 2 na poziomie 1000 ppm przypadający na osobę w zależności od intensywności wysiłku fizycznego Rodzaj pływania Trening pływanie wyczynowe Pływanie intensywne Pływanie rekreacyjne Rodzaj wykonywanej pracy Zyski ciepła Strumień zanieczyszczeń [CO 2 ] Strumień powietrza świeżego [ W os ] [ dm3 h ] [ m3 h os ] ciężka praca ,0 55,4 średniociężka praca ,8 44,3 średnia praca ,2 31,0 Dodatkowo analizując intensywność wysiłku fizycznego, należy uwzględnić powierzchnię wody przypadającą na 1 osobę pływającą. Dla pływaków wyczynowych, których trening jest intensywny, maksymalna liczba osób przypadających na 1 tor pływacki powinna wynosić maksymalnie 5. Dla pływania rekreacyjnego intensywnego można przyjąć 6 7 osób na tor, a w przypadku pływania rekreacyjnego przyjmuje się od 8 do 10 osób na jeden tor. Zestawienie tych powierzchni przedstawia tabela 2.6. Powierzchnię wody przypadającą na 1 użytkownika można również znaleźć w [7]. Przyjęte wartości są podobne. Tab.2.6. Powierzchnia wody przypadająca na osobę w zależności od typu użytkowania basenu Liczba osób Powierzchnia wody Rodzaj pływania [ os tor ] [ m2 os ] Trening 5 10 Pływanie 6 7,5 8,5 Pływanie rekreacyjne 8 5 6,5 Wykres na rysunku 2.5. przedstawia opisane wyżej zależności. Przyjęto strumień powietrza świeżego przypadający na osobę w zależności od wysiłku fizycznego oraz różną liczbę osób pływających. Na wykresie odłożono wartości odpowiadające powierzchni wody przypadającej na osobę według tabeli

38 Strumień powietrza świeżego [m 3 /h/m 2 B] Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0, Powierzchnia wody na osobę [m 2 B/os] Trening - pływanie wyczynowe Pływanie intensywne Pływanie rekreacyjne Rys Strumień powietrza świeżego w odniesieniu do powierzchni wody przypadającej na 1 osobę (opracowanie własne) Zwiększony wysiłek fizyczny powoduje zwiększone zapotrzebowanie na powietrze świeże, które powinno być dostarczone do pomieszczenia. Jednak zwiększona intensywność pływania wymaga większej ilości miejsca. Linia czarna na wykresie wyznacza niezbędny strumień powietrza świeżego, który niezależnie od intensywności wysiłku fizycznego użytkowników basenu, jest stały i wynosi 5,5 m 3 /(h. m 2 B). Kryterium ograniczenia stężeń zanieczyszczeń (chloroform, chloraminy) Ważną kwestią przy doborze strumienia powietrza jest zwrócenie uwagi na obecność szkodliwych związków chemicznych. Część tych związków, powstających przez kontakt chloru dodawanego do wody z substancjami organicznymi wprowadzanymi do wody przez użytkowników, formuje się w związki lotne, cięższe od powietrza, które utrzymują się nad powierzchnią wody i są wdychane przez pływaków. Priorytetem powinno być ich usuwanie poprzez zastąpienie powietrza usuwanego świeżym. Dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń w powietrzu określone są w Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy [102] i wynoszą: dla chloru 1,5 mg/m 3, a dla chloroformu (który według rozdz może być traktowany jako związek reprezentatywny dla THM) o 1,5 mg/m 3. Dopuszczalne wartości stężeń związków chemicznych przedstawione są również w Rozporządzeniu Ministra Ochrony Środowiska w sprawie dopuszczalnych wartości stężeń substancji zanieczyszczających powietrze [101]. Odnoszą się one do okresu przebywania w pomieszczeniu, w którym te zanieczyszczenia się znajdują. Dla chloru wartości dopuszczalne w Rozporządzeniu wynoszą: 100 μg/m 3 dla czasu przebywania w obiekcie do 30 min, 30 μg/m 3 w odniesieniu do czasu przebywania w obiekcie 24 godziny i 7 μg/m 3 jako stężenie średnie w całym roku. Dla chloroformu wartości te to odpowiednio 200 μg/m 3, 100μg/m 3 i 25 μg/m 3. Ponieważ 80% THM jest absorbowane przez skórę, wartości dopuszczalne dla wody basenowej powinny być bardziej restrykcyjne niż dla wody pitnej [84]. 38

39 W wytycznych zagranicznych można znaleźć dane na temat dopuszczalnych stężeń trichloraminy, która również jest produktem ubocznym dezynfekcji wody i w postaci lotnej trafia do powietrza. Według danych światowej Organizacji Zdrowia stężenie trichloraminy wynosi 0,5 mg/m 3, a według Bernarda 0,3 mg/m 3 [4]. Pływacy wyczynowi, ratownicy, trenerzy przebywają w hali basenu 5 8 godzin dziennie, zatem należałoby przyjąć jako wartości graniczne wartości najbardziej restrykcyjne, czyli dla chloru 7 μg/m 3, a dla chloroformu 25 μg/m 3. W Polsce jest niewiele wyników pomiarów stężeń zanieczyszczeń produktów ubocznych procesu dezynfekcji wody w powietrzu w basenach pływackich [51,52]. Liczne dane natomiast można znaleźć w literaturze zagranicznej [2,4,9,10,18,19,26,28,29,30,35, 59,67]. Badania skupiają się przede wszystkim na pomiarze trihalometanów oraz chloramin w wodzie, ale niektóre z nich również przedstawiają stężenia tych związków w powietrzu. Wyniki tych badań przedstawia tabela 2.7. Przedstawione w tabeli 2.7. dane wskazują, że stężenia THM są w większości przypadków przekroczone. W publikacjach [1,19] wartości stężeń zanieczyszczeń mierzone były nie tylko w hali basenowej, ale także w innych miejscach obiektu basenowego, takich jak maszynownia czy recepcja. W miejscach tych stężenia dopuszczalne według polskich rozporządzeń nie były przekroczone. Jedynie w przypadku badań, które wykonane były na modelu basenu w skali 1:50 [52], i przy zastosowaniu specjalnej metody dezynfekcji wody stężenia THM w wodzie i powietrzu są bardzo niskie, ale wynika to przede wszystkim z tego, że jest to basen jedynie modelowy, a nie użytkowany. Warto zwrócić uwagę, że na ilość powstających THM wpływa liczba kąpiących się osób oraz intensywność pływania [51,84]. Wiąże się to z wprowadzaniem zaburzeń, które powodują intensyfikację przechodzenia tych związków z wody do powietrza. Zauważono, że w przypadku obiektów rekreacyjnych, w których występują atrakcje wodne, takie jak zjeżdżalnie czy basen ze sztuczną falą, mierzone wartości tych związków są wyższe. Wpływ ma również to, co użytkownicy wnoszą na sobie: pot, kremy, produkty kosmetyczne [59]. Tab.2.7. Stężenia THM w powietrzu według literatury polskiej i zagranicznej Zmierzone stężenie THM [[μg/m 3 ] Źródło w wodzie w powietrzu 36,9 107,4 [1] 88,06 216,23 30, ,33 97,56 [2] 97,38 338,63 99,33 421,5 39,8 58 [19] 9,9 14,4 [52] 49,6 72,1 [59] 18,7 120,7 [71] 39

40 Problemem w wyznaczeniu strumienia powietrza świeżego według kryterium ograniczenia zanieczyszczeń jest określenie strumienia zanieczyszczenia wydzielanego w pomieszczeniu. Wiadomo, że problem emisji zanieczyszczeń w przypadku basenów dotyczy głównie okresu użytkowania basenu. Na tworzenie się tych szkodliwych związków wpływa ilość substancji organicznych wprowadzanych do chlorowanej wody. Związki organiczne wprowadzane są do wody wraz z użytkownikami basenu. Są nimi: pot, mocz, naskórek, balsamy do ciała, włosy. To przez kontakt tych substancji z chlorem powstają trihalometany i chloraminy. Liczba użytkowników, jak również ich higiena przed wejściem do basenu znacząco wpływają na jakość powietrza w hali basenowej, ponieważ ilość substancji organicznych wprowadzanych do chlorowanej wody basenowej jest tym większa, im większa frekwencja na basenie. Dodatkowo ruchy pływaków i wzburzanie przez nich wody powodują przechodzenie powstałych w wodzie związków w stan lotny [1]. Przeprowadzono badania, w których mierzono stężenie chloroformu przed wejściem pływaków do wody i po skończonym treningu. Wzrost stężenia tego związku w powietrzu po treningu był znaczny [1]. Z analiz przeprowadzonych przez autorów [15] wynika, że zwiększanie krotności wymian powietrza zmniejsza ilość szkodliwych związków (trichloramin) do poziomów przedstawionych w normach. Zatem poprzez pomiar ilości szkodliwych substancji w powietrzu powinno się regulować pracą centrali wentylacyjnej, aby strumień powietrza świeżego zapewniał rozrzedzenie zanieczyszczeń i usunięcie ich z pomieszczenia. Strumień powietrza zewnętrznego w nocy Strumień powietrza świeżego zależy od liczby osób przebywających w obiekcie. Nie ma większego sensu dostarczanie zimnego, zewnętrznego powietrza, gdy obiekt jest nieużywany. W okresie nocnym powietrze zewnętrzne może być dostarczane jedynie z uwagi na jego potencjał osuszania, czyli w ilości pozwalającej usunąć zyski wilgoci z parowania wody, które to parowanie z powodu braku o tej porze użytkowników jest małe. W takim przypadku strumień powietrza świeżego wynosi od około e pś =15% w okresie zimowym do e pś =50% w okresie letnim, gdy zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym jest duża. Wykresy na rysunkach 2.6. i 2.7. przedstawiają wyniki obliczeń procentowego udziału świeżego powietrza niezbędnego do osuszenia powietrza wentylacyjnego w okresie nocy z podziałem na zimę oraz lato dla wariantu 1 (według rozdziału 4.5.). Strumień powietrza świeżego do osuszania powietrza w hali basenowej w nocy, gdy nie ma pływaków, a parowanie jest małe, wynosi około 15 20% strumienia powietrza nawiewanego. Jak wspomniano wyżej, zawartość wilgoci w tym okresie w powietrzu zewnętrznym to średnio 3,2 g/kg. Do zapewnienia wewnątrz hali basenowej wilgotności 70% przy temperaturze 30 o C ten strumień powierza zewnętrznego jest wystarczający. 40

41 [%] [%] Procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy w okresie zimowym Uszeregowane godziny nocne Styczeń Luty Marzec Rys Obliczony procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy (22:00-6:00), dla wariantu 1 (według tabeli 4.4.) wariant wykorzystujący osuszanie powietrza wentylacyjnego powietrzem świeżym (zima) W okresie letnim, co widać na rysunku 2.7, strumień powietrza świeżego niezbędny do osuszania powietrza wewnątrz hali basenowej to ponad 20% (20 40% oraz w kilku dniach letnich nawet ponad 50%). Wynika to z zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym w tym okresie 8,6 g/kg, przy czym w sierpniu 9,4 g/kg (najwyższa wartość to 13 g/kg w pierwszych dniach miesiąca). 65 Procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy w okresie letnim Uszeregowane godziny nocne Czerwiec Lipiec Sierpień Rys Obliczony procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy (22:00-6:00), dla wariantu 1 (według tabeli 4.4.) wariant wykorzystujący osuszanie powietrza wentylacyjnego powietrzem świeżym (lato) Strumień powietrza zewnętrznego w dzień Rozpatrując strumień powietrza jaki powinien być dostarczony do hali basenowej należy wziąć pod uwagę jego wartość oraz kierunek przepływu. 41

42 Strumień powietrza zewnętrznego, jaki powinien być dostarczony do hali basenowej w dzień, zależy od liczby osób przebywających w hali basenowej. Przeprowadzając analizy, należy przyjąć profil użytkowania basenu, który będzie tę liczbę osób zakładał. W praktyce przy regulowaniu przepływów powietrza w hali basenowej należy przewidzieć regulację tej ilości w zależności od parametrów powietrza wywiewanego z pomieszczania. Parametry te będą pośrednio informowały o liczbie osób użytkujących basen. Jak wspomniano we wcześniejszych punktach, należy zwrócić uwagę na kryterium higieniczne określające strumień powietrza świeżego na osobę, a następnie sprawdzić, czy obliczona wartość jest wystarczająca do usunięcia szkodliwych związków chemicznych znajdujących się w powietrzu. Przeprowadzając obliczenia, szczególnie gdy bierze się pod uwagę kryterium stężenia zanieczyszczeń, należy pamiętać, że używając recyrkulacji powietrza, wprowadzamy do hali basenowej usuwane związki szkodliwe. Dobrą metodą do wyznaczenia niezbędnego strumienia powietrza świeżego byłoby mierzenie stężeń wewnątrz hali oraz ich zmiany przy doprowadzaniu różnych ilości powietrza zewnętrznego. Ponieważ jest to metoda trudna, być może dobrym sposobem byłby pomiar stężeń trichloraminy lub chloroformu dodatkowo w wodzie i na podstawie wspólnych pomiarów stężeń w wodzie i powietrzu przy różnym strumieniu powietrza zewnętrznego znalezienie zależności pozwalającej na regulację w centrali. Niestety nie ma obecnie badań, które jednoznacznie określają, jaka jest emisja zanieczyszczeń, a w Polsce nie ma danych na temat pomiarów stężeń tych związków w powietrzu. Należy zwracać uwagę również na kierunek przepływu wprowadzanego do hali basenowej powietrza świeżego. Skierowanie strumienia powietrza na przegrody zewnętrzne może powodować, że niedostateczna jego ilość będzie docierała do strefy przebywania ludzi. Powietrze świeże dostarczane jest do pomieszczeń ze względów higienicznych, zatem wprowadzanie go do strefy przegród zewnętrznych wydaje się być błędne. Z uwagi na ludzi należałoby dostarczać powietrze świeże w strefę niecki basenowej, szczególnie biorąc pod uwagę omówiony wcześniej fakt dużej kubatury hali basenowej. Kryterium krotności wymian Kryterium krotności wymian jest przybliżoną metodą określania strumienia powietrza. Zakłada strumień powietrza nawiewanego, jaki powinien być dostarczony do obiektu, a przedziały liczby wymian powietrza są tutaj bardzo szerokie. Może być wykorzystana w celu wskaźnikowego sprawdzenia zaprojektowanego strumienia powietrza. Krotność wymian w hali pływalni powinna wynosić od 3 do 6 wymian na godzinę [106], bez podania strumienia powietrza świeżego. Krotność wymian w tym przypadku należy traktować jako niezbędny strumień powietrza nawiewanego do pomieszczenia w celu usunięcia zysków wilgoci, a nie jako niezbędny strumień powietrza świeżego. 42

43 Rozdział powietrza w hali basenowej 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. Przykłady wymiarów hal basenowych i ich kubatur przedstawia rozdział 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 [13,14]. 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. Duże zużycie energii w tych obiektach wiąże się przede wszystkich z przewymiarowaniem urządzeń do kontroli klimatu wewnętrznego, co z kolei ma swoje podłoże w złym projektowaniu 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 [1,13,14,22,96]. 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 [54,55,56]. W obiektach basenowych można zauważyć wyraźny podział na strefy pod względem wilgotności powietrza, która jest wynikiem parowania wody z niecki basenowej, co przedstawia rysunek 2.8. Rys Podział hali basenowej na strefy pod względem wilgotności względnej 43

44 Obiekt basenowy można również podzielić na strefy wynikające z ich przeznaczenia: hala basenowa najważniejsza część obiektu, szatnie. hol wejściowy, recepcja, biura. W hali basenowej również można rozróżnić strefy ze względu na różną wilgotność powietrza: strefa wilgotna nad powierzchnią wody, strefa przejściowa, strefa powietrza względnie suchego pod powierzchnią dachu hali. Podziału hali basenowej można również dokonać ze względu na konieczność zapewnienia odpowiednich parametrów komfortu cieplnego użytkownikom basenu (rys. 2.9.): strefa niecki basenowej, gdzie przebywają pływacy, strefa wokół niecki basenowej, gdzie przebywają trenerzy i ratownicy, strefa widowni (jeżeli występuje), pozostała część obiektu, w której występują przegrody zewnętrzne. Z uwagi na konieczność zabezpieczenia konstrukcji budynku należy zwrócić uwagę na: powierzchnie przeszkolone, dużą powierzchnię dachu. 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 2.3. Odprowadzenie wilgoci z hali basenowej Nie usuwanie zysków wilgoci związanych z parowaniem powodować może wykraplanie się wilgoci na powierzchniach zewnętrznych. Głośną sprawą, bezpośrednio związaną z tym zjawiskiem, była sprawa basenu Polonez w Targówku, opisana w lokalnej prasie i intrenecie (np.[94,95]). Po pięciu latach użytkowania wspomniany basen musiał zostać zamknięty w celu naprawy wadliwych elementów konstrukcji dachu, które zostały zniszczone przez zawilgocenie powierzchni wewnętrznej dachu. Złożyło się na to kilka spraw. Materiały użyte do budowy obiektu były tanimi zamiennikami elementów projektowanych, co spowodowało korozję. 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 44

45 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, o czym będzie w dalszej części rozprawy (rozdział ). Kolejnym problemem na basenie Polonez było również zawilgocenie ścian zewnętrznych, które doprowadziło do ich pleśnienia. 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. Zaprojektowanie technicznego wyposażenia obiektu basenowego jest dużym wyzwaniem; z tego powodu powielane są tradycyjne systemy, które nie są do końca odpowiednie. Projekt obiektu basenowego powinien być dostosowany w każdym jednym przypadku do danego obiektu, przy szczególnym zwróceniu uwagi na [13,14]: dobór materiałów budowlanych dobrej jakości, o niskich współczynnikach przenikania ciepła i dostosowanych do lokalizacji obiektu, szczegółową analizę systemu powietrznego, ze zwróceniem uwagi na cel stosowania tego układu, efektywność energetyczną projektowanego systemu, zapewnienie właściwych parametrów komfortu cieplnego użytkowników obiektu, zapewnienie odpowiedniej jakości powietrza w hali basenowej. 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. Również stosowanie tańszych zamienników materiałów, które są zaprojektowane, jest nagminne. Innymi problemami, szerzej omówionymi w kolejnych rozdziałach, są: niezapewniony komfort cieplny dla wszystkich użytkowników obiektu: pływaków, ratowników, obsługi, widowni (rozdz ), zła jakość powietrza objawiająca się alergiami i innymi chorobami układu oddechowego, szczególnie wśród długoletnich użytkowników basenów (rozdz ), zbyt duże zużycie energii przez obiekty basenowej, powodujące, że kryte pływalnie mają opinię obiektów nieopłacalnych, które nie mogą na siebie zarobić (rozdz. 1.3.) Parowanie z powierzchni wodnych W obiektach basenowych w aspekcie parowania z powierzchni wody występują dwa stany. Przez część czasu basen jest nieczynny, czyli nie ma użytkowników i powierzchnia wody jest niewzburzona. W okresie użytkowania obiektu powierzchnia wody jest zaburzona, występują fale i rozpryski spowodowane pływaniem. 45

46 Ogólne równanie do wyznaczania ilości parującej wody [78] w basenach użytkowanych i nieużytkowanych ma postać: m w = β τ A B [ kg h ] (2.1) We wzorze (2.1) występują: współczynnik parowania β, który jest różny dla basenów użytkowanych i nieużytkowanych, moduł napędowy procesu wymiany masy, którym może być różnica zawartości wilgoci lub ciśnienia cząstkowego pary wodnej, oraz powierzchnia wody. Niezależnie od intensywności użytkowania basenu procesy związane z wymianą ciepła i masy występują, chociaż z różną intensywnością. Ponieważ w równaniach opisujących przepływ ciepła i masy występuje powierzchnia kontaktu wody i powietrza, w przypadku basenu użytkowanego powierzchnia kontaktu jest większa, zatem ilość odparowującej wody też jest większa. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody można więc podzielić na dwie grupy. Pierwszą z nich są wzory dotyczące basenów nieużytkowanych, ze spokojną taflą wody, a drugą wzory uwzględniające wzburzenie wody przez użytkowników. Dla basenów użytkowanych wykorzystywane są często współczynniki zwiększające, które w pewien sposób określają liczbę kąpiących się osób oraz intensywność użytkowania basenu. Zależności te są często bardzo podobne i wykorzystują tylko inne współczynniki zwiększające bądź zmniejszające w stosunku do zależności wyznaczonych doświadczalnie. Najwięcej wzorów można znaleźć dla basenów nieużytkowanych z uwagi na łatwiejsze przeprowadzenie badań doświadczalnych. W literaturze można znaleźć również zależności dotyczące basenów odkrytych, jednak celem rozprawy są baseny kryte, dlatego tę część pominięto. W tabelach 2.8. i 2.9. zestawiono wzory do obliczania ilości odparowującej wody z podziałem na baseny użytkowane i nieużytkowane. Zaznaczono autora wzoru, występujący współczynnik wnikania masy, moduł napędowy procesu oraz ewentualne uwagi co do zakresu stosowania wzorów. Natomiast na wykresach i pokazano wyniki analizy strumienia parującej wody, wykorzystując założone parametry wody i powietrza dla basenu sportowego opisane w tabeli

47 0,70 Strumień odparowującej wody w basenach nieużytkowanych [kg/(h. m 2 B)] 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Średnia Nr zależności Rys Strumień odparowującej wody w basenach nieużytkowanych Tab.2.8. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody dla basenów nieużytkowanych Autor Strumień wilgoci [ kg Nr h m B 2] Uwagi Źródło wzoru (42,6 + 37,6 w) Carrier m w = p (2.2) [72] r m w = ( w 0,26 t s ) x Dienlet (2.3) [53] w = 1 m s t s = (t g + t p ) 0,5 (22,9 + 17,4 w) Ferencowicz m w = p (2.4) [20] 1000 (0, ,0174 w) t Malicki pw < 30 m w = p (2.5) [39] 1000 Nowakowski (dane USA) m w = 0, (1, w p 0,88 ) jednostki z amerykańskich na SI przeliczone w [24] (2.6) [42] Recknagel m w = 7 x (2.7) [25] Shah (1) Shah (2) m w = K ρ w (ρ p ρ w ) 0,333 x m w = 0,00005 p (ρ p ρ w ) < 0 (ρ w ρ p ) ρ p ρ w < 0,02 K = 35 ρ p ρ w > 0,02 K = 40 z wentylacją p [Pa] (2.8) [69] (2.9) [70] (70 + 0,35 w) Smith m w = p (2.10) [3] r Sprenger m w = ( w) x (2.11) [58] VDI m w = 5 p (2.12) [110]

48 Strumień odparowującej wody w basenach użytkowanych [kg/(h. m 2 B)] Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Średnia Nr zależności Rys Strumień odparowującej wody w basenach użytkowanych Tab.2.9. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody dla basenów użytkowanych Autor Besler m w = Biasin-Krumme Carrier Kappler Strumień wilgoci [ kg h m B 2] Uwagi Nr wzoru Źródło 2,8 (0, ,0174 w) p t pw < 30 (2.13) [7] 1000 m w = 0, ,01995 F u p m w = 1,5 (42,6 + 37,6 w) r m w = K d ( w) x F u = 0,7 1,0 p [Pa] (2.14) [69] p (2.15) [68] K d = 1,1 1,15 baseny ogólne K d = 1,2 baseny szkolne (2.16) [63] Kołodziejczyk m w = 27,36 (p p p p w ) a (2.17) Lobhom m w = L b ( w) x L b = 3 3,5 (2.18) [25] Recknagel-Sprenger m w = 28 x (2.19) [58] Shah wzór doświadczalny m w = S K ρ w (ρ p ρ w ) 0,333 x F N > 45 S = (5,85 N F + 1,2) F N = 4,5 45 S = (14,85 N F + 1) F < 4,5 S = 2,5 N (2.20) [68] Shah wzór empiryczny VDI m w = 0,113 0, F u + 0, p 28 p m w = 1000 F u = 0,7 1,0 p [Pa] (2.21) [69] (2.22) [110] Z zaprezentowanych wyników można wywnioskować, że przedstawione w literaturze zależności do obliczania parowania znacznie od siebie odbiegają. Trudno jest zatem określić, który wzór należy wykorzystać przy projektowaniu instalacji wentylacyjnej. Można jedynie przypuszczać, że zależności dla basenów nieużytkowanych mogą dawać wyniki zbliżone do rzeczywistości, chociaż wpływ na nie mają warunki, w jakich doświadczenia były 48

49 wykonywane. W przypadku zależności dla basenów użytkowanych autorzy często stosują jedynie współczynniki zwiększające, co może powodować błędy. Część wzorów daje wyniki znacznie wyższe niż wartość średnia. Najbliżej średniej dla basenów użytkowanych jest zależność Shaha (2.20). Należy zauważyć, że autor swoje zależności sprawdza i poprawia, a najnowsza wersja tych wzorów jest z roku 2011 [70]. Dodatkowo inni też wskazują, że właśnie tę zależność powinno się stosować do obliczania parowania w celu doboru strumienia powietrza wentylacyjnego [57]. Zdarzają się też głosy, że zależności Shaha dają wartości zaniżone, wydaje się jednak, że nie ma potrzeby zawyżania wyników. Autorzy badań nad monitoringiem parametrów powietrza w centrali klimatyzacyjnej dla hal basenowych stwierdzili, że wzór według VDI w przypadku obiektów użytkowanych (2.22) daje wartości zbyt duże. Jedyna zależność, która daje mniejsze wartości, to wspomniana zależność Shaha Wzór rekomendowany do obliczania odparowania wilgoci Jako wzór rekomendowany do stosowania przy projektowaniu instalacji wentylacyjnej dla basenu krytego proponuje się zależności Shaha (2.8), (2.20). Warto zwrócić uwagę, że wpływ na parowanie w obiektach eksploatowanych ma liczba użytkowników, a jedynie zależności Shaha uwzględniają liczbę osób pływających i ich zagęszczenie. Profil użytkowania jest ważny, ale nieprzewidywalny, jednakże monitorując parametry powietrza nawiewanego i wywiewanego, można określić profil parowania wody w obiekcie basenowym Wykres na rysunku pokazuje, jak liczba osób oraz wilgotność względna powietrza, przy przyjętych wartościach wilgotności względnej dla dnia i nocy według tabeli 2.10., wpływają na ilość odparowującej wody obliczoną wzorem rekomendowanym. Wykres (rys ) pokazuje, że na ilość odparowującej wody wpływ mają: temperatura wody, temperatura i wilgotność względna powietrza oraz liczba osób użytkujących basen. Zasadne wydaje się podniesie wilgotności względnej powietrza w okresie nocy, w celu zmniejszenia parowania wody w obiekcie basenowym, do poziomu f p =65%, ponieważ w takim przypadku ilość odparowującej wody zmniejsza się o 4,5 kg/(h. m 2 B). 49

50 Rys Strumień odparowującej wody w basenach użytkowanych w funkcji liczby osób (t w = 28 o C, t p = 30 o C) Niezbędny strumień powietrza do odprowadzenia wilgoci Wilgoć z hali basenowej odprowadzana jest najczęściej przez układ wentylacyjny. W centrali wentylacyjnej stosuje się rozwiązania, które zapewniają odpowiednią zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, co powoduje nadanie temu powietrzu potencjału osuszania. Najprostszym sposobem na zapewnienie właściwych parametrów powietrza nawiewanego jest wprowadzenie do układu powietrza zewnętrznego szczególnie w okresie zimowym, gdy powietrze zewnętrzne ma niską zawartość wilgoci i może wtedy służyć do odbierania zysków wilgoci powstałych z parowania wody w hali basenowej. W okresie letnim, z uwagi na większą zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym, do hali basenowej należy dostarczać 100% powietrza zewnętrznego, żeby nadal utrzymać ten częściowy potencjał osuszający. Rozwiązania takie stosowane są w najstarszych zaleceniach dotyczących projektowania układów wentylacyjnych. Bardziej zaawansowanym rozwiązaniem jest wprowadzenie do centrali wentylacyjnej pompy ciepła. Parowacz umieszczony w linii wywiewnej osusza powietrze usuwane z hali basenowej, a jednocześnie daje możliwość podgrzania powietrza dostarczanego do hali basenowej przez skraplacz powietrzny umieszczony w linii nawiewnej. W takim układzie do osuszania i nadawania odpowiednich parametrów powietrza nawiewanego służy również powietrze świeże, ponieważ musi być ono dostarczane ze względów higienicznych. W porze nocnej, gdy parowanie jest mniejsze, do osuszania wystarczy jednak sama pompa ciepła bez wprowadzania do układu powietrza świeżego, co wpływa korzystnie na zużycie energii przez nagrzewnicę. Strumień powietrza nawiewanego powinien być tak dobrany, aby odebrać z hali basenowej powstające zyski wilgoci. Ważna jest tutaj zarówno wartość strumienia, jak i jego potencjał osuszania. 50

51 m N = m w x P x N [ kg h ] (2.23) Literatura oraz obserwacje własne wskazują, że różnica w zawartości wilgoci między powietrzem nawiewanym, a usuwanym z hali basenowej powinna mieścić się w granicach 4-6 g/kg. W obliczeniach symulacyjnych przyjęto wartość 5 g/kg [43] Inne sposoby odprowadzenia wilgoci Gdy nie ma możliwości odpowiedniego zaprojektowania lub modyfikacji systemu wentylacyjnego do osuszania powietrza, szczególnie w obiektach istniejących, można stosować inne rozwiązania w tym zakresie. Jednym ze sposobów na usuwanie zysków wilgoci są osuszacze kompensacyjne [53,86]. Urządzenia takie działają na zasadzie pompy ciepła, czyli w ich skład wchodzą dwa wymienniki ciepła parowacz i skraplacz. Osuszanie odbywa się poprzez obniżenie temperatury powietrza poniżej punktu rosy z wykropleniem wilgoci. Następnie powietrze zostaje podgrzane w skraplaczu do odpowiedniej temperatury. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość stosowania tych urządzeń w budynkach istniejących. Ponieważ urządzenia pracują jak pompa ciepła, można zastosować dwa skraplacze, a dodatkowe ciepło przekazywać do podgrzania wody basenowej. Ponadto poprzez podgrzew powietrza do wyższej temperatury można uzyskać pokrycie części strat ciepła przez przenikanie w okresie zimowym. Wadą natomiast jest to, że miejscowe osuszacze powietrza działają w bliskim otoczeniu urządzenia, a nie w całej objętości hali basenowej. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie osuszaczy sorpcyjnych, działających na zasadzie adsorpcji wilgoci z powietrza poprzez zastosowanie rotora suszącego. Wewnątrz takiego urządzenia znajdują się złoża krzemowe, które adsorbują wilgoć, powodując osuszenie powietrza [53]. Powietrze może być również osuszane z zastosowaniem kanałowych osuszaczy basenowych [86]. Urządzenie zlokalizowane jest najczęściej w maszynowi, a jego działanie opiera się na wprowadzaniu do układu powietrza świeżego. Może być wykorzystywane dodatkowo do zabezpieczania przegród przeszklonych. Jego wadą jest przede wszystkim brak regulacji, brak odzysku ciepła oraz mała efektywność osuszania w okresie letnim, gdy powietrze zewnętrzne ma wysoką zawartość wilgoci Rozwiązania rekomendowane w tym zakresie Najlepszym sposobem na osuszanie powietrza w hali basenowej jest osuszanie nawiewanym powietrzem wentylacyjnym. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że osuszanie powietrza następuje w dużej kubaturze hali basenowej, a nie tylko w pobliżu urządzenia osuszającego. Natomiast centrala wentylacyjna przygotowująca powietrze powinna być wyposażona w pompę ciepła, która może osuszać powietrze poprzez wykroplenie wilgoci w parowaczu. Osuszanie może być wspomagane przez wprowadzenie powietrza zewnętrznego, wykorzystując jego potencjał osuszania. 51

52 2.4. Rekomendacje dla systemów kontroli środowiska wewnętrznego Parametry wody i powietrza Parametry wody i powietrza powinny być dostosowane przede wszystkim do przeznaczenia basenu. Przykładem doboru odpowiedniej temperatury dla użytkowników basenu mogą być badania [46] dotyczące komfortu cieplnego w budynkach mieszkalnych. Analogią do hali basenowej może być łazienka w domu mieszkalnym. Tak samo jak w przypadku basenu, w łazience przebywają ludzie rozebrani (pływacy), ale także ubrani (trenerzy, ratownicy, widzowi). Badania sprawdzały odczucia temperatury różnych osób, które były mokre, biorąc pod uwagę, że czas przebywania w łazience (a na pływalni czas bycia mokrym i poza wodą) jest ograniczony. Otrzymano zakres komfortowych temperatur 21 30,5 o C. Temperatura powietrza, która wydaje się komfortowa dla 80% osób biorących udział w badaniu, to 28,6 30,1 o C. Tabela przedstawia parametry wody i powietrza, jakie będą przyjmowane w analizach porównawczych systemów wentylacyjnych hal basenowych. Tab Parametry wody i powietrza przyjmowane jako optymalne dla basenu sportowego Temperatura wody t w 28 Temperatura powietrza t p 30 Wilgotność powietrza dzień φ p,dzień 60% Wilgotność powietrza noc φ p,noc 65% Prędkość powietrza przy niecce basenowej w 0,15 m s Różnica zawartości wilgoci w powietrzu wywiewanym i nawiewanym x 5 g kg (4-6 g kg ) Podział hali basenowej na strefy W halach basenowych można zdefiniować kilka stref o różnych potrzebach cieplnowilgotnościowych, rozdział powietrza projektowany dla hali basenowej powinien być rozdziałem strefowym. System strefowy pozwala na poprawienie komfortu cieplnego użytkowników, zapewniając odpowiednie parametry powietrza dla danej strefy, i zmniejsza koszty eksploatacyjne obiektu, ponieważ pewne strefy nie muszą mieć zapewnionych wysokich parametrów powietrza, gdy nie przebywają w nich ludzie [12,54,55]. W kolejnych punktach omówiony zostanie podział obiektu na strefy wraz z ich charakterystyką. Rozdział powietrza dla rozdziału powietrza strefowego przedstawiony jest w rozdziale Strefa niecki basenowej Najważniejszą strefą obiektu jest oczywiście strefa niecki basenowej. Strefa ta zdefiniowana jest jako bezpośredni obszar, w którym przebywają główni użytkownicy obiektu pływacy, czyli strefa w pobliżu wody. Rozszerzona powinna być ona również 52

53 o strefę przebywania trenerów i ratowników, czyli przestrzeń dookoła niecki basenowej o wysokości około 2 m. Strefa niecki basenowej charakteryzuje się dużymi zyskami wilgoci powstającymi z parowania z powierzchni wody. Dodatkowo w tej strefie występuje emisja szkodliwych związków chemicznych powstających przez kontakt wprowadzonych do wody związków organicznych z produktami ubocznymi dezynfekcji wody basenowej, nazywanych produktami ubocznym procesu dezynfekcji wody, gdy do dezynfekcji używane są związki chloru lub bromu. Związki te są cięższe od powietrza, więc zbierają się nad powierzchnią wody i są wdychane przez pływaków. Skutki zdrowotne tego zjawiska omówione zostały w rozdziale Rys Strefa niecki basenowej w przekroju i rzucie W strefie niecki basenowej należy zapewnić parametry powietrza uwzględniające potrzeby użytkowników, zatem doprowadzić odpowiedni strumień powietrza świeżego, usunąć szkodliwe związki chemiczne, usunąć powstające zyski wilgoci. Temperatura oraz prędkość przepływu powietrza w tej strefie powinna być taka, żeby mokre osoby wychodzące z basenu nie odczuwały przeciągów i nie miały odczucia dyskomfortu. Wilgotność powietrza powinna być taka, żeby przy zminimalizowaniu parowania wody nie przekroczyć krzywej duszności. Dokładne parametry powietrza w tej strefie omówiono w rozdziale Strefa niecki basenowej charakteryzuje się małą zależnością od czynników klimatycznych, szczególnie w obiektach o dużych trybunach i małych powierzchniach przeszkleń. Jest ona wydzielona i ma specjalne wymagania, dlatego właściwe jest osobne przygotowywanie powietrza tylko dla niej. Strefa widowni Widownia w obiektach basenowych jest rzadko używana. Należy jednak pamiętać, że widzowie, przychodząc na zawody, są ubrani, więc temperatura tej strefy powinna być odpowiednio niższa w porównaniu do strefy niecki basenowej. Zapewnianie takich samych parametrów osobom rozebranym przebywającym w strefie niecki basenowej oraz ubranym widzom powoduje duże odczucie dyskomfortu tych drugich. 53

54 Rys Strefa widowni Z uwagi na częstotliwość użytkowania należy wydzielić system wentylacji tej części obiektu. W przypadku wydzielonej strefy dla widzów układ wentylacyjny może zapewnić odpowiednie parametry powietrza dla osób ubranych, ale być włączany jedynie wtedy, gdy odbywają się zawody. W pozostałym czasie układ ten może być wyłączony. Czasowe włączenie tego układu zapewni komfort cieplny widzom, a wyłączenie spowoduje oszczędność energii zużywanej przez obiekt. Strefa konstrukcji budynku Strefa podstropowa Jednym z największych problemów w hali basenowej jest wykraplanie się wilgoci na przegrodach zewnętrznych obiektu. Związane jest to z wysoką temperaturą powietrza wewnętrznego, wysoką wilgotnością względną powietrza wewnątrz obiektu, parowaniem wody z powierzchni basenu oraz ze zbyt dużymi współczynnikami przenikania ciepła przegród zewnętrznych. Strefa podstropowa powinna być wydzielona i odpowiednio zabezpieczona z uwagi na swoją dużą powierzchnię. Niewydzielanie tej strefy powoduje, że w pobliżu dachu jest tak samo wysoka temperatura jak w strefie niecki, więc straty ciepła przez przenikanie przez dach są bardzo duże. Ograniczenie tych strat może się odbywać poprzez zastosowanie obiegu powietrza recyrkulacyjnego i nieznaczne obniżenie temperatury powietrza w tej strefie. Rys Strefa podstropowa Dodatkowo należy używać materiałów o niskich współczynnikach przenikania ciepła. Im niższy współczynnik danej przegrody, tym temperatura punktu rosy jest wyższa i ryzyko wykraplania się wilgoci na jej powierzchni mniejsze. 54

55 Strefa konstrukcji budynku Strefa przegród przeszklonych Przeprowadzone zostały analizy dotyczące temperatury punktu rosy dla okien o różnych współczynnikach przenikania ciepła oraz różnych parametrach wewnętrznych obiektu [57]. Na wykresie (rys ) przedstawiono wyniki tych analiz dla typowych parametrów powietrza w hali basenowej i współczynników przenikania ciepła okien w zakresie 0,8 1,6 W/(m 2. K). Obszar zaznaczony kolorem żółtym określa możliwość wykraplania się wilgoci na powierzchni okien. 31 Temperatura powierzchni okna t ok, o C U=1,3W/(m 2. K) 29 U=1,1W/(m 2. K) U=1,6W/(m 2. K) 27 U=0,8W/(m 2. K) 25 t R =23,5 o C (65%, 30 o C) 23 t R =21,5 o C (60%, 30 o C) Temperatura powietrza zewnetrznego, o C U=1,6W/m²K U=1,3W/m²K U=1,1W/m²K U=0,8W/m²K tr 65% / 30 C tr 60% / 30 C Rys Ryzyko wykroplenia wilgoci na powierzchniach przeszklonych o różnych współczynnikach przenikania ciepła (opracowanie własne) Z analiz wynika, że przy zastosowaniu okien o dobrych parametrach termicznych ryzyko wykraplania się wilgoci jest niewielkie. Na wykresie (rys ) zaznaczono dwie wersje parametrów wewnętrznych hali basenowej dla dnia i nocy według tabeli Rys Strefa przegród przeszklonych Przegrody przeszklone są najsłabszym punktem w konstrukcji budynku w aspekcie strat ciepła przez przenikanie oraz możliwości wykraplania wilgoci na ich powierzchni z uwagi na stosunkowo wysokie współczynniki przenikania ciepła. Stosowanie okien o relatywnie niskich współczynnikach przenikania ciepła, na przykład 0,8 1,3 W/(m 2. K), przy 55

56 odpowiednio dobranych parametrach wewnątrz hali basenowej eliminuje to zjawisko poprzez podwyższoną temperaturę punktu rosy. Należy zatem zwracać uwagę na odpowiednio dobierane parametry materiałów budowlanych używanych dla hali basenowej. Ma to szczególnie duże znaczenie przy projektowanych obiektach. Jeżeli nie ma możliwości stosowania okien o niskich współczynnikach, niebezpieczeństwo wykraplania się wilgoci wzrasta. W takiej sytuacji bliskie otoczenie przegród przeszklonych powinno być traktowane jako osobna strefa obiektu i zabezpieczone odpowiednim systemem wentylacyjnym. Nie jest celowe stosowanie tej samej centrali wentylacyjnej dla niecki basenowej, zabezpieczenia dachu oraz okien, ponieważ dla celów ich zabezpieczenia zastosowane może być powietrze obiegowe i o innych temperaturach niż dla strefy przebywania ludzi, dlatego powinny być to wydzielone strefy. Gdy zastosowane materiały budowlane charakteryzują się niskimi współczynnikami przenikania ciepła, układ zabezpieczający także powinien być zaprojektowany, gdyż może się zdarzyć, że będą występowały bardzo niskie temperatury powietrza zewnętrznego, co spowoduje, że temperatura punktu rosy będzie przekroczona i nastąpi wykroplenie wilgoci. 56

57 3. Technologie do kontroli środowiska wewnętrznego w basenach krytych 3.1. Rozwój technologii w zakresie ogrzewania i wentylacji Do kontroli klimatu wewnętrznego w halach basenów krytych projektuje się instalacje ogrzewania i wentylacji. Zadaniem instalacji wentylacyjnej jest przede wszystkim usunięcie zysków wilgoci, usunięcie zanieczyszczeń powietrza oraz dostarczenie powietrza świeżego dla użytkowników. Instalacja ogrzewania natomiast powinna pokrywać straty ciepła przez przenikanie. Instalacja wentylacyjna może dodatkowo pokryć część strat ciepła przez przenikanie, jednak 50 60% strat ciepła hali basenowej powinno pokrywać ogrzewanie statyczne [58]. Schemat instalacji do kontroli klimatu wewnętrznego przedstawia rysunek 3.1. Rys Schemat instalacji do kontroli klimatu wewnętrznego dla krytej pływalni W systemie grzewczo-wentylacyjnym musi znajdować się centrala wentylacyjna, która zapewniać będzie odpowiednią jakość powietrza, system ogrzewania statycznego hali basenowej w postaci grzejników płytowych, konwektorów, ław grzejnych czy ogrzewania podłogowego o temperaturze powierzchni około 35 o C oraz system ogrzewania wody basenowej i wody do pryszniców [58]. Poglądy na to, jak powinien wyglądać system grzewczo-wentylacyjny hali basenowej, są różne w zależności od czasu powstania wytycznych oraz kraju. Już w 1974 roku [6] pojawiały się wytyczne mówiące o tym, że w basenach kąpielowych konieczne jest stosowanie automatyki, co może prowadzić do zmniejszenia zużycia energii w obiekcie nawet o 30%. Sterowanie i regulacja systemu może odbywać się poprzez pomiar temperatury powietrza lub temperatury i wilgotności [64]. Pierwsze rozwiązanie jest proste, jednak nie w przypadku, gdy w układzie występuje recyrkulacja. 57

58 Wtedy lepsze jest sterowanie w funkcji temperatury i wilgotności powietrza, co daje stabilność w zakresie parametrów powietrza czy parowania. Oprócz regulacji parametrów powietrza nawiewnego i przez to kontroli komfortu cieplnego użytkowników regulacja powinna również zapewniać odpowiedni strumień powietrza świeżego [32,58,88]. Kontrola strumienia powietrza świeżego zarówno w różnych porach roku, jak i w ciągu doby przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii [15]. Po roku 1974 zwracano uwagę na stosowanie w układach wentylacyjnych recyrkulacji powietrza, co wpływa znacząco na zmniejszenie zużywanej energii [6,32,61,88]. Przy projektowaniu instalacji należy wziąć pod uwagę konieczność dostarczenia powietrza świeżego dla użytkowników oraz potencjał osuszania powietrza zewnętrznego [23,32,33,61,88]. Stosując recyrkulację powietrza, należy pamiętać o tym, żeby powietrze powrotne zostało dobrze wymieszane z powietrzem świeżym w centrali wentylacyjnej [73]. W greckich badaniach z 1998 roku analizowano zużycie energii różnych obiektów sportowych, w tym obiektów basenowych [77]. Przedstawiono tam analizę systemów do kontroli klimatu wewnętrznego. Większość obiektów była wybudowana około roku Instalacjami w halach basenowych były: ogrzewanie statyczne, najczęściej podłogowe, którego celem było utrzymywanie temperatury powietrza, czyli pokrycie przede wszystkim strat ciepła przez przenikanie i zapewnianie temperatury odpowiedniej dla sportowców, którzy są na to wrażliwi, oraz instalacja wentylacyjna, mająca zapewniać odpowiednią jakość powietrza poprzez usuwanie zysków wilgoci i zanieczyszczeń. W nowszych obiektach basenowych, na przykład w Wielkiej Brytanii, stosuje się instalacje ogrzewania i wentylacji oddzielne. Zauważono analizując jeden z basenów w Walii, że instalacja ogrzewania jest tam rzadko stosowana, ponieważ do ogrzewania wykorzystuje się częściej tylko instalację wentylacyjną [23]. Głównym poglądem z jakim można się spotkać w Polsce, nieco sprzecznym z przytoczonymi wyżej przykładami, jest ten, że zadaniem klimatyzacji w hali basenowej jest utrzymanie stałej temperatury i wilgotności względnej powietrza poprzez równoważenie czynników takich jak parowanie, straty i zyski ciepła. Wówczas dobrze zaprojektowany system wentylacyjny eliminuje konieczność stosowania ogrzewania [33,88]. Układowi wentylacyjnemu przypisuje się konieczność jednoczesnego zapewniania komfortu cieplnego użytkownikom, dostarczania powietrza świeżego, odprowadzania wilgoci i zanieczyszczeń, zabezpieczania konstrukcji obiektu przed kondensacją wilgoci. Wpływ na taką opinię może mieć fakt, że system powietrzny, który spełni wszystkie powyższe zadania, jest prosty i szybki do zaprojektowania. Projekt takiego układu sprowadza się jedynie do rozmieszczenia elementów nawiewnych i wywiewnych, a całość obliczeń systemu sprowadza się do szablonu. Kolejnym krokiem w rozwoju technologii do kontroli klimatu wewnątrz hali basenowej powinno być zwrócenie uwagi na komfort użytkowników poprzez zapewnienie właściwych parametrów dostosowanych do specyficznych stref jakie można zdefiniować w hali basenowej. Takie podejście powinno skutkować decentralizacją układu grzewczowentylacyjnego w obiektach basenowych. 58

59 3.2. 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 nawiewnowywiewnych, strumień powietrza wentylacyjnego oraz prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi. System wentylacyjny powinien być tak zaprojektowany, żeby wymieniać powietrze w całej kubaturze pomieszczenia [66]. Wyszczególnić można trzy główne schematy rozdziału powietrza w halach basenowych, które będą omówione w tym rozdziale: rozdział powietrza dół góra rozdział powietrza góra dół rozdział powietrza strefowy Rozdział powietrza dół góra Najczęściej zalecanym i stosowanym rozdziałem powietrza, szczególnie w Polsce, jest rozdział powietrza dół góra [33,58,66]. 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 [33,58,66]. Rys Rozdział powietrza dół góra w hali basenowej (oznaczenia według rysunku 2.9.) Według zaleceń wspomnianych autorów [33,58,66] nawiew powietrza do hali basenowej powinien odbywać się od dołu. Strumień powietrza skierowany powinien być do góry, żeby zabezpieczyć przegrody przeszkolone. Nawiewniki powinny być zatem 59

60 zlokalizowane w posadzce, parapetach czy pod ławkami wzdłuż przegród zewnętrznych, szczególnie przeszklonych, w odległości 25 cm od nich. W systemie rozdziału powietrza dół góra najlepszymi do stosowania nawiewnikami są nawiewniki szczelinowe. Ich zastosowanie powoduje zjawisko indukcji i mieszania się powietrza w całej objętości hali basenowej. 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 Rozdział powietrza góra dół Rozdział powietrza góra dół nie jest raczej w Polsce stosowany [66]. Uważa się, że zlokalizowanie nawiewu na górze, a wywiewu na dole powoduje zbyt duże prędkości powietrza w strefie niecki basenowej oraz zbyt duże wzburzenia powietrza w całej hali. Prowadzi to do zwiększenia parowania wody oraz odczucia przeciągu. Dodatkowo omywanie szyb z góry do dołu jest uważane za mniej efektywne. Rozdział powietrza góra dół jest powszechnie stosowany w Stanach Zjednoczonych [82]. Doprowadzenie rozdziału powietrza w halach basenowych do systemu góra dół ewoluował, odpowiadając na potrzeby wynikające z problemów w halach basenowych. W latach siedemdziesiątych XX wieku stosowano wywiew powietrza górą, ponieważ powietrze zbierające się pod stropem było ciepłe i możliwy był odzysk ciepła z tego powietrza. Nawiew natomiast zlokalizowany był na ścianach bocznych, pośrodku wysokości. Schemat takiego układu przedstawia rysunek 3.3. Rys Rozdział powietrza środek góra 60

61 Następnie zauważono, że dla polepszenia jakości powietrza można stosować dodatkowy wywiew powietrza w dolnej części hali basenowej, żeby usunąć zanieczyszczenia powietrza związane z chloraminami. Wywiew dodatkowy usuwał 20% powietrza. Zauważono również, że układ wentylacyjny dla trybun mógłby być wydzielony i włączany jedynie w czasie zawodów, co pozwoli zmniejszyć zużycie energii. Rys Rozdział powietrza środek góra dół Kolejną modyfikacją systemu było równe rozdzielenie strumienia powietrza pomiędzy wywiew górny i dolny, a następnie zastosowanie wywiewu powietrza wokół niecki basenowej w kratkach przelewowych. Obecnie stosowanym systemem w Stanach Zjednoczonych jest rozdział góra dół, który pozwala na zapewnienie dobrej jakości powietrza w hali basenowej, ale przede wszystkim koncentruje się na usuwaniu zanieczyszczeń zbierających się nad powierzchnią wody. Również okna zabezpieczane są poprzez stosowanie nawiewu z góry na dół. Rys Rozdział powietrza góra dół Rozdział powietrza strefowy Strefowy rozdział powietrza w hali basenowej jest odpowiedzią na opisane w rozdziale rozróżnienie w hali basenowej stref o różnych potrzebach cieplnych. Ale różne potrzeby cieplne nie są jedynym wskaźnikiem do stosowania takiego rozdziału 61

62 powietrza. Myśląc o zużyciu energii, należy pomyśleć o osobnej wentylacji niecki basenowej [54,55,56,61]. 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. Rys Rozdział powietrza strefowy (oznaczenia według rysunku 2.9.) 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. Nawiewniki obsługujące strefę niecki basenowej powinny być zlokalizowane w pewnej wysokości nad powierzchnią wody, natomiast wywiewniki wzdłuż dłuższych ścian hali basenowej. Pozostałe strefy obsługiwane są przez układy pracujące na powietrzu recyrkulacyjnym. 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 Układy do ochrony przed wykraplaniem wilgoci Z uwagi na znaczne zyski wilgoci w powiązaniu z koniecznością utrzymywania wysokiej temperatury powietrza i wysokiej wilgotności względnej w hali basenowej konieczne jest zwrócenie uwagi na zjawisko wykraplania wilgoci. Temperatura punktu rosy dla przegród zewnętrznych w obiektach basenowych jest wysoka, szczególnie w przypadku, gdy przegrody zewnętrzne mają wysokie współczynniki przenikania ciepła. Lokalizacja 62

63 obiektu w danej strefie klimatycznej również ma znaczenie. Ponieważ warunki cieplne muszą być zapewnione, a nie zawsze można mieć wpływ na architekturę obiektu, użyte materiały budowlane i lokalizację geograficzną, należy zapewnić ochronę przegród zewnętrznych przed wykraplaniem się na ich powierzchni wilgoci. Najczęściej stosowaną metodą ochrony konstrukcji obiektu przed wykraplaniem wilgoci jest zastosowanie nawiewu powietrza ukierunkowanego na te przegrody [31,32,65]. Zastosowanie rozwiązania polegającego na montażu szyn szczelinowych zlokalizowanych w posadzce lub parapetach wzdłuż przegród przeszklonych pozwala na ukierunkowanie strumienia powietrza wzdłuż tych przegród, czyli stworzenie kurtyny powietrznej między powietrzem w hali basenowej a zimną powierzchnią przeszkoloną. W Polsce stosuje się taki rodzaj zabezpieczeń, ale jednocześnie jest to jedyny kierunek doprowadzania powietrza do hali basenowej. W takim przypadku temperatura powietrza nawiewanego powinna być wysoka, ponieważ strumień powietrza nawiewanego pokrywa również straty ciepła hali basenowej oraz dodatkowe straty ciepła przez okna, w pobliżu których ten strumień jest wprowadzany. Zabezpieczenie konstrukcji obiektu może odbywać się poprzez nawiew strumienia powietrza, ale lepszą propozycją wydaje się zastosowanie do tego celu powietrza recyrkulacyjnego. Zabezpieczanie przegród polega na zwiększeniu współczynnika przejmowania ciepła po wewnętrznej stronie okien i stworzeniu kurtyny powietrznej, zatem podgrzew powietrza do wysokiej temperatury nie jest konieczny, a jedynie zwiększa straty ciepła przez przenikanie. W tradycyjnie stosowanych układach zabezpieczenie dachu wynika z umiejscowienia wywiewników pod stropem hali basenowej. Jednak mogłoby się to odbywać przez centralę, która wyposażona będzie jedynie w nagrzewnicę Rozwiązania central wentylacyjnych basenowych 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. Bardzo ważną sprawą jest dobór odpowiednich materiałów, z których centrala jest zbudowana [86]. Materiały powinny być zabezpieczone przed korozją spowodowaną wilgotnym powietrzem oraz zanieczyszczeniami chemicznymi (DBPs). Wymienniki ciepła powinny być wykonane z tworzyw sztucznych (polipropylen), a nie z aluminium. Skorodowane wymienniki mają niższą sprawność [33]. Należy pamiętać o tym, że rozwiązania dobre materiałowo, które pozwolą na długotrwałą pracę z wysoką sprawnością, są drogie, a stosowanie tańszych zamienników (w celu zmniejszenia kosztów inwestycyjnych) może się odbić na kosztach eksploatacyjnych. Centrale nieprzystosowane do pracy w warunkach basenowych mogą wymagać częstych wymian czy napraw [88]. Centrale wentylacyjne przeznaczone do przygotowywania powietrza dla hal basenowych, nazywane centralami basenowymi, różnią się między sobą wyposażeniem. 63

64 Centrala basenowa może się składać z kilku sekcji, wśród których należy wymienić: recyrkulację powietrza, nagrzewnicę, wymiennik ciepła, pompę ciepła powietrze powietrze, osuszacze powietrza. Nagrzewnica wodna lub elektryczna służy w takim układzie do kontroli temperatury powietrza nawiewanego do hali basenowej. Recyrkulacja powietrza pozwala na kontrolę wilgotności względnej powietrza nawiewanego, a dzięki temu, że powietrze zewnętrzne, które zimą ma niską temperaturę, jest wstępnie podgrzane, zastosowanie jej pozwala na oszczędność energii w postaci mniejszej wymaganej mocy nagrzewnicy powietrza. Recyrkulacja może być jednostopniowa lub dwustopniowa w celu lepszej regulacji procesów przemian powietrza w centrali. Wymienniki ciepła zastosowane w układzie pozwalają na odzysk ciepła z powietrza wywiewanego, które w przypadku hal basenowych ma wysoką temperaturę. Należy unikać wymienników ciepła, w których następuje mieszanie powietrza. Wymiennikami stosowanymi w centralach basenowych są wymienniki krzyżowe lub rurki ciepła. Sprawność odzysku ciepła przy zastosowaniu takich rozwiązań może wynosić 50 60% i jest wyższa w okresie zimowym z uwagi na wykraplanie się wilgoci. Pompa ciepła w układzie powietrze powietrze jest ciekawym i skutecznym rozwiązaniem dla obiektów basenowych. Skraplacz umieszczony jest w linii nawiewnej i służy do podgrzania powietrza nawiewanego. W układach dobrze zaprojektowanych użycie skraplacza do podgrzewu powietrza eliminuje konieczność stosowania nagrzewnicy, parowacz natomiast umieszczony jest w linii wywiewnej. Dzięki zastosowaniu parowacza powietrze usuwane z hali basenowej jest osuszane, a ponieważ ma stosunkowo wysoką temperaturę, to po zmieszaniu z powietrzem zewnętrznym pozwala na oszczędność energii w postaci mniejszego zapotrzebowania na zimne i suche powietrze zewnętrzne do osuszania. Pompa ciepła wyposażona w podwójny skraplacz, z których jeden jest skraplaczem wodnym, a drugi powietrznym, może dodatkowo wspomagać ogrzewanie wody basenowej. Innymi urządzeniami do osuszania powietrza mogą być różnego rodzaju absorbery, jednak są to rozwiązania nie stosowane na szeroką skalę. Wprowadzenie systemu automatyki i sterowania wraz z programem optymalizacyjnym dedykowanego centralom basenowym jest wskazywane jako zmniejszające zużycie energii [58]. 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 Centrale wentylacyjne klasyczne Najprostszym systemem wentylacyjnym, nazywanym systemem tradycyjnym czy konwencjonalnym, jest centrala wentylacyjna wyposażona w nagrzewnicę wodną oraz recyrkulację powietrza [27,37]. W takim układzie do osuszania powietrza stosuje się powietrze zewnętrzne, które szczególnie zimą ma niską zawartość wilgoci. 64

65 Rys Centrala basenowa w układzie konwencjonalnym (z recyrkulacją) Centrale wentylacyjne z pojedynczym i podwójnym odzyskiem ciepła Systemem bazującym na układzie konwencjonalnym jest system, z wymiennikiem ciepła, na przykład krzyżowym, o sprawności 50 60% [37]. 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 Centrale wentylacyjne z pompą ciepła Kolejną sekcją centrali basenowej z rysunku 3.8. 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 [27]. 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 65

66 W układzie z pompą ciepła występuje podwójna recyrkulacja, która pozwala na kontrolę wilgotności powietrza nawiewanego przy jednoczesnym mniejszym zużyciu energii. Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła może być dodatkowo wyposażona w skraplacz wodny do podgrzewu wody basenowej [38]. Jest to rozwiązanie pozwalające na uzyskanie wysokich współczynników COP. Pompa ciepła w takim układzie pracować będzie stabilnie w ciągu całego roku. Rys Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła i skraplaczem wodnym (bez skraplacza powietrznego) Istnieją też rozwiązania central wentylacyjnych, w których parowacz umiejscowiony jest w linii wywiewnej, natomiast skraplacz jest tylko skraplaczem wodnym używanym do podgrzewu wody basenowej [37]. Nie ma skraplacza do podgrzewu powietrza. Rys Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła powietrze powietrze z dodatkowym skraplaczem wodnym do podgrzewu wody basenowej Inne rozwiązania central wentylacyjnych Innym rozwiązaniem jest centrala basenowa wyposażona w układ otwartej absorpcji do osuszania powietrza [27,37]. Układ taki opisywany jest jako zużywający najmniej energii przy zapewnieniu odpowiednich parametrów powietrza dla hali basenowej, jednak nie jest to rozwiązanie stosowane na szeroką skalę. 66

67 Rys Centrala basenowa z układem otwartej absorpcji do osuszania powietrza 3.5. Rekomendowane rozwiązania w zakresie central wentylacyjnych Centrale basenowe można podzielić w zależności od ich przeznaczenia. W przypadku obiektów basenowych rekomendowane jest stosowanie central wentylacyjnych basenowych, czyli takich, które są w stanie osuszyć powietrze z wilgoci i zbudowane są z materiałów odpornych na wilgoć i związki chemiczne, z jakimi mamy do czynienia w takich obiektach. Centrale takie, w związku z ich konstrukcją, są relatywnie drogie. Analizując opisane i przedstawione na rysunkach centrale wentylacyjne basenowe, można przyjąć, że najlepszym rozwiązaniem dostępnym na rynku jest centrala wyposażona w pompę ciepła z podwójnym skraplaczem. Układ taki będzie pracował stabilnie przez cały rok, a przy jednoczesnym zaprojektowaniu strefowego rozdziału powietrza nie będzie konieczne stosowanie nagrzewnicy powietrza. Rozwiązania rekomendowane w zakresie central wentylacyjnych można podzielić na trzy grupy: proste centrale wentylacyjne z recyrkulacją i rekuperatorem do odzysku ciepła dla obiektów małych (rysunek 3.8.), centrale z podwójnym odzyskiem ciepła (rekuperator i pompa ciepła) oraz recyrkulacją dla obiektów dużych (rysunek 3.9.), centrale z podwójnym odzyskiem ciepła (rekuperator i pompa ciepła) oraz recyrkulacją lecz ze skraplaczem podwójnym (powietrznym i wodnym) dla obiektów dużych, które działają przez cały rok, w celu zapewnienie stabilnej i efektywnej pracy układu pompy ciepła (rysunek 3.11.). 67

68 4. Rozwiązania energooszczędne i ich analiza 4.1. Podejście zintegrowane Energooszczędne rozwiązania w zakresie systemów do kontroli środowiska wewnątrz hali basenowej obejmują kilka wspomnianych wcześniej rozwiązań (rozdział i 3.4.). Najważniejszą kwestią jest podział hali basenowej na strefy, dzięki czemu można zapewnić odpowiednie parametry powietrza w każdej z nich. Zaletą tego podziału będzie możliwość okresowego działania urządzeń przeznaczonych do obsługi każdej ze stref, co pozwoli na znaczne oszczędności w zużyciu energii elektrycznej. Zastosowanie materiałów budowlanych o wysokiej jakości i niskich współczynnikach przenikania ciepła spowoduje, że układy, które mają zabezpieczyć przegrody zewnętrzne będą działały jedynie w krótkim okresie czasu. Centrale wentylacyjne powinny być wyposażone w urządzenia wysokosprawne i wykorzystujące wielostopniowe układy odzysku ciepła. Dla strefy niecki basenowej powinno się stosować wysokosprawną centralę wentylacyjną, wyposażoną w pompę ciepła z podwójnym skraplaczem do podgrzewu powietrza i wody oraz dodatkowo krzyżowy wymiennik ciepła (rys ). Rozwiązanie takie pozwoli na kontrolę jakości powietrza w celu zapewnienia komfortowych warunków dla użytkowników przy relatywnie niskim zużyciu energii. Regulacja parametrów powietrza w strefie hali basenowej powinna być dostosowana do bieżących potrzeb, czyli mieć możliwość zmian parametrów powietrza w okresie nocy (temperatury, wilgotności względnej i strumienia powietrza), gdy obiekt nie jest użytkowany, Zastosowanie każdego z wymienionych rozwiązań będzie prowadziło do zmniejszenia zużycia energii przez układ zapewniający kontrolę klimatu wewnętrznego w hali basenowej, ale jedynie zintegrowanie wszystkich tych rozwiązań pozwoli na znaczne obniżenie energii przy jednoczesnym zwróceniu uwagi na użytkowników obiektu. O ile kontrola zużycia energii i stosowanie w związku z tym różnych sposobów odzysku ciepła jest podejściem stosowanym od dłuższego czasu, o tyle zwrócenie uwagi na jakość powietrza, a co za tym idzie, zmiana podejścia przede wszystkim do rozdziału powietrza w hali basenowej, jest podejściem nowym, szczególnie w Polsce. Integracja rozwiązań energooszczędnych powinna rozpocząć się już na etapie projektowania obiektu basenowego w zakresie architektury. Zastosowanie materiałów budowlanych o niskich współczynnikach ciepła, szczególnie w zakresie przegród przeszklonych, pozwali w dalszym etapie na rezygnację z drogich w eksploatacji układów zabezpieczających te przegrody przed wykraplaniem się wilgoci na ich powierzchni. Jednocześnie, w celu uniknięcia problemów z wykraplaniem, projektowana powierzchnia przeszkleń może być stosunkowo mała. Światło dzienne nie jest konieczne do uprawiania pływania, a światło sztuczne w niczym nie przeszkadza. W przypadku obiektów istniejących i ich modernizacji należy wziąć pod uwagę zastosowanie przeszkleń o niskich współczynnikach przenikania ciepła, co w zależności od lokalizacji obiektu może powodować brak potencjalnej możliwości wykraplania się wilgoci, ponieważ punkt rosy nie będzie przekraczany. Kolejnym etapem przy projektowaniu zintegrowanym jest właściwe 68

69 zaprojektowanie samej instalacji grzewczo-wentylacyjnej. Należy odejść od tradycyjnego podejścia w tym zakresie, szczególnie lobbowanego przez firmy produkujące urządzenia wentylacyjne, które opiera się na tym, że całość strat ciepła pokrywa układ powietrzny. Rozdział powietrza, który uwzględni podział na strefy, pozwoli na zapewnienie właściwych parametrów dla użytkowników obiektu. Stosunkowo nowym podejściem jest zwrócenie uwagi na powstające w hali basenowej zanieczyszczenia, a za tym powinna iść zmiana w podejściu do zmiany kierunku nawiewu powietrza. Projekt zabezpieczenia konstrukcji hali basenowej oraz systemu wentylacyjnego hali basenowej powinien uwzględniać takie rozwiązania, które pozwolą na sterowanie pracą tych systemów według potrzeb. Powinien zapewniać możliwość wyłączania tych systemów w czasie gdy nie są potrzebne. Wentylacja widowni powinna być włączana jedynie w czasie, gdy odbywają się zawody, a w pozostałym okresie powinna być nieczynna. Również systemy zapewniające zabezpieczenie konstrukcji przez wykraplaniem wilgoci powinny działać jedynie wtedy, gdy jest taka potrzeba, czyli przy niskich temperaturach zewnętrznych. W pozostałym okresie ryzyko wykraplania nie występuje, więc nieuzasadnione jest działanie takiego systemu w sposób ciągły przez cały rok. Ostatnim etapem powinien być dobór wysoko sprawnej centrali wentylacyjnej basenowej dla niecki basenowej, która przygotowywać będzie powietrze tylko dla tej strefy, oraz central wentylacyjnych do innych celów osuszających zabezpieczenia konstrukcji dachu oraz przegród przeszklonych przed wykraplaniem wilgoci. Projekt układu powinien uwzględniać zoptymalizowany układ odzysku ciepła, tak aby uzyskać maksymalne efekty oszczędnościowe w zużyciu energii Optymalizacja odzysku ciepła z central wentylacyjnych W hali basenowej część ciepła tracona jest do wody poprzez ciepło parowania. Powietrze usuwane z hali basenowej ma relatywnie wysoką temperaturę oraz wysoką zawartość wilgoci. Należy dążyć do maksymalnego odzysku ciepła z powietrza usuwanego. Pierwszym etapem odzysku ciepła w centrali wentylacyjnej jest odzysk ciepła z powietrza wywiewanego w wymienniku krzyżowym. Kolejną sekcją w układzie centrali jest parowacz pompy ciepła, w którym następuje ochłodzenie powietrza wraz z wykropleniem z niego wilgoci. Powstające w wyniku tego procesu skropliny można wykorzystać do uzupełniania lub podgrzewu wody basenowej lub wody do natrysków. Po procesie osuszania w parowaczu pompy ciepła część powietrza jest ponownie wykorzystywana poprzez zastosowanie recyrkulacji zewnętrznej przy zmieszaniu z odpowiednią ilością powietrza świeżego. Powietrze usuwane na zewnątrz ma jednak jeszcze stosunkowo wysoką temperaturę. W wysoko sprawnych centralach występuje również recyrkulacja wewnętrzna, którą także można traktować jako odzysk ciepła. Powietrze usuwane z hali basenowej mieszane jest z powietrzem, które przeszło przez wymiennik krzyżowy. Dzięki tej recyrkulacji możliwe jest 69

70 dostosowanie parametrów powietrza nawiewanego do wymaganej zawartości wilgoci oraz następuje podniesienie temperatury przed jego przejściem przez skraplacz powietrzny. Rys Odzysk ciepła w centrali wentylacyjnej Innym, niekonwencjonalnym sposobem na odzysk energii w układzie wentylacji hali basenowej może być zastosowanie bezprzeponowego gruntowego wymiennika ciepła i masy (BGWCiM) [8]. Rozwiązanie takie korzysta z tego, że temperatura gruntu przez cały rok w przybliżeniu jest stała i pozwala na wstępny podgrzew powietrza zimą (nawet do 0 o C), a ochłodzenie powietrza latem (nawet do 20 o C). BGWCiM daje dobre efekty, zmniejszając wymaganą moc nagrzewnicy dla okresu lata, a w połączeniu z zastosowaniem w układzie wymiennika krzyżowego i recyrkulacji znacznie poprawia efektywność energetyczną układu wentylacyjnego. Wadą takiego rozwiązania jest jednak potrzeba miejsca do instalacji gruntowego wymiennika ciepła oraz, szczególnie w przypadku obiektów o dużej powierzchni wody, konieczność zastosowania bardzo długiego wymiennika Proponowane struktury rozwiązań energooszczędnych W literaturze można znaleźć propozycje rozwiązań energooszczędnych, którymi mogą być: dobra izolacja obudowy budynku, odzysk ciepła z wody basenowej i przykrywanie niecki basenowej w okresie, w którym obiekt nie jest użytkowany [58]. Przykrywanie niecki basenowej Przykrywanie może prawie całkowicie zlikwidować konieczność osuszania powietrza w okresie, gdy basen jest przykryty. Czas zwrotu instalacji przykrycia basenu może wynosić nawet mniej niż 2 lata (z obserwacji własnych autorów [23]). Gdy basen jest przykrywany, można też w okresie nocy obniżyć temperaturę wody, gdyż nie będzie to powodowało zwiększenia różnicy temperatur między wodą a powietrzem, co prowadziłoby do zwiększenia parowania. 70

71 Rozwiązania w zakresie obudowy budynku Stosowanie przegród budowlanych o niskich współczynnikach przenikania ciepła oraz unikanie mostków cieplnych już na etapie projektowania obiektu przyczynia się do przyszłościowych niższych kosztów eksploatacyjnych obiektu [7,23,61]. Stosowanie bardzo dobrych, pod względem termicznym, materiałów budowlanych eliminuje konieczność zabezpieczania przegród zewnętrznych przed wykraplaniem, gdyż zwiększają one temperaturę powierzchni tych przegród od wewnątrz. Okna przeznaczone do hal basenowych powinny mieć szyby refleksyjne i niski współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego, co jest szczególnie ważne przy dużej powierzchni przeszkleń. W miarę możliwości zalecane jest stosowanie urządzeń przeciwsłonecznych. Zaleca się, żeby przeszklenia w hali basenowej miały małą powierzchnię, z uwagi na problem wykraplania wilgoci na ich powierzchni [43]. W przypadku konieczności zabezpieczenia przegród zewnętrznych należy rozważyć wydzielenie systemów zabezpieczających, gdyż konieczność ich działania występuje jedynie w krótkim okresie, tylko przy niskich temperaturach zewnętrznych. Nie jest zatem zasadne projektowanie nawiewu powietrza gorącego na zimne przegrody zewnętrzne przez cały rok. Dodatkowo zabezpieczenie takie może być wykonane poprzez nawiew powietrza obiegowego, a nie drogiego powietrza przygotowanego przez centralę basenową [54]. Rozwiązanie zmniejszające zużycie energii ze względu na uboczne produkty dezynfekcji wody Zmniejszenie zużycia energii w hali basenowej może również poprawić zalecenie większej higieny użytkowników baseny im mniej zanieczyszczeń, tym mniejsza konieczność wymiany wody na świeżą, co wiąże się ze zmniejszeniem zużycia energii na podgrzew zimnej wody wodociągowej, jak również wpływa na koszty eksploatacyjne poprzez mniejsze zużywanie środków do dezynfekcji wody [50]. Rozwiązania w zakresie odzysku ciepła z wody basenowej W obiektach basenowych wykorzystywać można również wodę, która usuwana jest do kanalizacji. Jest to przede wszystkim woda basenowa z przelewów, z uwagi na to, że woda w basenie musi być wymieniona na świeżą oraz woda zużywana pod prysznicami. Mają one stosunkowo wysoką temperaturę i poprzez zastosowanie odpowiednich urządzeń można wykorzystać ich potencjał [73] Zasady analizy proponowanych rozwiązań innowacyjnych Analizy układów wentylacyjnych przeprowadzone w niniejszej rozprawie będą polegały na porównaniu ze sobą różnych dostępnych rozwiązań w celu wybrania najlepszego, jakie powinno być stosowane przy projektowaniu obiektów nowych, jak i zaproponowania rozwiązania dla obiektów istniejących. Opisane we wcześniejszych rozdziałach rozwiązania energooszczędne posłużyły do ułożenia wariantów poddawanych analizie poprzez przeprowadzenie modelowania stanów 71

72 termicznych układów HVAC, biorąc pod uwagę pracę centrali wentylacyjnej, rozdział powietrza i rozwiązanie systemu grzewczego w hali basenowej. W obliczeniach nie będzie uwzględniane przykrywanie niecki basenowej, ponieważ jest to rozwiązanie, którego nie stosuje się w Polsce Obudowa hali basenowej Podstawowym założeniem będzie dobra izolacyjność cieplna przegród budowlanych. Współczynniki przenikania ciepła założone są jako zgodne z obowiązującym rozporządzeniem dotyczącym warunków technicznych [100]. Dla porównania wpływu obudowy zewnętrznej budynku na układ grzewczo-wentylacyjny jeden z wariantów będzie miał współczynniki przenikania ciepła niższe niż wymagane, a inny współczynniki przenikania ciepła wyższe niż wymagane będzie to wariant obrazujący obiekty istniejące od dłuższego czasu. Przyjęte do analizy współczynniki przenikania ciepła przedstawia tabela 4.1. Tab.4.1. Współczynniki przenikania ciepła porównywanych wariantów Obudowa budynku Wariant a Wariant b Wariant c Współczynniki przenikania ciepła obowiązujące lepsze gorsze U [W/(m 2. K)] Ściany zewnętrzne 0,25 0,15 0,3 Stropodach 0,25 0,2 0,35 Okna 1,3 0,8 2,0 Podstawowym obiektem basenowym poddawanym analizie będzie basen typu II (wg tabeli 5.1.), czyli basen z niecką basenową o wymiarach 25 x 12 m. Dla pozostałych typów obiektów podane zostaną wyniki w celu ich porównania Dane klimatyczne Podjęte analizy zostaną wykonane według danych klimatycznych dla miasta Poznania. W obliczeniach symulacyjnych wykorzystany zostanie typowy rok meteorologiczny, wyznaczony jako średnia z 30 lat pomiarów [92]. Wiadomo, że takie dane są przybliżone z uwagi na zmienność i ocieplenie klimatu, jednak ze względu na to, że typowe lata meteorologiczne wyznaczone są dla 61 miast w Polsce, możliwe będzie porównanie wyników obliczeń dla różnych stref klimatycznych w Polsce, które pokażą różnice, jakie powinny występować w projektowaniu obiektów zlokalizowanych w różnych miejscach. Analiza pokaże, że na projektowanie obiektu i zastosowane w nim rozwiązania powinno mieć wpływ umiejscowienie obiektu Profil użytkowania Profil użytkowania basenu jest dosyć trudny to ustalenia. Mają na niego wpływ liczne czynniki. Można jedynie przypuszczać, jaki może być rozkład zajęć na basenie, kto może 72

73 Frekwencja [%] Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych uczestniczyć w zajęciach w ciągu dnia czy jaka jest lokalizacja basenu. Inny będzie profil użytkowania basenu przyszkolnego, a inny w przypadku parku wodnego. W przypadku basenu przyszkolnego można się spodziewać, że w godzinach porannych, przedpołudniowych oraz popołudniowych na basenie będą dzieci ze szkoły. Wieczorem basen również może mieć duże obłożenie, jeżeli prowadzi godziny dla publiczności lub naukę pływania. W parku wodnym z wydzieloną częścią sportową frekwencja na basenie może być nieduża, szczególnie podczas godzin przedpołudniowych i wczesnopopołudniowych. Często na takich basenach będzie dużo użytkowników w godzinach porannych i wieczornych, a pusto w godzinach pracy większości osób. Zauważyć też można, że w weekendy liczba użytkowników może być zdecydowanie niższa niż w obiekcie drugim, zależy to również od lokalizacji obiektu. Można także przyjąć, że basen, z którego korzystają trenujący pływacy wyczynowi, ma w godzinach użytkowania 100% frekwencję, przy założeniu (wcześniej omówionym w rozdz ), że w godzinach porannych, choć pływa niewiele osób, ich intensywność pływania jest tak duża, jak gdyby na basenie pływało więcej osób z mniejszą intensywnością. Wykresy na rysunku 4.2. przedstawiają 3 tygodniowe profile użytkowania, które zostały stworzone na podstawie przedstawionych powyżej opisów. Dobór odpowiedniego profilu użytkowania ma wpływ na prawidłowość obliczeń symulacyjnych i porównawczych. Można jednak założyć, że w pewnym stopniu frekwencja na basenie może być kontrolowana na przykład poprzez zmienną cenę biletów w ciągu doby, czyli wprowadzenie niższych cen w godzinach mniej popularnych [43], co pozwoli na uzyskanie w miarę stabilnego profilu użytkowania obiektu (profil 3). Tygodniowy profil użytkowania basenu Dni Profil 1 Profil 2 Profil 3 Rys Tygodniowy profil użytkowania basenu Wprowadzony do analiz profil użytkowania będzie mógł być zmieniany w celu porównania wyników z różnymi sytuacjami rzeczywistymi. 73

74 System rozdziału powietrza Analizie poddane będą rozwiązania z dwoma rodzajami rozdziału powietrza: rozdziałem powietrza centralnym oraz rozdziałem powietrza zdecentralizowanym z podziałem na strefy. Wybrane warianty przestawia tabela 4.2. Tab.4.2. System rozdziału powietrza porównywanych wariantów Opis Wariant I Wariant II Układ centralny zdecentralizowany Rozdział powietrza tradycyjny dół góra strefowy Parametry nawiewu wg bilansu hali basenowej (wzór (5.1)) bilansu niecki basenowej (wzór (5.10)) Pierwszy z nich to rozdział powietrza tradycyjnie stosowany w Polsce, który obrazować będzie rozwiązania stosowane zarówno w obiektach istniejących, jak i nowo projektowanych. Będzie to rozdział powietrza dół góra z nawiewem powietrza wzdłuż przegród zewnętrznych, przede wszystkim przeszklonych, i wywiewem powietrza zlokalizowanym pod stropem hali basenowej w osi niecki basenowej. Centrala basenowa przygotowywać będzie powietrze dla całej hali basenowej, więc dla ustalenia parametrów powietrza nawiewanego stosowany będzie bilans cieplno-wilgotnościowy całej hali basenowej, uwzględniający bilans niecki basenowej oraz straty i zyski ciepła przez przegrody zewnętrzne. Rozwiązanie takie będzie obrazowało obiekty istniejące, ponieważ takie układy są stosowane w Polsce obecnie i były stosowane w przeszłości. Drugim systemem, który nie jest powszechnie stosowany, lecz uważany jest za korzystny pod względem zapewnienia komfortu cieplnego użytkownikom obiektu i zapewnienia właściwiej jakości powietrza w hali basenowej, a także wskazywany jako korzystny pod względem zużycia energii, będzie system rozdziału powietrza strefowy. Wydzielony układ będzie zapewniał parametry powietrza w strefie niecki basenowej, a osobny zabezpieczał przegrody zewnętrzne. Pozwoli to na regulację działania tych systemów w zależności od potrzeb. Proponowany system rozdziału powietrza strefowy jest rozwiązaniem innowacyjnym, dającym duże korzyści i jeszcze nie stosowanym na szeroką skalę Centrale wentylacyjne Porównanie różnych wariantów będzie się opierało na czterech rozwiązaniach central wentylacyjnych. Centralą tradycyjną, stanowiącą układ bazowy w różnych analizach ([27,37]), jest prosta centrala wentylacyjna z recyrkulacją powietrza oraz nagrzewnicą powietrza. Taki układ stosowany był w wielu obiektach w Polsce i za granicą. Jest to często jedyny istniejący system wentylacyjny. Systemem bardziej zaawansowanym jest system z recyrkulacją powietrza oraz z krzyżowym wymiennikiem ciepła. Odzysk ciepła pozwala na oszczędności energii w postaci mniejszej wymaganej mocy nagrzewnicy powietrza stosowanej w układzie. 74

75 Przedstawienie analizy takiego systemu pozwoli na oszacowanie, jaki jest zysk energii dzięki zastosowaniu wymiennika ciepła. Centralą najbardziej zaawansowaną będzie centrala wyposażona w podwójną recyrkulację powietrza, krzyżowy wymiennik ciepła oraz pompę ciepła. Jest to rozwiązanie wskazywane w literaturze jako najlepsze z dostępnych [27,37,38,47]. Różnicą w stosunku do przywołanych analiz jest to, że w literaturowych rozwiązaniach nie stosuje się krzyżowego wymiennika ciepła [27,38], zastosowany jest wymiennik ciepła zewnętrzny [47] lub nie stosuje się podwójnej recyrkulacji [27,37,38]. Odmianą centrali w tym układzie będzie centrala basenowa z dodatkowym skraplaczem wodnym, który może być wykorzystany do podgrzewu wody basenowej w celu polepszenia współczynnika COP zainstalowanej pompy ciepła [47]. Podwójna recyrkulacja w centrali basenowej pozwala na uzyskanie wyższych sprawności odzysku ciepła poprzez zapewnienie wymaganego strumienia powietrza przepływającego przez wymiennik ciepła. Dodatkowo zapewnia ona właściwą i wysoko wydajną pracę pompy ciepła dzięki temu, że przez parowacz pompy ciepła przepływa odpowiedni strumień powietrza. Tab.4.3. Centrale wentylacyjne porównywanych wariantów Opis Wariant A Wariant B Wariant C Wariant D Recyrkulacja tak tak tak tak Podwójna recyrkulacja nie nie tak tak Nagrzewnica powietrza tak tak tak/nie* tak/nie* Krzyżowy wymiennik ciepła nie tak tak tak Pompa ciepła ze skraplaczem powietrznym nie nie tak tak Dodatkowy skraplacz wodny nie nie nie tak * w zależności od dobranego systemu rozdziału powietrza Strumień powietrza centrali Strumień powietrza centrali wentylacyjnej dobierany będzie według tabeli 6.1 w zależności od rodzaju układu wentylacyjnego. W celu zmniejszenia zużycia energii w okresie nocy wydajność będzie zmniejszana o 30% w stosunku do strumieni nominalnego. Mniejszy strumień powietrza będzie wystarczający poza okresem użytkowania z uwagi na mniejsze odparowanie wody. Zmniejszenie strumienia powietrza uwzględnione będzie we wszystkich wariantach Parametry powietrza w nocy Z uwagi na zmniejszone parowanie w okresie nocnym, jak również na to, że basen jest wtedy nieużywany, parametry powietrza wewnątrz hali basenowej mogą odbiegać nieco o tych, które muszą być zapewnione w okresie użytkowania. Zmniejszenie zużycia energii przez układ wentylacyjny może się odbywać poprzez zwiększenie wilgotności względnej powietrza w hali basenowej. Należy pamiętać, że wilgotność względna nie może być zbyt 75

76 wysoka, żeby nie dochodziło do wykraplania wilgoci na powierzchni przegród zewnętrznych, ale może ona być zwiększona do poziomu 65% Osuszanie powietrza w nocy Osuszanie powietrza, szczególnie w okresie nocy, może się odbywać na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest osuszanie powietrza poprzez doprowadzenie powietrza świeżego, które ma niższą zawartość wilgoci niż powietrze znajdujące się w hali basenowej. Strumień powietrza świeżego może być mniejszy niż zalecany z uwagi na brak użytkowników basenu. Rozwiązanie takie stosowane będzie w układach, w których nie ma innej możliwości osuszania powietrza, czyli nie występuje pompa ciepła. Drugim sposobem jest osuszanie powietrza za pomocą parowacza pompy ciepła. Powietrze będzie recyrkulowane, przepływając przez parowacz pompy ciepła, w którym będzie się ochładzało i osuszało. W razie konieczności, gdy będzie występowała mniejsza potrzeba osuszania powietrza, strumień przepływający przez parowacz będzie mniejszy. Rozwiązanie takie będzie zastosowane w układach, w których występuje pompa ciepła. Dodatkowo porównane będą obydwa rozwiązania w aspekcie zużycia energii Regulacja i sterowanie Sterowanie i regulacja w centrali wentylacyjnej w przyjętych rozwiązaniach będzie się odbywało poprzez pomiar temperatury powietrza oraz zawartości wilgoci, gdyż te dwa parametry najlepiej oddają stan powietrza w każdym z punktów w centrali. Pomiar zawartości wilgoci jest niemożliwy, jednak sterownikowi zadane będzie równanie, które przeliczy zmierzoną temperaturę i wilgotność względną powietrza w danym punkcie na zawartość wilgoci. Sterowanie pracą centrali wentylacyjnej w funkcji jedynie temperatury byłoby niedokładne, szczególnie w zakresie dotyczącym parametrów powietrza zewnętrznego i nawianego oraz wywiewanego. Wykres (rys. 4.3.) przedstawia przebieg temperatur maksymalnych, średnich i minimalnych dla danej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym. Wykres został przygotowany dla typowego roku meteorologicznego dla miasta Poznania według [92], dla danej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym obliczona została średnia temperatura powietrza oraz dodatkowo zaznaczono temperaturę minimalną i maksymalną o danej zawartości wilgoci. 76

77 Temperatura powietrza zewnętrznego [ o C] Zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym [g/kg] tmin tśr tmax minimalna średnia maksymalna Rys Zależność temperatury powietrza zewnętrznego od zawartości wilgoci dla Poznania (opracowanie własne) Jak wynika z wykresu (rysunek 4.3.), między temperaturą a zawartością wilgoci jest pewna zależność, którą można opisać wielomianem drugiego stopnia, gdy się jednak patrzy na temperatury minimalne i maksymalne, widać, że przedział temperatur przy danej zawartości wilgoci jest szeroki. Oczywiście w prostych układach, które nie są wyposażone w zaawansowane sterowniki, regulacja może się odbywać w funkcji temperatury, jednak w takim wypadku należy się liczyć z pewnymi niedoskonałościami oraz z tym, że komfort cieplny wewnątrz hali basenowej może nie być ściśle zapewniony Mieszanie powietrza w centrali Przeprowadzone będą analizy dwóch sposobów mieszania powietrza w centrali basenowej (opisy wg schematu 4.1.). Pierwszym (a) z nich jest mieszanie ze zmiennym udziałem powietrza świeżego, przyjmując punkt mieszania jako stały. Punkt mieszania M1 wyznaczony będzie dla obliczeniowej temperatury zewnętrznej, przyjmując minimalny, wyznaczony udział powietrza świeżego. Strumień powietrza świeżego będzie się zwiększał wraz ze wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego, aż do momentu, gdy 100% powietrza nawiewanego będzie powietrzem zewnętrznym. Mieszanie będzie realizowane według trzech przedziałów zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym: x e,1 7,4 g/kg ; x e,1 =7,41 11 g/kg ; x e,1 11 g/kg. Podobne przedziały wyznaczone zostały w [66] odpowiednio <5 g/kg; 5 10 g/kg; >10 g/kg. Drugi sposób (b) to ustalenie stałego, minimalnego strumienia powietrza świeżego (np. 30%). 77

78 4.5. Warianty wybrane do analiz Tab.4.4. Analizowane warianty dla układu wentylacji centralnej Numer wariantu Typ basenu I Obudowa budynku a Lokalizacja Poznań System wentylacyjny Wariant I (wentylacja centralna) Centrala wentylacyjna Osuszanie powietrza nocą Regulacja strumienia powietrza świeżego Recyrkulacja (A) Powietrzem świeżym Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy (B) Powietrzem świeżym Tab.4.5. Analizowane warianty dla układu wentylacji zdecentralizowanej Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy + pompa ciepła (C) W parowaczu pompy ciepła Zmienny strumień powietrza świeżego (a) Numer Typ basenu II Obudowa budynku A Lokalizacja Poznań System wentylacyjny Wariant II (wentylacja zdecentralizowana) Centrala wentylacyjna Osuszanie powietrza nocą Regulacja strumienia powietrza świeżego Recyrkulacja + wymiennik krzyżowy (B) Powietrzem świeżym 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) 78

79 5. Modelowanie stanów termicznych układów HVAC dla basenów krytych 5.1. Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej jest wyznacznikiem doboru centrali wentylacyjnej i innych systemów ogrzewania oraz ich parametrów projektowych i operacyjnych [6]. Rysunek 5.1. [23,25,54] pokazuje kierunki strumieni ciepła, które należy uwzględnić, analizując bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej. Wszystkie strumienie ciepła i ich wpływ na bilans cieplny zostaną omówione w tym rozdziale. Rys Kierunki strumieni ciepła w hali basenowej Równanie ogólne bilansu cieplno-wilgotnościowego przedstawia wzór (5.1): Q C = Q NB + Q HB[kW] (5.1) Bilans ten uwzględnia wszystkie zjawiska występujące w hali basenowej w obrębie niecki basenowej (Q NB) oraz w całym jej otoczeniu (Q HB). W rozprawie analizowane są struktury różnych układów wentylacyjnych, w związku z tym konieczny jest podział bilansu właśnie na takie dwa elementy. Wartości tych dwóch części będą miały wpływ na dobór parametrów powietrza nawiewanego i rozdział powietrza wentylacyjnego Bilans cieplny całej hali basenowej Składowa bilansu cieplnego dotycząca hali basenowej, czyli otoczenia niecki basenowej, uwzględnia sumę strat ciepła przez przenikanie oraz infiltrację powietrza oraz zyski ciepła. Zależą one przede wszystkim od konstrukcji obudowy zewnętrznej hali basenowej, czyli wpływ na ich wartość ma klimat zewnętrzny, a przede wszystkim temperatura powietrza zewnętrznego oraz promieniowanie słoneczne. Równanie bilansu cieplnego całej hali basenowej ma postać równania (5.2) i (5.3) [25]: Q HB = Q STR Q ZYS [kw] (5.2) Q HB = Q TR + Q INF + Q PG + Q POM Q OG Q SOL [kw] (5.3) PB 79

80 Poszczególne składowe bilansu dotyczące strat ciepła całej hali basenowej to: straty ciepła przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne: Q TR = A e U śr (t P t Z ) [kw] (5.4) straty ciepła przez infiltrację powietrza z zewnątrz przy zrównoważonym strumieniu powietrza: Q INF = ρ c p e V i n [kw] (5.5) straty ciepła przez podłogę do podbasenia lub do gruntu: Q PG PB = A F U F (t P tpg) kw (5.6) PB straty ciepła do pomieszczeń o innej temperaturze wewnętrznej niż hala: Q POM = A POM U POM (t P t POM ) [kw] (5.7) Poszczególne składowe zysków ciepła bilansu cieplnego całej hali basenowej to: zyski ciepła przez przegrody przeszklone od promieniowania słonecznego: Q SOL = A ok I sol 1000 [kw] (5.8) Zyski ciepła od promieniowania słonecznego powinny być uwzględnione z zastosowaniem współczynnika wykorzystania zysków ciepła [108]. Współczynnik ten uwzględnia pojemność cieplną hali basenowej, a równanie (5.8) przyjmuje postać: Q SOL = ƞ gn A ok I sol 1000 [kw] (5.9) Jako zyski ciepła można potraktować również moc ogrzewania statycznego (Q OG), którego zastosowanie obniża konieczność podwyższania temperatury nawiewu w celu pokrycia strat ciepła obiektu Bilans cieplno-wilgotnościowy dla niecki basenowej Równanie bilansu cieplno-wilgotnościowego niecki basenowej ma postać równania (5.10): Q NB = Q PW Q PP Q K + Q R Q OS + Q RW[kW] (5.10) 80

81 Strumień ciepła utajonego, który wynika z procesu parowania wody: Q PW = β x h PW 3,6 A B [ W m2] (5.11) Strumień ciepła utajonego, wynikający z parowania wody oraz tracony przez wodę w wyniku promieniowania, w praktyce pokrywany jest przez instalację podgrzewania wody basenowej. Można przyjąć, że dodatkowy strumień ciepła, który będzie doprowadzał strumień powietrza, nie przekroczy 5% obliczonej wartości [57], co zostało ujęte współczynnikiem κ=0,05 we wzorze (5.16). Strumień ciepła jawnego wynikający z różnicy temperatur między powietrzem a wodą, niezbędny do podgrzania odparowanej z powierzchni pary wodnej, wynosi: Q PP = β x 1,86 (t P t PW ) A 3,6 B [ W m2] (5.12) Współczynnik parowania β oraz moduł napędowy procesu przejmowania masy x wyznaczono na podstawie wzoru rekomendowanego do obliczeń strumienia wody odparowanej [57]. Współczynnik β zależy od liczby użytkowników basenu. Przyjęto profil użytkowania basenu nr 3 według rysunku 4.2. Obliczone współczynniki parowania z powierzchni wody wynoszą: β = 8,7 kg h m2 w czasie gdy basen jest nieużytkowany 22:00 6:00 B β = 24,0 kg h m2 w czasie gdy basen jest użytkowany 6:00 22:00 B i przyjęto je do analiz symulacyjnych Strumień ciepła przekazywany wodzie na drodze konwekcji: Q K = α (t P t PW ) A B [ W m 2] (5.13) Konwekcyjny współczynnik przejmowania ciepła między wodą w basenie a powietrzem otaczającym można wyznaczyć z zależności według [62]: W α = 5,7 + 4,07 w[ m 2 K ] (5.14) Strumień ciepła przekazywany na drodze promieniowania: Q R = ε R σ (T w 4 T s 4 ) A B [ W m 2] (5.15) 81

82 Można przyjąć, że straty ciepła w wyniku rozpryskiwania wody przez użytkowników są równe zyskom ciepła od osób kąpiących się Q RW Q OS = 0 [41]. Uwzględniając wszystkie powyższe założenia, bilans cieplno-wilgotnościowy dla niecki basenowej przyjmuje postać: Q NB = κ Q PW Q PP Q K + Q R[kW] (5.16) Q NB = ( β x (0,05 h PW t P + t w ) 3600 α (t P t PW ) ε σ (T w 4 T 4 s ) ) A[kW] (5.17) 1000 Analizując wzór (5.17), można stwierdzić, że bilans niecki basenowej w ciągu roku jest w przybliżeniu stały. Wpływ na jego wartość ma przede wszystkim parowanie wody. Temperatura zewnętrzna nie występuje w żadnym składniku (jej wpływu można się doszukać jedynie pod temperaturą przegród zewnętrznych), więc głównymi wyznacznikami wartości tego bilansu są temperatura wewnętrzna oraz temperatura wody. Dlatego też, zgodnie z wytycznymi dotyczącymi podziału hali basenowej na strefy (omówione w rozdz ), strefę niecki basenowej można traktować jako wydzieloną część i stosować do zapewniania w niej odpowiednich parametrów powietrza przez osobne systemy grzewcze i wentylacyjne. Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej można liczyć na kilka sposobów [81]. Najlepszą metodą jest metoda godzinowa, która najdokładniej oddaje to, co się dzieje w hali pływalni. Uwzględnia ona zmienność temperatury zewnętrznej oraz liczbę użytkowników wpływającą na parowanie wody w basenie. Bilans cieplny można również obliczyć metodą uśredniającą dłuższe okresy czasu, obejmujące nawet cały rok. Obliczanie bilansu metodą godzinową daje zbliżone wyniki do pomiarów z danego okresu czasu. Metoda godzinowa będzie wykorzystana w obliczeniach porównawczych różnych systemów wentylacyjnych Temperatura powietrza nawiewanego a rozdział powietrza Na temperaturę nawiewu wpływ ma bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej oraz przyjęty system grzewczo-wentylacyjny. W przypadku gdy układ wentylacyjny jest układem centralnym, temperaturę nawiewu oblicza się z zależności (5.18): t N = t P + Q C m N c p [ ] (5.18) Składowa Q C uwzględnia zjawiska, które dotyczą zarówno niecki basenowej, jak i całego jej otoczenia. Widać tutaj istotny wpływ między parametrami powietrza zewnętrznego a wartością temperatury powietrza nawiewanego. W przypadku gdy układ wentylacyjny jest zdecentralizowany, temperaturę nawiewu oblicza się z zależności (5.19): 82

83 Gęstość powietrza [kg/m 3 ] Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych t N = t P + Q NB m N c p const. [ ] (5.19) Temperatura nawiewu w tym układzie jest praktycznie stała w ciągu roku. Zastosowanie układu centralnego wymusza podgrzanie powietrza nawet do o C, gdyż konieczne jest tu pokrycie strat ciepła przez przenikanie, szczególnie w warunkach zimowych. Urządzenia do podgrzewu powietrza znajdujące się jedynie w centrali wentylacyjnej mają przez to dużo większą moc i zużywają większe ilości energii. Przy tak wysokich temperaturach nawiewu oraz przy określonej wilgotności względnej gęstość powietrza jest mała, co powoduje, że jedynym możliwym do zastosowania rozdziałem powietrza jest rozdział dół góra. Nawiew powietrza zlokalizowany jest wtedy wzdłuż okien. Przy wysokich temperaturach i przegrodach przeszklonych o stosunkowo wysokim współczynniku przenikania ciepła nawiew tak skierowany zwiększa straty ciepła, co powoduje konieczność jeszcze większego podgrzewu powietrza nawiewanego Gęstość powietrza nawiewanego a rozdział powietrza Gęstość powietrza nawiewanego ma kluczowe znaczenie przy doborze systemu rozdziału powietrza w hali basenowej. Planując system wentylacyjny zdecentralizowany, w którym wywiew powietrza zlokalizowany jest w dolnej części, należy pamiętać, że gęstość powietrza wywiewanego powinna być większa od gęstości powietrza nawiewanego. W przeciwnym razie lżejsze powietrze dostarczane do hali basenowej, zamiast kierować się ku dołowi, może uciekać w górną część hali. Przyjmując parametry powietrza oraz wody według tabeli 2.10., obliczono gęstości powietrza nawiewanego, wywiewanego oraz w warstwie granicznej między wodą a powietrzem. Wyniki przedstawia rysunek ,170 1,165 1,160 1,155 1,150 1,145 1, Temperatura wody [ o C] Nawiew 30 C Nawiew 31 C Nawiew 32 C Powietrze wywiewane Parametry w basenie sportowym Rys Gęstość powietrza w funkcji temperatury w zakresie wilgotności względnej powietrza 35-60% (opracowanie własne) 83

84 Wykres 5.2. pokazuje jak zmienia się gęstość powietrza przy różnych zadanych parametrach. Przedstawiono przebiegi w funkcji temperatury wody, ponieważ to właśnie woda decyduje o parametrach powietrza w hali basenowej. Obliczenia gęstości wykonano, opierając się na zależności (5.38). Przyjęto, że temperatura powietrza jest o 2 K wyższa od temperatury wody, zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym jest o 5 g/kg niższa od zawartości w powietrzu wywiewanym w celu osiągnięcia odpowiedniego potencjału osuszania oraz że temperatura nawiewu jest stała i wynosi 30 o C, 31 o C lub 32 o C. Z wykresu można odczytać, że przy temperaturze wody wynoszącej 28 o C gęstość powietrza nawiewanego jest wyższa od gęstości powietrza wywiewanego dla temperatury nawiewu wynoszącej 30 o C i 31 o C. Dla wyższych temperatur nawiewu gęstość ta będzie mniejsza. Należy więc dążyć do tego, żeby temperatura nawiewu była jak najniższa. Można to osiągnąć poprzez podział hali basenowej na strefy i wydzielenie niecki basenowej oraz zapewnienie dodatkowego systemu, który pokryje część strat ciepła tej strefy, na przykład poprzez zastosowanie ogrzewania podłogowego lub innych układów klasycznych Wyniki obliczeń bilansu cieplno-wilgotnościowego dla wybranych typów obiektów basenowych Na bilans cieplny hali basenowej wpływ ma jej wielkość oraz powierzchnia przeszkleń. Im większa hala basenowa i więcej okien, tym większe będą straty ciepła przez przenikanie. Im większe przeszklenie, tym większy też wpływ promieniowania słonecznego w ogólnym bilansie hali. W przykładach konstrukcji basenów pokazano kilka typów obiektów, które najczęściej można spotkać w Polsce. Basen typu I reprezentuje obiekty z dużą powierzchnią przeszkleń. Hala basenowa ma 2 ściany zewnętrzne. Basen typu II ma dach skośny przeszklony. Basen typu III ma duże trybuny, więc charakteryzuje się dużą kubaturą wewnętrzną. Basen typu IV jest obiektem niewielkim, hotelowym, który charakteryzuje się tym, że ma niewielką powierzchnię przegród zewnętrznych. Z tabeli 5.1. wynika, że niezależnie od rodzaju basenu powierzchnia posadzek wokół niecki basenu wynosi około 40% powierzchni basenu. Im więcej powierzchni przeszklonych w obiekcie, tym większy jest średni współczynnik przenikania ciepła hali basenowej. W wybranych typach największe współczynniki Uśr występują dla typu II, w którym powierzchnia okien stanowi odpowiednio 65% powierzchni przegród zewnętrznych. Powierzchnia przegród zewnętrznych w wybranych typach jest od 2,5 do 4,5 razy większa od powierzchni wody basenowej. 84

85 Tab Zestawienie konstrukcji basenów różnych typów Typ obiektu basenowego I II III IV Powierzchnia niecki basenowej A B [m 2 B] Powierzchnia okien A OK [m 2 ] Powierzchnia wszystkich przegród zewnętrznych A Z [m 2 ] Powierzchnia podłogi A F [m 2 ] Kubatura wewnętrzna V i [m 3 ] Współczynnik przenikania ciepła okien* U OK [W/(m 2 K)] 1,3 1,3 1,3 1,3 Współczynnik przenikania ciepła pozostałych przegród* U Z [W/(m 2 K)] 0,25 0,25 0,25 0,25 Średni współczynnik przenikania ciepła U śr [W/(m 2 K)] 0,45 0,94 0,43 0,54 Współczynnik strat ciepła przez przenikanie H TR [W/K] Współczynnik strat ciepła na infiltrację H VE,inf [W/K] Sumaryczny współczynnik strat ciepła H TR+VE [W/K] * wariant a wg tab Obliczenia wykonane w tabeli 5.2. zakładają, że obudowa budynku charakteryzuje się współczynnikami ciepła obowiązującymi od roku 2014 [100], zestawionymi w tabeli 4.1. dla typu a. Przyjmując współczynnik start ciepła przez przenikanie i na infiltrację dla obiektu typu I, z parametrami obudowy zewnętrznej typu a, obliczono różnice, jakie wystąpią, przyjmując parametry typu a (lepsze od obowiązujących) oraz b (gorsze od obowiązujących) i zestawiono w tabeli 5.2. Tab.5.2. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie i na infiltrację dla różnych parametrów obudowy zewnętrznej H TR+VE [W/K] Typ I Różnica przy zastosowaniu obudowy zewnętrznej budynku z różnymi współczynnikami przenikania ciepła (przy bazowym wariancie a) *według tabeli 4.1 a* b* c* % 22% Przyjmując lepsze lub gorsze parametry obudowy zewnętrznej niż obowiązujące na rok 2015, można zmniejszyć lub zwiększyć współczynnik strat ciepła o około 25%. W związku z tym do dalszych obliczeń przyjmowany będzie basen o parametrach typu a. Dla każdego typu obiektu basenowego obliczono straty ciepła w warunkach obliczeniowych dla Poznania, czyli przy t Z =-18 o C i, zestawiono je w tabeli. Dodatkowo, przyjmując, że można zastosować jako dodatkowe źródło ciepła ogrzewanie podłogowe, obliczano moc tego ogrzewania, biorąc pod uwagę: moc jednostkową równą 40W/m 2, która powinna zapewnić temperaturę powierzchni podłogi na poziomie 34 o C, oraz powierzchnię podłogi zależną od typu obiektu. Moc ogrzewania podłogowego również zestawiono w tabeli dla każdego typu obiektu osobno. 85

86 Tabela 5.3. przedstawia obliczone straty ciepła hali basenowej, niecki basenowej oraz moce ogrzewania podłogowego, jakie mogłoby być zainstalowane w każdym typie obiektu. Tab.5.3. Obliczone straty ciepła dla czterech typów obiektów basenowych Typ obiektu basenowego* I II III IV [kw] 36,0 54,7 47,5 9,1 hali basenowej Q HB [W/m 2 B] Straty ciepła w warunkach [kw] 11,1 12,0 12,6 4,1 niecki basenowej Q obliczeniowych NB [W/m 2 B] 37 [kw] 47,1 66,7 60,1 13,2 sumaryczne Q C [W/m 2 B] *według tabeli 5.1. Przyjmując stosunkowo niską temperaturę nawiewu i dane z tabeli 5.3., można obliczyć, czy zainstalowanie ogrzewanie podłogowe jest w stanie pokryć straty ciepła. Tabela 5.4. przedstawia wyniki tych obliczeń. Wynika z nich, że oprócz ogrzewania podłogowego powinno się zainstalować dodatkowe grzejniki statyczne. Tab.5.4. Straty ciepła pozostałe po uwzględnieniu ogrzewania podłogowego Typ obiektu basenowego* I II III IV Moc ogrzewania podłogowego 40 W/m 2 [kw] 8,0 9,2 10 2,8 Q OP [W/m 2 B] 26,7 28,3 28,6 25,5 [kw] 39,1 57,5 50,1 10,4 sumaryczne Q C+OP Straty ciepła + ogrzewanie [W/m 2 B] ,5 podłogowe niecki [kw] 3,1 2,8 2,6 1,3 Q basenowej NB+OP [W/m 2 B] 10,3 8,6 7,4 11,8 *według tabeli 5.1 W tabeli 5.5. zestawione zostały obliczone na podstawie zależności (5.18) i (5.19) temperatury nawiewu zarówno bez uwzględniania mocy ogrzewania podłogowego, jak i z jej uwzględnieniem. Obliczenia zostały wykonane dla godzin dziennych, w których basen jest użytkowany przez maksymalną liczbę osób, oraz dla temperatury zewnętrznej obliczeniowej dla II strefy klimatycznej Polski. W przypadku zastosowania wentylacji zdecentralizowanej można w znaczący sposób obniżyć temperaturę powietrza nawiewanego. Przy jednoczesnym zastosowaniu ogrzewania podłogowego wokół niecki basenowej można tą temperaturę obniżyć jeszcze bardziej, tak aby, zgodnie z wykresem (rys. 5.2.), gęstość powietrza nawiewanego była wyższa od gęstości powietrza wywiewanego. 86

87 Temperatura, o C Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych Tab.5.5. Temperatury nawiewu dla układów wentylacji centralnej i zdecentralizowanej Typ obiektu basenowego* I II III IV Strumień powietrza nawiewanego** V N,CENTR [kg/s] 5,5 6,0 6,4 2,0 V N,ZDECENTR [kg/s] 3,3 3,6 3,9 1,2 przy układzie centralnym t N,CENTR. [ o C] 38,5 41,1 39,3 36,5 przy układzie centralnym z uwzględnieniem ogrzewania t N,CENTR.+OP [ o C] 37,1 39,6 37,8 35,1 Temperatura podłogowego nawiewu przy układzie zdecentralizowanym t N,ZDECENTR. [ o C] 33,3 33,3 33,2 33,3 przy układzie zdecentralizowanym z uwzględnieniem ogrzewania podłogowego t N,ZDECENTR.+ OP [ o C] 30,9 30,8 30,7 31,1 *według tabeli 5.1. **według tabeli 6.1. Rozkład temperatur nawiewu powietrza w ciągu całego roku przedstawia wykres na rysunku 5.3. Dla każdego z obiektu obliczono temperaturę nawiewu zgodnie z jego konstrukcją (tab.5.5.). Przyjęto brak ogrzewania podłogowego. Krzywą określającą parametry nawiewu dla wentylacji strefowej przyjęto dla obiektu typu I. W przypadku obiektu o największym współczynniku strat ciepła obudowy zewnętrznej (typ II) temperatury nawiewu w okresie zimowym osiągają prawie 50 o C. Zgodnie z tabelą 5.5. temperatura ta może być obniżona o około 3K. Dalsze obniżanie temperatury może być osiągnięte na przykład poprzez zwiększenie strumienia powietrza nawiewanego, co się jednak wiąże z dużymi kosztami przetłaczania powietrza. 50 Temperatura nawiewu dla różnych typów obiektów basenowych Temperatura zewnętrzna Temperatura nawiewu Typ II Temperatura nawiewu Typ III Temperatura nawiewu Typ I Temperatura nawiewu Typ IV Wydzielona niecka typ I Rys Temperatura nawiewu dla obiektów basenowych o różnej konstrukcji (wg tab.5.1.) 87

88 Obiekt typu IV, charakteryzujący się najmniejszym współczynnikiem strat ciepła, posiada rozkład temperatur nawiewu podobny jak w przypadku wydzielonej niecki basenowej. Temperatura, o C Temperatura nawiewu w funkcji temperatury zewnętrznej Temperatura zewnętrzna Temperatura nawiewu Typ I Temperatura nawiewu Typ II Temperatura nawiewu Typ III Temperatura nawiewu Typ IV Temperatura nawiewu Niecka Basenowa Rys Uporządkowany wykres przebiegu temperatury nawiewu w funkcji temperatury zewnętrznej (obliczenia własne) Straty ciepła przegród przeszkolonych Przegrody zewnętrzne powinny być zabezpieczone przez wykraplaniem się na ich powierzchni wilgoci. Ryzyko takie występuje, jeżeli temperatura powierzchni okna jest niższa niż temperatura punktu rosy. Problemowi temu można zapobiec na dwa sposoby: stosowanie okien o niskim współczynniku przenikania ciepła stosowanie nawiewu powietrza na przegrody przeszklone Okna o niskim współczynniku przenikania ciepła redukują ryzyko wystąpienia wykraplania wilgoci na ich powierzchni ponieważ powodują podniesienie się temperatury powierzchni okna ponad temperaturę punktu rosy. Dodatkowo straty ciepła przez przenikanie przez okna są mniejsze. Jest to rozwiązanie, które powinno być stosowane przede wszystkim w nowobudowanych obiektach. Zastosowanie okien o niskim współczynniku przenikania ciepła zwiększy nieco koszty inwestycyjne, natomiast z eksploatacyjnego punktu widzenia jest to jedyne słuszne podejście. Zastosowanie nawiewu powietrza na przegrody przeszklone jest powszechnie stosowane w obiektach basenowych. Zaletami tego rozwiązania jest to, że nie ma ryzyka wykraplania się wilgoci, ponieważ zwiększa się temperatura powierzchni okna. Jest to podejście stosowane w układach tradycyjnych, w których cały strumień powietrza dostarczany jest poprzez nawiew na przegrody przeszklone. Minusami natomiast jest z pewnością zwiększenie strat ciepła przez przenikanie przez przegrody przeszklone. Nawiew powietrza na okna powoduje, że temperatura powietrza musi być wysoka. Im wyższa 88

89 temperatura nawiewu, tym wyższe straty ciepła przez przenikanie. Przy dużych powierzchniach przeszkleń temperatura nawiewu musi wynosić nawet 45 o C. Dodatkowo strumień powietrza musi być nawiewany z dużą prędkością co może powodować odczucie dyskomfortu przez użytkowników, jeżeli system taki jest źle zaprojektowany. W przypadku wentylacji centralnej i nawiewie powietrza skierowanym na okna straty ciepła przez te przegrody zwiększają się. Przy opływie pionowej przegrody w sposób wymuszony zwiększa się współczynnik przejmowania ciepła od strony wewnętrznej okna. W obliczeniach to zwiększenie uwzględnione będzie przez podstawienie większej wartości współczynnika przenikania ciepła. Współczynnik przejmowania ciepła dla okna przy konwekcji wymuszonej obliczony jest wg zależności (5.20) i (5.21) [58]: α = Nu λ L OK [ W m 2 K ] (5.20) Nu = [0,441 Re Pr 0,667 + Re 1,6 Pr 2 0,5 [27, ,027 Re 0,1 (Pr 0,667 1)] 2] (5.21) W takim przypadku współczynnik przenikania ciepła okien zwiększa się do wartości U OK =1,4 W/(m 2. K). W związku ze zwiększeniem się współczynnika przenikania ciepła okien w przypadku wentylacji centralnej zwiększa się sumaryczny współczynnik strat ciepła przez przenikanie, co pokazuje tabela 5.6. W układach wentylacji centralnej straty ciepła przegród przeszklonych zwiększają całkowitą stratę ciepła hali basenowej. Układ nawiewu działa w sposób ciągły, ponieważ poza kompensowaniem strat ciepła musi odprowadzać zyski wilgoci z parowania wody z powierzchni niecki basenowej, które emitowane są w sposób ciągły przez cały rok. Tab. 5.6.Straty ciepła przez przenikanie przy uwzględnieniu zwiększenia strat ciepła przez przegrody przeźroczyste przy uwzględnieniu nawiewu powietrza wzdłuż okien Typ obiektu basenowego* I II III IV Powierzchnia okien A OK [m 2 ] Współczynnik przenikania ciepła okien uwzględniający U nawiew powietrza w wentylacji centralnej OK [W/(m 2 K)] 1,4 1,4 1,4 1,4 Współczynnik strat ciepła przez przenikanie H TR [W/K] Współczynnik strat ciepła na infiltrację H VE,inf [W/K] Sumaryczny współczynnik strat ciepła H TR+VE [W/K] *według tabeli 5.1. W układach zdecentralizowanych, gdzie rozdzielone są funkcje pokrycia strat ciepła i odprowadzania zysków wilgoci występować będą trzy osobne systemy wentylacyjne. System dedykowany dla niecki basenowej wyposażony w centralę basenową, który pokrywać będzie straty ciepła występujące w obrębie niecki basenowej oraz odprowadzać 89

90 Temperatura [ o C] Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych zyski wilgoci. System zabezpieczenia okien przed wykraplaniem wilgoci na ich powierzchni oraz częściowo pokrywający straty ciepła przegród przeszklonych działa w okresach niskich temperatur zewnętrznych. Gdy system ten będzie włączony straty ciepła przegród przeszkolonych wyznaczone będą stosując wyższy współczynnik przenikania ciepła. W okresach temperatur wyższych, gdy straty ciepła przegród przeszklonych są stosunkowo niskie funkcje ich kompensacji przejmować będzie układ centrali basenowej. Straty ciepła przegród przeszklonych będą niższe z uwagi na brak wymuszonego przepływu w ich pobliżu, a temperatura nawiewu w strefie niecki basenowej podniesie się, co pokazano na rysunku 5.5. Granica działania systemu zabezpieczania okien musi być tak dobrana, żeby temperatura w obrębie niecki basenowej nie musiała wzrosnąć powyżej określonej z góry górnej granicy wynikającej z gęstości powietrza nawiewanego. Pokrycie strat ciepła pozostałych przegród zewnętrznych oraz infiltracji będzie się odbywało poprzez wentylację strefy poddachowej powietrzem recyrkulacyjnym. Temperatura nawiewu w układzie wentylacji zdecentralizowanej Temperatura powietrza zewnętrznego Temperatura nawiewu z uwzględnieniem strat ciepła przegród przeszklonych Temperatura nawiewu wydzielonej niecki basenowej Rys Temperatura nawiewu w układzie wentylacji zdecentralizowanej W celu doboru strumienia powierza do zabezpieczenia przegród przeszklonych konieczna jest znajomość wymiarów przegród przeszklonych, które zestawiono w tabeli

91 Tab.5.7. Zestawienie wymiarów przegród przeszklonych w obiektach basenowych różnego typu Typ obiektu basenowego* I II III IV Powierzchnia niecki basenowej A B [m 2 B] Powierzchnia okien A OK [m 2 ] Wysokość okien H OK [m] Długość okien L OK [mb] Wskaźnik powierzchni okien do powierzchni niecki basenowej Wskaźnik długości okien do powierzchni niecki basenowej *według tabeli 5.1. A OK /A B [m 2 /m 2 B] 0,7 2,0 0,7 0,7 L OK /A B [mb/m 2 B] 0,10 0,10 0,08 0,18 Straty ciepła obiektów basenowych w zależności od lokalizacji Wykonano obliczenia porównujące straty ciepła hali basenowej zlokalizowanej w różnych strefach klimatycznych Polski. Przyjęto jedno miasto dla każdej z 5 stref klimatycznych, są to odpowiednio: Koszalin, Poznań, Warszawa, Białystok i Suwałki. Wyniki obliczeń pokazano w tabeli 5.8. oraz na rysunku 5.6. Tab.5.8. Straty ciepła hali basenowej w zależności od typu obiektu oraz jego lokalizacji Typ obiektu basenowego* I II III IV Powierzchnia lustra wody A B, m B Współczynnik strat ciepła hali basenowej Straty ciepła hali basenowej w funkcji projektowej temperatury zewnętrznej W i powierzchni lustra wody, *według tabeli 5.1. m 2 K H TR, W K Koszalin Poznań Warszawa Białystok Suwałki Im niższa projektowa temperatura zewnętrzna, tym większe straty ciepła. Żeby zapewnić takie same warunki takie same straty ciepła, należy stosować w strefach w niższych temperaturach zewnętrznych lepsze materiały budowlane. 91

92 Straty ciepła obiektu basenowego, W/m2B Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności dla krytych basenów kąpielowych Straty ciepła hali basenowej w odniesieniu do powierzchni niecki basenowej w zależności od lokalizacji Suwałki Współczynnik strat ciepła, W/K Białystok Warszawa Poznań Koszalin Rys Straty ciepła hali basenowej w zależności od lokalizacji i typu obiektu (obliczenia własne) Większość analiz przeprowadzonych będzie dla hali basenowej typu I, czyli z basenem o powierzchni 25 x 12 m, 3 ścianami zewnętrznymi i dużą powierzchnią przeszklenia. Obliczony został bilans cieplno-wilgotnościowy takiej hali basenowej oraz temperatura nawiewu wynikająca z pokrycia strat ciepła tego obiektu. Rysunek 5.7. przedstawia uporządkowany wykres przebiegu temperatur i zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym wraz z naniesionymi wartościami strat ciepła hali basenowej w zależności od temperatury zewnętrznej i wynikającej z nich temperatury nawiewu. Wyniki bilansu cieplno-wilgotnościowego obiektu basenowego typu I zlokalizowanego w Poznaniu 180 oc, g/kg, W/m2B Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej Temperatura nawiewu Zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym Temperatura zewnętrzna Rys Uporządkowany wykres przebiegu temperatury zewnętrznej wraz z zawartością wilgoci w powietrzu zewnętrznym i bilansem cieplno-wilgotnościowym hali basenowej typu I (wg tabeli 5.1.) dla Poznania Rysunek 5.7. przedstawia uporządkowany wykres przebiegu temperatury zewnętrznej wraz z zaznaczeniem zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym. Można tu 92

93 zaobserwować, że wraz ze zwiększaniem się temperatury powietrza zewnętrznego rośnie również zawartość wilgoci. Nie jest to zależność ścisła i ciężko jest określić granice między temperaturą a zawartością wilgoci, dlatego też sterowanie centralą wentylacyjną powinno się odbywać w funkcji zawartości wilgoci, a nie temperatury, ponieważ to zawartość wilgoci będzie decydowała o potencjale do odbierania zysków wilgoci powstających przy parowaniu wody z niecki basenowej. Na wykresie naniesiono też temperaturę nawiewu. Również tutaj można zauważyć zależność od temperatury zewnętrznej. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego temperatura nawiewu spada. Nie jest ona jednak linią prostą, ponieważ na wartość bilansu cieplno-wilgotnościowego wpływa nie tylko temperatura powietrza zewnętrznego, ale również zyski ciepła od promieniowania słonecznego, które w przypadku dużych powierzchni przeszkleń mogą być znaczne. Temperatura nawiewu waha się w granicach o C, jak jednak wspomniano wyżej, może być ona obniżona o około 5 o C, jeżeli zastosuje się dodatkowy system pokrywający część strat ciepła hali basenowej. Na wykresie widać dwie linie trendu. Jedna z nich jest trendem dla okresu dnia, a druga dla okresu nocy. Różnice wynikają z tego, że w okresie dnia występują zyski ciepła od słońca. Również występuje różne parowanie wody wynikające z obecności użytkowników basenu. Wykres przedstawia także wyniki obliczeń bilansu cieplno-wilgotnościowego. Można zauważyć trend linii, a punkty odbiegające od tego trendu są wyjątkami. Są to pojedyncze godziny ułożone ciągiem przez maksymalnie 4 godziny pod rząd. Z uwagi na dużą pojemność cieplną hali basenowej zmiany w bilansie cieplnym przez kilka godzin w ciągu roku nie powinny mieć wpływu na komfort użytkowników Parametry stałe i zmienne w opracowanych algorytmach 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 (wg tab.5.1.) izolacyjność typ a (wg rozdz ) Powierzchnia wody: A B = 300 m B 2 obiekt basenowy typ I (wg tab.5.1.) Lokalizacja obiektu: Poznań, II strefa klimatyczna (wg rozdz ) Profil użytkowania: Profil 3 (wg rozdz ) 93

94 Godziny otwarcia: 6: 00 22: 00 Maksymalna liczba osób: os tor Frekwencja: 22: 00 6: 00 0 osób 6: 00 22: osób Parametry projektowe dotyczące centrali wentylacyjnej Centrala wentylacyjna: Wydajność centrali wentylacyjnej (wg rozdz ) Moce zainstalowanych w centrali urządzeń: stałe, zaprojektowane moce odpowiednie dla dobranego strumienia powietrza wentylacyjnego, przy obiektach o innej powierzchni lustra wody należy dobrać odpowiednie urządzenia (wg rozdz ) Projektowany strumień powietrza nawiewanego niezbędny do odebrania zysków wilgoci: m N = 40 kg h m2 (wg zależności (2.23)) B Punkt mieszania M1 w recyrkulacji zewnętrznej dobierany dla minimalnego strumienia powietrza świeżego w warunkach obliczeniowych (wg rozdz ) Parametry projektowe dotyczące parametrów wody i powietrza Parametry dotyczące wody i powietrza dobrane zostały według tabeli 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% Parametry zmienne Parametry powietrza zewnętrznego: temperatura, zawartość wilgoci, promieniowanie słoneczne Strumień odparowującej wody: w funkcji frekwencji (wg rozdz ) Strumień powietrza świeżego: w funkcji parametrów powietrza zewnętrznego, przy zapewnieniu wymaganego minimum powietrza świeżego (wg rozdz. 5.3.) Parametry powietrza nawiewanego: w funkcji strat ciepła obiektu (wg rozdz. 5.1.) Tryb pracy centrali: w funkcji parametrów powietrza zewnętrznego (wg rozdz. 5.3.) 5.3. 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 [74]. 94

95 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. Entalpia powietrza wilgotnego h 1+x = c ps t + x (c pp t + r o ) [ kj kg ] (5.22) Ciepło właściwe pary wodnej kj c pp = 1, ,00011 t [ kg K ] (5.23) Ciepło właściwe powietrza wilgotnego kj c ps = 1, , t [ kg K ] (5.24) Przy temperaturach w zakresie przyjmuje się ciepło parowania r o = 2500,8 kj. kg 95

96 Wilgotność względna p w (t) φ = 100 p [%] (5.25) (t) w p w (t) = p o 10 t ao+a1 t+a2 t 2 (5.26) p w (t) = x p a (n + x) f w (5.27) Przy temperaturach dodatnich 0 < t 140 : a o = 31,6866; a 1 = 0,130986; a 2 = 0, b o = 1,000472; b 1 = 0, ; b 2 = 0, ; b 3 = 0, (5.28) Przy temperaturach ujemnych 100 < t 0 : a o = 31,6885; a 1 = 0,130755; a 2 = 0, b o = 1,000472; b 1 = 0, ; b 2 = 0, ; b 3 = 0, (5.29) f w = b o + b 1 p a + b 2 t 2 b 3 p a t 2 (5.30) Do dokładniejszego obliczenia ciśnienia nasycenia pary wodnej można również wykorzystać poniższą zależność [45]: p s = P c e (T c T ) (a 1τ+a 2 τ 1,5 +a 3 τ 3 +a 4 τ 3,5 +a 5 τ 4 +a 6 τ 7,5) 10 5 τ = 1 T/T c [ ] a 1 = 7, ; a 2 = 1, ; a 3 = 11, ; a 4 = 22, ; a 5 = 15, ; a 6 = 1, , P c ciśnienie krytyczne P c = Pa T c - temperatura krytyczna, T c = 647,096 K (5.31) Zawartość wilgoci w powietrzu x = n f w p w (t) φ p a f w p w (t) φ [kg kg ] (5.32) φ wg (5.25) p s wg (5.26) f w wg (5.28) n = 0,62198 Temperatura punktu rosy (termometru mokrego) t m = B o B o 2 a o a 2 (5.33) Do obliczenia wilgotności względnej wykorzystywane będą również zależności: 96

97 B o = D o + D 1 h + D 2 h 2 2 a 2 (h h o ) a 1 2 a 2 (5.34) Przy temperaturach dodatnich 0 < t 140 : a o = 31,6866; a 1 = 0,130986; a 2 = 0, (5.35) Wartości stałe przyjmowane do obliczeń: h o = 9,6 kj kg Dla temperatur ujemnych: D o = 45,2006; D 1 = 6, ; D 2 = 1, (5.36) Dla temperatur dodatnich: D o = 48,0275; D 1 = 6, ; D 2 = 1, (5.37) Gęstość powietrza 1 + x ρ = p a [(t + 273,16) R P (x + n)] [kg m3] (5.38) 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 przyjmowany w obliczeniach przedstawia tabela 5.9. Tab.5.9. 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 Mieszanie 1 wg x ε pś = 100 (1 x N x e x P x e ) [%] ε pś = 100 (1 h M1 h e h PC h e ) [%] 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 97

98 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. Będzie to miało miejsce po przekroczeniu zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym wartości założonej dla powietrza nawiewanego do hali basenowej. Udział powietrza recyrkulacyjnego recyrkulacja zewnętrzna (wg rysunku 5.8) 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 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 Mieszanie 1 wg x ε rec1 = 100 ( h M1 h e h PC h e ) [%] 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 5.8.) 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. 98

99 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 zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, zatem nie ma potrzeby stosowania recyrkulacji wewnętrznej. Może być ona stosowana w przypadku, gdy osuszanie w pompie ciepła jest za duże. Gdy osuszaniem jest zbyt małe, można zastosować dodatkowo doprowadzenie powietrza świeżego. Tab 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 Mieszanie 1 wg entalpii Mieszanie 1 wg x ε rec2 = 100 ( x N x e x P x e ) [%] ε rec2 = 40% *nazwa własna trybu pracy centrali wentylacyjnej w algorytmie KR_C.01 i KR_ZDC.01 x M1 < x e x N w celu zapewnienia odpowiedniego przepływu powietrza przez wymiennik ciepła 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 ] (5.39) W okresie nocy strumień powietrza nawiewanego zmniejszony jest o 20% z uwagi na mniejsze parowanie. Współczynnik β według tabeli Modelowanie ilości odparowującej wody Ilość odparowującej wody wyznaczana zostanie z zależności Shaha (2.8) i (2.20) na podstawie przyjętego profilu użytkowania basenu według rozdziału W obliczeniach z zależności Shaha wyznaczony będzie współczynnik parowania β dla każdej godziny i zostanie on użyty przy obliczeniach bilansu cieplno-wilgotnościowego hali basenowej. Dla podstawowego wariantu współczynniki parowania przedstawiają się następująco: Tab Współczynniki parowania przyjęte przy modelowaniu stanów powietrza Godzina 23:00 6:00 6:00 23:00 β [ kg h m 2 B kg ] 8,7 24,0 kg 99

100 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 załącznika C (wg rozdz. 5.2.). Współczynnik wydajności grzejnej COP pompy ciepła 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. Literatura wskazuje wzory do obliczeń COP, które uwzględniają właśnie temperaturę skraplania i parowania czynnika chłodniczego w obiegu pompy ciepła. Jednak z uwagi na zmienne moce parowacza i skraplacza wzory te nie są odpowiednie do obliczeń symulacyjnych przy zmiennych parametrach powietrza w obrębie parowacza i skraplacza w pompach ciepła powietrze-powietrze Ogólną zależność do obliczania współczynnika wydajności grzejnej COP z uwzględnieniem temperatur powietrza przed i za wymiennikami pompy ciepła przedstawia zależność (5.40) [60]. Oznaczenia we wzorze pokazano na rysunku 5.8. COP = t OC k 1 + ( t PC + t M2 2 ( t PC + t M2 ) k k 6 ) k 2 + t OC 2 k 3 + ( t 2 PC + t M2 ) k t OC (5.40) Zależność (5.40) uwzględnia współczynniki k i, które autorzy wyznaczyli dla konkretnych instalacji. 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. Współczynniki COP przyjętych urządzeń (załącznik C) mieszczą się w zakresie 4,3-5,5 (w zależności od konfiguracji centrali wentylacyjnej). Przyjmując, według zasad opisanych w rozdziale 5.4., że w obliczeniach przez 25% godzin roku (w okresie nocy) centrala pracuje tylko na powietrzu obiegowym oraz przez 50% godzin w roku pracuje w trybie Mieszanie 1, w którym występują stałe parametry powietrza przed wymiennikiem do odzysku ciepła, można przyjąć, że przez większość roku pompa ciepła pracuje z wysokim współczynnikiem wydajności cieplnej. Skraplacz pompy ciepła Skraplacz pompy ciepła, umieszczony za komorą mieszania recyrkulacji wewnętrznej, podgrzewa powietrza wentylacyjne do pewnej granicy, która wynika z jego mocy. 100

101 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. W obliczeniach wyliczana jest wymagana moc skraplacza, jaka jest potrzebna do zapewnienia właściwej temperatury nawiewu: Q SKR,1 = m N (h N h M2 ) [kw] (5.41) 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] (5.42) Jeżeli obliczona wymagana moc skraplacza jest mniejsza od mocy maksymalnej Q SKR,1 > Q SKR, to wyliczana jest temperatura powietrza na skraplaczem, przyjmując jego maksymalną moc. t PC = t M2 + Q SKR m N c p [ ] (5.43) 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 ] (5.44) Entalpia powietrza za skraplaczem obliczana jest z zależności (5.22), a wilgotność względna z zależności (5.25). 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. 101

102 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] (5.45) Temperatura powietrza za parowaczem wyznaczana jest z zależności (5.33), która wykorzystuje fakt, że punkt odpowiadający parametrom powietrza za parowaczem znajduje się na linii nasycenia. Zawartość wilgoci w powietrzu za parowaczem wyznaczana jest w funkcji temperatury i wilgotności względnej z zależności (5.31). 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 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. Zależność do obliczania zwiększonej sprawności wymiennika ciepła z uwagi na wykraplanie się wilgoci ustalono według programu doboru wymienników krzyżowych firmy Heatex [111]. ƞ OC = ƞ OC,s + ƞ OC ( x) (5.46) Podstawiając różne parametry powietrza przed wymiennikiem ciepła, otrzymano szereg punktów, na podstawie których wyznaczono wzór: ƞ OC ( x) = 0,0794 x 3 1,1352 x 2 + 6,4543 x [%] (5.47) 102

103 Temperatura powietrza za wymiennikiem ciepła obliczana jest z zależności: t OC = t M1 + ƞ OC (t P t M1 ) [ ] (5.48) 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 ] (5.49) 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] (5.50) 5.4. Algorytm obliczeniowy dla zmiennych warunków klimatu zewnętrznego dla wentylacji centralnej KR_C.01 Dla centrali z pompą ciepła parametry powietrza w pomieszczeniu parametry powietrza nawiewanego Rys Algorytm pracy centrali basenowej w układzie centralnym (KR_C.01) 103

104 Tab Czas działania trybów pracy centrali basenowej dla wariantów 4 i 6 TRYB PRACY NOC MIESZANIE 1 MIESZANIE 2 100% ŚWIEŻE zima/wiosna/ przejściowy/ cały rok Okres pracy jesień lato lato Czas h/rok Czas % Wymiennik ciepła działa działa działa działa Skraplacz działa działa działa działa Parowacz działa działa działa działa Nagrzewnica nie działa nie działa nie działa nie działa Moc nagrzewnicy kwh/rok 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. Dzięki mieszaniu powietrza osuszonego w parowaczu i powietrza usuwanego z hali basenowej regulować można zawartość wilgoci. 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. Schemat na rysunku przedstawia parametry powietrza w poszczególnych punktach w centrali wentylacyjnej pracującej w trybie nocnym. Określone są: temperatura i zawartość wilgoci w każdym z punktów, strumienie powietrza zewnętrznego i nawiewanego oraz moce urządzeń. Schemat pokazuje również otwarcie przepustnic recyrkulacji wewnętrznej i zewnętrznej, określając procentowy udział poszczgólnych strumieni. Na schemacie określona jest również przyjęta do obliczeń wartość parowania wody oraz straty ciepła wynikające z bilansu cieplno-wilgotnościowego. 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. 104

105 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. Nie ma również konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza z uwagi na wysokie temperatury powietrza zewnętrznego w tym okresie roku. 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%. 105

106 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 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. 106

107 Rys Przemiany powietrza w centrali wentylacyjnej na wykresie h-x dla układu centralnego (KR_C.01) 107

108 5.5. Algorytm obliczeniowy dla zmiennych warunków klimatu zewnętrznego dla wentylacji zdecentralizowanej KR_ZDC.01 W punkcie 5.4. przedstawiono algorytm pracy centrali wentylacyjnej przy zastosowaniu systemu centralnego, czyli gdy centrala basenowa przygotowuje powietrze dla całej hali basenowej. Przy obliczaniu temperatury nawiewu przyjęto bilans cieplnowilgotnościowy całej hali basenowej, czyli uwzględniono straty i zyski ciepła zarówno w obrębie niecki basenowej, jak i przez obudowę hali basenowej. W przypadku gdy centrala wentylacyjna przygotowywać będzie powietrze jedynie dla strefy niecki basenowej, algorytm nie ulegnie zmianie i wszystko będzie się odbywać według schematu przedstawionego na rysunku 5.9. Zmianie natomiast ulegnie przede wszystkim temperatura powietrza nawiewanego do hali basenowej, a co za tym idzie, nie będzie konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza, ponieważ skraplacz powietrza będzie urządzeniem wystarczającym do zapewnienia temperatury. Wykresy (rys ) pokazują uporządkowany wykres przebiegu temperatur powietrza zewnętrznego w ilości godzin, w jakich występują. Dzięki temu można odczytać, od jakiej temperatury zewnętrznej oraz przez ile dni w roku dane urządzenie będzie pracować. Rys Przebieg zużycia mocy cieplnej nagrzewnicy i skraplacza pompy do podgrzewu powietrza wentylacyjnego ciepła dla układu wentylacji centralnej (Wariant 4) i zdecentralizowanej (Wariant 6) dla obiektu basenowego typu I w funkcji temperatury zewnętrznej Na wykresie znajdują się również przebiegi mocy skraplacza pompy ciepła dla wentylacji centralnej i zdecentralizowanej. Moc parowacza w obu układach musi być podobna w celu zapewnienia odpowiedniego osuszania powietrza. Widać również przebieg mocy nagrzewnicy w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego dla wentylacji centralnej. Nie ma takiego przebiegu dla wentylacji zdecentralizowanej, ponieważ skraplacz powietrza, jak widać na wykresie, ma wystarczającą moc i jeszcze duży zapas. 108

109 Pole pod zieloną krzywą oznaczającą moc nagrzewnicy określa ilość energii zużywanej przez nagrzewnicę. Można odczytać, że nagrzewnica działa jedynie przy temperaturze zewnętrznej poniżej 6 o C, czyli przez około 3800 h/rok. Dodatkowe godziny wyszczególnione wcześniej w tabeli występują dla godzin nocnych. Skraplacz powietrzny pompy ciepła w układzie centralnym jest wspomagany nagrzewnicą przez około 3800 h/rok, a w pozostałym czasie jest wystarczającym elementem podgrzewającym powietrze wentylacyjne. W układzie zdecentralizowanym, w którym temperatura nawiewu jest dużo niższa, skraplacz powietrzny na duży zapas mocy, który może być wykorzystywany do podgrzewu wody basenowej. Zapas mocy skraplacza występuje w obu układach wentylacyjnych. Dla układu centralnego zapas mocy określony jest polem znajdującym się między maksymalną mocą skraplacza wynoszącą 35 kw a czerwoną krzywą. Natomiast dla wentylacji zdecentralizowanej występuje dodatkowo zapas mocy określony przez pole, jakie znajduje się między krzywymi czerwoną i niebieską. Algorytm pracy centrali wentylacyjnej dla układu zdecentralizowanego przedstawiony jest na rysunku Różnica w stosunku do układu centralnego polega jedynie na układzie parametrów powietrza nawiewanego, które znajdują się w niebieskim obszarze na wykresie h-x. Przebiegi obliczeń i doboru parametrów w poszczególnych punktach w centrali odbywają się według tych samych zasad. Różnica będzie jedynie w braku konieczności stosowania nagrzewnicy powietrza. Na kolejnych rysunkach przedstawiono wykresy dla wybranych dni roku dla każdego z trzech trybów pracy centrali wentylacyjnej w układzie zdecentralizowanym. Charakterystyczną cechą tych przebiegów jest to, że temperatura nawiewu jest stosunkowo stała w ciągu całego roku mimo wahań temperatury powietrza zewnętrznego. Tab Czas działania trybów pracy centrali basenowej dla wariantów 5 i 7 TRYB PRACY NOC MIESZANIE 1 MIESZANIE 2 100% ŚWIEŻE zima/wiosna/ przejściowy/ cały rok Okres pracy jesień lato lato Czas h/rok Czas % Wymiennik ciepła działa działa działa działa Skraplacz działa działa działa działa Parowacz działa działa działa działa Nagrzewnica nie działa nie działa nie działa nie działa Moc nagrzewnicy kwh/rok

110 parametry powietrza w pomieszczeniu Parametry powietrza nawiewanego Rys Algorytm pracy centrali basenowej w układzie zdecentralizowanym (KR_ZDC.01) 110

111 Rys Przemiany powietrza w centrali wentylacyjnej na wykresie h-x dla układu zdecentralizowanego (KR_ZDC.01) 111

112 5.6. Algorytm obliczeniowy dla pozostałych struktur wentylacyjnych KR_M.01 W celu porównania zaproponowanego nowego podejścia do projektowania układu wentylacji dla hali basenowej z układami tradycyjne stosowanymi opartymi na osuszaniu powietrza wentylacyjnego powietrzem zewnętrznym oraz wykazania efektów energetycznej opłacalności jego stosowania wykonano również obliczenia dla układów, w których jako odzysk ciepła stosowana jest tylko recyrkulacja powietrza usuwanego z hali basenowej, oraz dla układu z recyrkulacją i wymiennikiem ciepła. Obliczenia przemian powietrza w układach central wentylacyjnych uwzględniają osuszanie powietrza wentylacyjnego poprzez wprowadzanie zmiennego strumienia powietrza świeżego. Algorytm wykorzystany do obliczeń jest prosty i opiera się jedynie na regulacji ilości doprowadzanego powietrza zewnętrznego w celu uzyskania odpowiedniej zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym. Zarówno w nocy, jak i w dzień osuszanie odbywa się według tego samego schematu. Rys Algorytm pracy centrali basenowej w układzie zdecentralizowanym (KR_M.01) 112

113 Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE DZIEŃ Założenia: Osuszanie powietrzem świeżym w celu uzyskania wymaganej zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym W algorytmie KR_M.1, który wykorzystywany będzie w obliczeniach dla wariantów 1, 2 i 3 tryb Mieszanie dzień opiera się na założeniu, że do centrali wentylacyjnej doprowadzane jest powietrze świeże w ilości niezbędnej do uzyskania wymaganej zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym wg zależności (5.51). Pozostałe powietrze jest powietrzem recyrkulacyjnym. ε pś = 100 (1 x N x e x P x e ) [%] (5.51) Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE NOC Założenia: Zmniejszenie strumienia powietrza do 80% Zmiana parametrów utrzymywanych w hali basenowej: φ P,NOC = 65% Jeżeli wilgotność względna powietrza usuwanego z hali basenowej wzrośnie, przepustnica regulująca ilością powietrza świeżego otworzy się. Jeżeli wilgotność względna spadnie, przepustnica ta przymnie się w celu zwiększenia zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym. Tryby pracy centrali wentylacyjnej 100% POWIETRZE ŚWIEŻE (KR_M.01) Założenia: 100% powietrza świeżego Nagrzewnica do podgrzewu powietrza do wymaganej temperatury nawiewu W przypadku wysokiej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym do hali basenowej doprowadzene jest tylko powietrze zewnętrzne. W tym trybie nagrzewnica powietrza dostosowuje temperaturę powietrza nawiewanego do wymaganego poziomu. 113

114 6. Obliczenia symulacyjne dla wybranych struktur energooszczędnych 6.1. Walidacja modelu na obiekcie rzeczywistym Charakterystyka obiektu rzeczywistego W celu sprawdzenia poprawności obliczeń wykonano pomiary na obiekcie rzeczywistym. Pomiary wykonano w części sportowej kompleksu rekreacyjno-sportowego Term Maltańskich w Poznaniu. W hali basenów sportowych o wymiarach 105x60x22m znajdują się dwie niecki basenowe: niecka o wymiarach olimpijskich 51,5x25,2m, basen do skoków o wymiarach 25x30m, basen rozgrzewkowy 16,7x8m oraz dwa małe basenik do rozgrzewki skoczków, co daje łączną powierzchnię wody 2150m 2. Przepustowość zaprojektowana jest na 120 osób na godzinę. W hali basenowej znajdują się duże trybuny dwustronne mogące pomieścić 3800 osób. Niecka basenowa otoczona jest pomieszczeniami i salkami do ćwiczeń, które są klimatyzowane, w związku z czym ich temperatura jest niższa niż temperatura w hali basenowej. Z uwagi na duże trybuny w hali basenowej ściany zewnętrzne mają małą powierzchnię. Przegrody przeszklone, które mają niski współczynnik przenikania ciepła znajdują się głównie nad trybunami. Przeszklona jest również jedna ze ścian zewnętrznych, jednak jej powierzchnia, w stosunku do powierzchni wszystkich przegród zewnętrznych, jest nieduża. Część sportowa kompleksu posiada zdecentralizowany układ wentylacyjny (schematycznie pokazany na rysunku 6.1.). Wydzielone zostały osobne układy wentylacyjne z chłodzeniem dla widowni, dla strefy podstropowej oraz dla strefy niecki basenowej. Rys Schemat systemu wentylacyjnego obiektu rzeczywistego 114