kryte baseny pływackie, wentylacja, strumień powietrza wentylacyjnego Katarzyna RATAJCZAK, Edward SZCZECHOWIAK* OPTYMALIZACJA STRUMIENIA POWIETRZA WENTYLACYJNEGO W KRYTYCH BASENACH PŁYWACKICH Kryte baseny pływackie są obiektami, w których zużywane są duże ilości energii elektrycznej i ciepła. Dzieje się tak, ponieważ zapewnienie wymaganych parametrów powietrza wewnętrznego odbywa się poprzez instalację wentylacyjną. Z uwagi na specyficzne warunki panujące w halach krytych basenów pływackich: temperatura powietrza +28-34 o C i wilgotność względną na poziomie 55-60%, znaczne ilości wilgoci odparowujące z powierzchni wody oraz na architekturę tych obiektów, czyli duże powierzchnie przeszklone, złożona geometria - obliczeniowa ilość powietrza wentylacyjnego nawiewnego do pomieszczenia jest duża, a jego temperatura wysoka. Wymaga to stosowania w instalacji wentylacyjnej urządzeń o dużym poborze energii. Niewłaściwe zaprojektowanie rozdziału powietrza również wpływa niekorzystnie na warunki panujące w obiekcie basenowym. Przedstawiony zostanie układ rozdziału powietrza powodujący zmniejszenie ilości powietrza nawiewanego i mniejszą wymagana temperaturę powietrza nawiewanego oraz połączenie układu wentylacji i ogrzewania wodnego w celu zapewnienia wymaganej temperatury powietrza wewnątrz hali basenowej przy jednoczesnym zabezpieczeniu konstrukcji obiektu przed wykraplaniem się wilgoci na zimnych powierzchniach przegród zewnętrznych. 1. WSTĘP Strumień powietrza wentylacyjnego w przypadku obiektów basenowych dobierany jest tak, żeby pokryć potrzeby cieplne hali basenowej oraz usunąć zyski wilgoci powstające podczas parowania wody z powierzchni basenu. Temperatura powietrza nawiewanego jest więc wysoka, żeby zapewnić temperaturę wewnątrz hali basenowej na wymaganym poziomie, który zależy od przyjętej temperatury wody i może wynosić t p =28-34 C. Rozdział powietrza wentylacyjnego rozwiązany jest tak, że nawiew powietrza zlokalizowany jest w pobliży przegród zewnętrznych budynku, * Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań.
szczególnie przy przegrodach przeszklonych, a wywiew powietrza w górnej części pomieszczenia, z reguły na środku. Takie rozwiązanie ma zapewnić odpowiednią temperaturę powietrza wewnętrznego, zabezpieczyć przegrody zewnętrzne przed wykraplaniem się na ich powierzchni wilgoci. Przez umieszczenie wywiewu nad niecką basenu usuwane są zyski wilgoci [2]. Należy pamiętać, że centrale basenowe przygotowujące powietrze są centralami z podwójnym odzyskiem ciepła wymiennik krzyżowy oraz pompa ciepła. Przygotowanie powietrza w takim urządzeniu jest więc drogie. Należy zastanowić się, jakie potrzeby obiektu powinna zapewnić instalacja wentylacji i czy ogrzewanie hali basenowej drogo przygotowanym powietrzem wentylacyjnym jest opłacalne. Wentylacja obiektów powinna służyć zapewnieniu odpowiedniej ilości powietrza świeżego dla ludzi przebywających wewnątrz budynku [3]. W przypadku wszystkich budynków ilość powietrza świeżego nawiewanego do pomieszczenia powinna być tak dobrana, żeby utrzymać na odpowiednim poziomie stężenie dwutlenku węgla powstającego podczas oddychania. Zbyt duża ilość CO 2 powoduje złe samopoczucie ludzi, należy więc jego poziom kontrolować przez zapewnienie dopływu powietrza świeżego. Tak jest również w przypadku obiektów basenowych. Wentylacja powinna również zapewnić doprowadzenie takiej ilości powietrza świeżego, żeby usunąć szkodliwe związki chemiczne jakie występują w rozpatrywanym pomieszczeniu. W przypadku obiektów basenowych związkami szkodliwymi są związki chloru, które powstają podczas procesu dezynfekcji wody basenowej. Związki chloru dodawane do wody nie są szkodliwe, jednak podczas ich kontaktu ze związkami organicznymi występującymi w wodzie basenowej (pot, mocz itp.) powstają groźne dla zdrowia związki zwane trihalometanami (THM) oraz chloraminy. Charakterystycznymi właściwościami tych związków jest to, że są one cięższe od powietrza, zatem ich największe stężenie występuje w strefie przebywania ludzi, czyli nad powierzchnią wody (tam gdzie przebywają pływacy) oraz wzdłuż niecki basenowej (strefa przebywania ratowników i trenerów). O szkodliwości tych związków stanowią liczne badania pokazujące, że długotrwałe, wieloletnie przebywanie w pobliżu niecki basenowej może skutkować rozwinięciem się astmy[4,5]. Powietrze świeże, biorąc pod uwagę cel stosowania wentylacji, powinno być zatem dostarczane w strefie przebywania ludzi i doprowadzone w takiej ilości, jaka wynika z ich potrzeb. W przypadku obiektów basenowych ważną kwestią jest również odprowadzenie zysków wilgoci powstających podczas parowania wody, ponieważ nie ma innego sposobu na ich pozbycie się. W celu doboru ilości powietrza nawiewanego należy wziąć pod uwagę przede wszystkim parowanie wody z powierzchni basenu. Przy planowaniu rozdziału powietrza w budynku należy zwrócić uwagę na doprowadzenie tego powietrza do strefy przebywania ludzi. Potrzeby cieplne są tutaj sprawą drugorzędną, ponieważ można je pokryć systemem grzewczym, a taki sposób będzie zdecydowanie tańszy.
2. OBCIĄŻENIA WILGOTNOŚCIOWE HALI BASENOWEJ Obciążenia wilgotnościowe hali basenowej to ilość wody odparowującej z powierzchni wody oraz z mokrych posadzek, atrakcji wodnych i ludzi. Żeby prawidłowo wyznaczyć ilość odparowującej wody ważny jest wybór dobrego wzoru obliczeniowego. W przypadku parowania w halach basenów krytych do wyboru mamy bardzo dużo zależności. W artykule [1] przeanalizowano dostępne zależności i wybrano wzór rekomendowany do obliczeń parowania wody z powierzchni basenu. Ilość wody odparowującej zależy przede wszystkim od ilości i aktywności osób kąpiących się. Rozróżnić więc można w ciągu dnia kilka przedziałów czasowych, w których parowanie wody będzie różne: nocą parowanie jest niewielkie- brak wzburzenia wody, natomiast w dzień parowanie zależy od ilości osób korzystających z basenu. Stworzyć powinno się zatem profile użytkowania basenu uwzględniające ilość osób korzystających z basenu w celu dobrania odpowiedniego sterowania centralą wentylacyjną. Strumień powietrza jaki jest potrzebny do usunięcia zysków wilgoci powstających podczas parowania wody z powierzchni basenu można przyjąć jako stały w ciągu roku, przyjmując zmienność dobową lub tygodniową (zależnie od charakteru danego basenu). Zależność parowania od klimatu zewnętrznego jest niewielka. 3. MIARODAJNY STRUMIEŃ POWIETRZA WENTYLACYJNEGO DLA CENTRALI BASENOWEJ Strumień powietrza wentylacyjnego dla hali basenu pływackiego powinno się wyznaczyć w sposób odpowiedni dla potrzeb obiektu. Prawidłowe wyznaczenie tego strumienia ważne jest ze względu na późniejszy dobór urządzeń na podstawie jego wielkości. Obliczenia powinno się wykonywać dla warunków najbardziej niekorzystnych - obliczeniowych. Strumień powietrza wentylacyjnego nawiewanego do pomieszczenia basenu wyznaczany powinien być przy założeniu pewnych parametrów powietrza i wody w hali basenu [1]: temperatura wody zależnie od przeznaczenia basenu t w =26-32 C temperatura powietrza wewnętrznego wyższa od temperatury wody o t=2k t p =28-34 C wilgotność względna powietrza wewnętrznego φ p =60% zawartość wilgoci powietrza wewnętrznego x p =16 g/kg różnica temperatur powietrza nawiewanego t N i wewnętrznego t p maksymalnie t N-p =5 C różnica zawartości wilgoci w powietrzu nawiewanym x N i wewnętrznym x p
x N-p =6g/kg strumień wilgoci odparowujący z powierzchni wody może się wahać w zależności od aktywności osób kąpiących się i występujących atrakcji wodnych w przeliczeniu na 1m 2 powierzchni wody w basenie w granicach 0,05-0,35kg/(h. m 2 B). Dla basenów pływackich bez dodatkowych atrakcji wodnych można przyjąć, przy uwzględnieniu powyższych parametrów, że strumień powietrza nawiewanego wynosić może V N =10-40m 3 /(h. m 2 B)). Odprowadzenie wilgoci przy takiej ilości powietrza nawiewanego jest możliwe przy temperaturze nawiewu na poziomie 32 C i wilgotności około 40%[1]. Takie parametry są korzystne ze względu na pracę centrali wentylacyjnej, która nie musi za bardzo podgrzewać powietrza nawiewanego. Ważne jest również odpowiedni rozdział powietrza wentylacyjnego, żeby odprowadzenie wilgoci było możliwe przy dodatkowym usunięciu zanieczyszczeń związkami chloru i dostarczeniu odpowiedniej ilości powietrza świeżego dla pływaków. Przy takich parametrach strumień powietrza wentylacyjnego może zapewnić pokrycie potrzeb cieplnych obiektu w ilości q=20-60w/m 2, co z uwagi na strukturę obiektu i panującą w nim temperaturę może być niewystarczające. 4. ROZDZIAŁ STRUMIENI POWIETRZA WENTYLACYJNEGO Analizując przedstawione wyżej wymagania w stosunku do wentylacji można dojść do wniosku, że oprócz odpowiedniego dobrania wielkości strumienia powietrza nawiewanego, ważny jest również odpowiedni jego rozdział w pomieszczeniu. Zapewniając pokrycie potrzeb wilgotnościowych oraz dostarczenie powietrza z uwagi na zanieczyszczenia najlepiej jest, gdy rozdział powietrza będzie wyglądał jak na rys.1. Pozwala to na usunięcie zysków wilgoci w miejscu ich powstawania i doprowadzenie odpowiedniej ilości powietrza w strefie przebywania ludzi. Należy jednak pamiętać, że parametry powietrza nawiewanego powinny być odpowiednio dobrane, żeby nie intensyfikować parowania. Pozostaje problem pokrycia strat ciepła obiektu. Przy rozdziale powietrza pokazanym na rys.1 należy dodatkowo zabezpieczyć przegrody zewnętrzne przed wykraplaniem wilgoci na ich powierzchni przez stosowanie materiałów o dobrej izolacyjności cieplnej. W przypadku powierzchni przeszklonych należy zapewnić opływ tych powierzchni powietrzem, jednak z innej centrali wentylacyjnej niż centrala basenowa (powietrze ma tylko zabezpieczyć okna przed wilgocią), szerzej omówione w [1].
Rys.1 Rozdział powietrza wentylacyjnego w pobliżu niecki basenowej Fig.1 Distribution of air near the swimming pool 5. WNIOSKI Wydzielona wentylacja w strefie niecki basenu może być bardzo dobrym rozwiązaniem dla basenów pływackich, gdyż umożliwia to wyraźny podział na strefy i wynikające z tego podziału obciążenia cieplno-wilgotnościowe. Strefa niecki basenowej jest częścią, w której należy utrzymać odpowiednie parametry powietrza dla pływaków, jednocześnie jest to miejsce, w którym występują największe zyski wilgoci. Ponieważ jak ustalono wyżej ilość odparowującej wody występuje w funkcji profilu użytkowania i zauważyć można zmienność dobową (tygodniową) - dobrym rozwiązaniem wydaje się być osobna linia wentylacyjna dla tej części basenu. Strumień miarodajny dla tej części powinien być strumieniem wynikającym z ilości wody parującej, uwzględniający dostarczenie powietrza świeżego dla pływaków i odprowadzenie substancji szkodliwych powstających podczas dezynfekcji wody i użytkowania basenu. Parametry powietrza nawiewanego powinny być w tym wypadku tak dobrane, żeby nie intensyfikować parowania wody, czyli wystarczy, że temperatura nawiewu będzie tylko niewiele wyższa niż temperatura hali basenowej (t N =32 C). Pozwoli to na pracę centrali wentylacyjnej na niższych parametrach, co spowoduje niższe koszty eksploatacyjne w porównaniu do przypadku, gdy wentylacja pokrywa straty ciepła hali basenowej i temperatura nawiewu ustalana jest na poziomie nawet 45 C. Pozostała część hali basenowej powinna być odpowiednio zabezpieczona ze względu na straty ciepła przez przenikanie. Ze względu na dużą wilgotność powietrza w hali basenowej przegrody zewnętrzne należy zabezpieczyć przed wykropleniem
wilgoci na ich powierzchni. Powinno się zatem stosować odpowiednie materiały budowlane o dobrych (niskich) współczynnikach przenikania ciepła zarówno dla ścian zewnętrznych, jak i dla powierzchni przeszklonych. Dodatkowo należy wprowadzić wentylację, która będzie ukierunkowana w taki sposób, że będzie zabezpieczać konstrukcję np. nawiew na okna w odpowiednich okresach czasu z osobnej linii wentylacyjnej, omówione w [1]. Strumień powietrza dla tej części hali basenowej powinien być tylko zabezpieczeniem konstrukcji, a nie częścią instalacji ogrzewania. Straty ciepła wynikające ze strat ciepła przez przenikanie powinny być pokryte przez wodny system grzewczy, np. ogrzewanie płaszczyznowe. LITERATURA [1] RATAJCZAK K., SZCZECHOWIAK E. Wpływ przepływu powietrza na parowanie i straty konwekcyjne w krytych basenach kąpielowych W: Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 41/4 (2010), 141-148. [2] SABINIAK H.G., PIETRAS M., Systemy organizacji wymiany powietrza w halach basenowych., W: Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 6/2005. [3] SABINIAK H.G., PIETRAS M., Wymagania stawiane instalacjom klimatyzacyjnym w halach basenowych., W: Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 1/2005. [4] FANTUZZI G., Occupational exposure to trihalomethanes in indoor swimming pools., W: The Science of the Total Environment 264 (2001), 257-265. [5] JUDD S., BULLOCK G., The fate of chlorine and organic materials In swimming pools., W: Chemosphere 51 (2003), 869-879. SUMMARY OPTIMISATION OF AIRFLOW VENTILATION IN INDOOR SWIMMING POOLS Indoor swimming pools are facilities where large amounts of electricity and heat are consumed. This is because the required parameters of indoor air are ensured using an internal ventilation installation. Due to the specific conditions prevailing in the halls of indoor swimming pools: air temperature 30 C and relative humidity at 55-60%, significant amounts of moisture evaporates from the water surface and the architecture of these objects the amount of air ventilation supply air is considerable. This requires the use of ventilation devices with high power consumption. Improper design of air distribution also adversely affects the conditions in the swimming pool facility. An air distribution system will be presented, which provides a reduction of the supply air volume, lower required supply air temperature and a combination of static ventilation and heating, aimed to provide the required air temperature inside the pool hall