Nocne obniżenia temperatury w halach basenowych

W takich obiektach jak pływalnie parametry powietrza są zazwyczaj stałe w ciągu roku i doby, a pomieszczenia te wymagają ciągłej pracy wentylacji, zarówno w czasie ich użytkowania, jak i przerw. W niektórych obiektach stosuje się różnicowanie parametrów powietrza w zależności od pory roku czy dnia.

W okresie nocnym, kiedy basen jest nieczynny, zmieniać się może zarówno wilgotność względna, jak i temperatura powietrza. W wielu obiektach stosuje się nocne obniżenia temperatury, przez co zimą może rosnąć ryzyko wykraplania się wilgoci na zimnych przegrodach.

Parametry termodynamiczne, jakie powinny panować w hali basenowej, na etapie projektowania określa projektant, jednak podczas eksploatacji wielu parków wodnych zarządzający obiektem mają możliwość zmiany nastaw i decydują się często na wybór innych ustawień, co nie zawsze jest korzystne.

Charakterystyka analizowanych obiektów

Analizie poddano dwa różne obiekty basenowe – basen pływacki i park wodny. W hali basenowej pierwszego obiektu znajduje się jedna niecka basenowa, a w drugim cztery niecki basenowe, atrakcje wodne i zjeżdżalnie zewnętrzne. Obiekty te charakteryzują się innymi parametrami termodynamicznymi powietrza i wody utrzymywanymi w hali basenowej.

Basen pływacki

Zlokalizowany jest w II strefie klimatycznej okresu zimnego (t_z = –18°C) oraz w II strefie klimatycznej okresu ciepłego (t_z = 30°C). W obiekcie znajduje się niecka basenowa o powierzchni 312,5 m² oraz dwie atrakcje basenowe. Powierzchnia hali basenowej wynosi 585 m², a jej kubatura 5310 m³.

Do wentylacji hali zastosowano centralę basenową o wydajności 13 000 m³/h powietrza nawiewanego oraz 11 780 m³/h powietrza wywiewanego. Basen czynny jest od 8.00 do 22.00 od poniedziałku do soboty oraz od 10.00 do 20.00 w niedzielę.

Park wodny

Zlokalizowany jest w tych samych strefach klimatycznych, co pierwszy obiekt. Wybudowany został w 2006 r. We wspólnej hali basenowej znajduje się basen pływacki o powierzchni 312,5 m², basen rekreacyjny z atrakcjami wodnymi, rwąca rzeka, brodzik dla dzieci z atrakcjami wodnymi, wanna do hydromasażu oraz dwie zjeżdżalnie zewnętrzne. Powierzchnia hali basenowej wynosi 1200 m², a kubatura 8400 m³.

Współczynniki przenikania ciepła przegród zewnętrznych są następujące:

• ściany zewnętrzne hali basenowej: U = 0,40 W/(m² K),
• stropy zewnętrzne: U = 0,30 W/(m² K),
• okna (hala basenowa): U = 1,40 W/(m² K).

Halę basenową obsługuje centrala o wydajności 35 000 m³/h powietrza nawiewanego oraz 36 400 m³/h wywiewanego. Jednak strumień powietrza wywiewanego z pomieszczenia hali basenowej wynosi 32 300 m³/h, a pozostały strumień jest wyciągany przez wywiewniki w natryskach. Park wodny czynny jest codziennie od 6.00 do 22.00.

Parametry termodynamiczne powietrza w analizowanych halach basenowych

Basen pływacki

Na rys. 1 pokazano, jak kształtują się parametry powietrza wywiewanego z hali basenu pływackiego. Kiedy basen jest użytkowany, temperatura powietrza wynosi ok. 30°C, a wilgotność względna powietrza kształtuje się na poziomie 35–45%. Dokładny rozkład parametrów powietrza wywiewanego w ciągu doby przedstawiono na rys. 2 i 3.

W okresie nocnym następuje zjawisko obniżenia temperatury powietrza, która waha się od 28 do 29°C, a wraz z obniżeniem temperatury następuje zwiększenie wilgotności względnej powietrza w hali basenowej w przedziale od 50 do 55%. Niższa wilgotność względna w okresie użytkowania basenu wynika ze sposobu uzdatniania powietrza w centrali basenowej.

W ciągu dnia do hali nawiewane jest wyłącznie powietrze zewnętrzne, a recyrkulacja uruchamiania jest jedynie w nocy. Według [1] przy zastosowaniu central basenowych z jednostopniowym odzyskiem energii realizowanym w rekuperatorze bez recyrkulacji nie można w okresie zimowym utrzymywać w hali basenowej wilgotności względnej powietrza powyżej 40–45%.

Zbyt niska wilgotność względna powoduje intensyfikację procesu parowania – z lustra wody, a także zwilżonych posadzek, atrakcji wodnych, od osób kąpiących się, co może być przyczyną odczuwania przez nich dyskomfortu. Zwiększone odparowanie ze zwilżonej skóry człowieka powoduje nieprzyjemne odczucie chłodu.

W okresie nocnym, kiedy zaczyna pracować centrala basenowa na powietrzu mieszanym, w hali uzyskuje się wilgotność względną powietrza na poziomie 50–55%, zalecaną przez autorów publikacji [2, 3, 4].

Park wodny

Na rys. 4, 5 oraz 6 przedstawione zostały parametry powietrza wywiewanego z hali basenowej parku wodnego. W obiekcie tym temperatura powietrza jest utrzymywana w ciągu doby na stałym poziomie.

Jedyną zmienną zależną od pory dnia jest wilgotność względna, która maleje w okresie nocnym nawet do 40%. Wynika ona przede wszystkim ze zmniejszonych zysków wilgoci w okresie nocnym (mniejsza emisja od lustra wody, niepracujące atrakcje wodne, brak użytkowników). Wilgotność względna powietrza w czasie użytkowania basenu sięga 50–55%, a w okresie nocnym spada do 40–45% i znajduje się w przedziale zalecanym przez autora publikacji [2].

Według [4] w hali basenowej zaleca się utrzymywanie wilgotności względnej powietrza nie niższej niż 45% ze względu na komfort użytkowników (co nocą nie ma znaczenia) oraz rachunek ekonomiczny.

Ocena trafności wyboru parametrów termodynamicznych

Jak wspomniano, wybór parametrów termodynamicznych w hali basenowej jest szczególnie istotny ze względu na możliwość wykraplania się pary wodnej na zimnych przegrodach. W celu wykazania ryzyka wystąpienia zjawiska kondensacji na rys. 7 przedstawiono temperatury po wewnętrznej stronie okna o różnych współczynnikach przenikania ciepła w hali basenowej o temperaturze powietrza 30°C.

Na wykres naniesiono temperaturę punktu rosy powietrza w hali basenowej o wilgotności względnej 40%, zwiększoną dla bezpieczeństwa o 1°C. Odpowiada to parametrom panującym w hali basenu pływackiego podczas użytkowania obiektu. Na wykresie przedstawiono trzy krzywe, które odpowiadają rozkładowi temperatury na oknach o trzech różnych współczynnikach przenikania: 1,6 i 1,8 oraz 2,0 W/(m² K).

Ponieważ obiekt został wybudowany ponad 50 lat temu, trudno określić rzeczywisty współczynnik przenikania ciepła dla okien bez wykonania odpowiednich badań. Na podstawie analizy wykresu zamieszczonego na rys. 7 można przyjąć, że kondensacja pary wodnej na oknach w hali basenowej o powyższych parametrach nie powinna wystąpić.

Na rys. 8 przedstawiono krzywe, które odpowiadają punktom rosy powiększonym o 1°C dla parametrów powietrza panujących w hali basenu pływackiego w okresie nocnym, czyli temperaturze 28°C oraz wilgotności względnej 50 i 55%. Jak widać, wykroplenie wilgoci może wystąpić przy najniższych temperaturach powietrza zewnętrznego.

Największe ryzyko dotyczy okien o współczynniku przenikania ciepła 2,0 W/(m² K), w hali basenowej, w której wilgotność względna powietrza wynosi ok. 55%. Zgodnie z wykresem para wodna może się wykraplać przy temperaturze powietrza zewnętrznego poniżej –7°C. Według [5] temperatura taka występuje przez 413 godzin w roku.

Zjawisko nocnego obniżenia temperatury powietrza

W celu przedstawienia wpływu nocnego obniżenia temperatury powietrza na wzrost odparowania wilgoci w hali basenu pływackiego skorzystano z czterech wybranych zależności empirycznych dostępnych w publikacjach naukowych. Pierwszy wzór, podany w [6], ma następującą postać:

(1)

gdzie:

w – prędkość powietrza nad powierzchnią parującą, m/s;

p_w” – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w warstwie granicznej przy stanie nasycenia i temperaturze powierzchni wody, mm Hg;

pw – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, w którym zachodzi parowanie, mm Hg;

A – powierzchnia lustra wody w zbiorniku, m²;

pb – ciśnienie barometryczne, mm Hg;

a – współczynnik uwzględniający ruch powietrza w zależności od temperatury powierzchni wody i wywołany jego odświeżaniem w pomieszczeniu (należy przyjmować a = 0,022 przy temperaturze powietrza t_p = 15–30°C i temperaturze powierzchni wody t_pw £ 30°C).

Temperaturę powierzchni wody przyjmuje się o 2°C niższą od temperatury wody w niecce basenowej (t_w = 20–35°C).

W publikacji [7] zalecane jest obliczanie zysków wilgoci z zależności:

(2)

gdzie:

c_f – współczynnik odparowania, g/(m² h mm Hg). Wielkość współczynnika c_f określa się z zależności:

(2a)

gdzie:

w – prędkość powietrza nad powierzchnią wody, m/s; założono 0,10 m/s.

Z kolei w [8] emisję strumienia parującej wody określa się z zależności:

(3)

gdzie:

x – zawartość wilgoci w powietrzu, w którym zachodzi parowanie, kg/kg;

x” – zawartość wilgoci w powietrzu warstwy granicznej w stanie nasycenia przy danej temperaturze wody, kg/kg;

s – liczba parowania, kg/(m³ h), należy przyjmować: s = 10 dla spokojnej wody w niecce basenowej, s = 20, gdy ruch wody jest umiarkowany (małe baseny), s = 30 dla burzliwego ruchu wody (baseny ogólnego przeznaczenia).

Natomiast w publikacji [9] podano, że zyski wilgoci można wyznaczyć ze wzoru:

(4)

gdzie:

t_sr – średnia temperatura powietrza, s (wyznaczana jako średnia arytmetyczna temperatury powietrza w hali basenowej i warstwie granicznej). Wzór ten wykorzystuje się tylko dla w < 1 m/s.Rys.

Podsumowanie

Ryzyko wykroplenia się wilgoci na zimnych przegrodach hali basenowej może powstać, kiedy temperatura przegrody po wewnętrznej stronie osiągnie temperaturę punktu rosy. Z tego powodu zabezpiecza się okna, stosując nawiew szczelinowy ciepłym powietrzem – jego zadaniem jest stworzenie kurtyny osłaniającej zimne przegrody od ciepłych i wilgotnych mas powietrza unoszącego się nad lustrem wody.

Dzięki temu rozwiązaniu można uniknąć powstawania nieestetycznych zacieków, powodujących w najgorszym przypadku osłabienie konstrukcji.

Warto dodać, że z punktu widzenia wystąpienia ryzyka kondensacji korzystniejsze wydaje się obniżenie wilgotności względnej w okresie nocnym, kiedy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa i ryzyko wykroplenia wilgoci większe.

W przypadku obiektów starszych, które nie spełniają warunków dotyczących współczynników przenikania ciepła przegród budowlanych [10], ryzyko takie jest największe – szczególnie w nich powinno się utrzymywać niższą wilgotność względną powietrza w okresie nocnym i zimowym.

Zadanie współfinansowane ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Literatura

1. Czerkawska I., Całoroczna praca centrali basenowej z jednostopniowym odzyskiem energii oraz recyrkulacją powietrza wywiewanego, [w:] „Aktualne kierunki badań systemów inżynieryjnych”, Anisimov S. red., Politechnika Wrocławska, Wrocław 2012.
2. VDI 2089 Warme-, Raumlufttechnik, Wasserver- und -entsorgung in Halle- und Freibadern – Hallenbäder.
3. Sabiniak H.G., Pietras M., Klimatyzacja obiektów basenowych, Politechnika Łódzka, Łódź 2008.
4. Kappler H.P., Baseny kąpielowe, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1977.
5.  Pełech A., Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 2008.
6. Malicki M., Wentylacja i klimatyzacja, PWN, Warszawa 1980.
7.  Ferencowicz J., Wentylacja i klimatyzacja, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1962.
8. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium ogrzewnictwa i klimatyzacji, Omni Scala, Wrocław 2008.
9. Jaskólski M., Micewicz Z., Wentylacja i klimatyzacja hal krytych pływalni, IPPU MASTA, Gdańsk 2000.
10. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!