Straty ciepła zjeżdżalni wodnych w basenach krytych

Większość współczesnych obiektów basenowych projektowanych jest w formie kompleksów o rozbudowanej funkcjonalności, mających m.in. basen pływacki, rekreacyjny, kompleks atrakcji wodnych, saunę, gabinety SPA, część handlowo-usługową i gastronomiczną. Ich rentowność uzależniona jest nie tylko od liczby korzystających z ich usług klientów, ale też różnorodności oferowanych usług, ich jakości i atrakcyjności.

Zapewnienie wielogodzinnej rozrywki dla całych rodzin możliwe jest tylko dzięki zastosowaniu licznych atrakcji wodnych, gdy w jednej wspólnej przestrzeni funkcjonalnej zlokalizowane są liczne niecki basenowe – basen pływacki, rekreacyjny, brodzik, basen solankowy, rwąca rzeka, wanna SPA, zjeżdżalnie i inne wodne atrakcje.

Niewielkie obiekty miejskie wyposażone są najczęściej w dwie długie zjeżdżalnie zewnętrzne (prowadzone często na zewnątrz budynku, z częścią startową i hamownią wewnątrz) oraz niewielką zjeżdżalnię wewnętrzną i zjeżdżalnię dla małych dzieci.

Parki wodne o zasięgu regionalnym mają zazwyczaj dodatkowo zjeżdżalnię „ciemną”, wykonaną z nieprzepuszczalnego dla światła materiału, oraz zjeżdżalnię pontonową (często dwuosobową), prowadzone na zewnątrz.

W przypadku największych obiektów spotkać można się jeszcze ze zjeżdżalniami typu „cebulka”, zakończonymi niewielkim przepływowym basenem zewnętrznym.

Analiza kosztów związanych z atrakcjami wodnymi

Wymienione atrakcje wodne z jednej strony zwiększają popularność obiektu, generując znaczne dochody z biletów i działalności towarzyszącej, z drugiej zwiększają koszty jego utrzymania. Wstępnie podzielić je można na koszty:

• nawiewu powietrza na przeszklenia w wieży startowej zjeżdżalni (w części obiektów stosuje się w nich nadciśnienie),
• obsługi personelu – utrzymania dodatkowych etatów ratowników i służb technicznych,
• przygotowania wody basenowej – uzupełniania, filtracji, dogrzewania, uzdatniania chemicznego,
• ogrzewania dodatkowej kubatury i wentylacji,
• pracy urządzeń pomocniczych – pomp, dmuchaw, bramek, oświetlenia,
• zakupu, serwisowania i modernizacji urządzeń atrakcji wodnych.

W niektórych obiektach koszty obsługi nie zmieniają się przy zwiększeniu liczby atrakcji, jednak pozostałe wydatki mogą być znaczące dla ogólnej kondycji finansowej obiektu. Należy dążyć do ich ograniczenia bez obniżenia komfortu i atrakcyjności basenu.

Koszty przygotowania wody basenowej zależą głównie od zastosowanej technologii oraz rodzaju źródła ciepła i energii. Pomimo że działania energooszczędne w tym zakresie w pewnym stopniu ograniczone są wymaganiami sanitarno-higienicznymi, wciąż możliwe jest zmniejszenie energochłonności tego procesu, np. poprzez odzysk energii, wykorzystanie ciepła odpadowego czy planowe zarządzanie procesami technologicznymi i energią.

W przypadku kosztów pracy urządzeń pomocniczych możliwe jest ograniczenie ich zapotrzebowania na energię elektryczną poprzez zastosowanie pomp o zmiennej prędkości obrotowej, optymalizację harmonogramów pracy tych urządzeń i dokładny ich dobór, zapewniający pracę w warunkach najwyższej sprawności.

Możliwości ograniczenia zużycia energii i emisji wilgoci wynikające z zastosowania harmonogramów pracy atrakcji wodnych opisane zostały w publikacji [3].

Koszty zakupu, serwisowania i modernizacji urządzeń atrakcji wodnych zależą od typu tych ostatnich i powinny być każdorazowo analizowane w momencie projektowania i zakupu.

Istotne oszczędności kryją się w wydatkach na ogrzewanie i wentylację dodatkowej kubatury – zjeżdżalni, towarzyszącej jej wieży z punktami startowymi i pomieszczenia wanien hamownych (często stanowiącego część hali basenowej).

Zjeżdżalnie, zarówno w budynkach istniejących, jak i nowo projektowanych, instalowane są zazwyczaj na zewnątrz budynku ze względu na znaczne rozmiary i wysokość przewyższającą wysokość budynku. Typowym rozwiązaniem projektowym jest zastosowanie wieży z klatką schodową i punktem startowym, prowadzenie zjeżdżalni na zewnątrz bryły obiektu i zakończenie jej rynną lub basenem hamownym wewnątrz budynku.

W większości obiektów część zewnętrzna zjeżdżalni pozostaje niezaizolowana ze względu na wagę i koszt wykonania docieplenia. Straty statyczne zewnętrznej części zjeżdżalni wodnej mogą być jednak bardzo wysokie, a docieplenie zjeżdżalni, zwłaszcza w obiektach nowo budowanych, należy do przedsięwzięć termomodernizacyjnych o najkrótszym czasie zwrotu.

Eksploatacyjne straty ciepła zjeżdżalni wodnych

W trakcie eksploatacji zjeżdżalni w jej obrębie występuje bardzo silny przepływ wody umożliwiającej użytkownikowi ślizg. Żeby zapewnić odpowiednią atrakcyjność i bezpieczeństwo zjazdu, konieczne jest wypełnienie zjeżdżalni w odpowiednim stopniu. Przy typowych spadkach zjeżdżalni strumień wody przez nią przepływającej waha się w granicach od 100 do 140 m³/h. (rys.1 - schemat strat ciepła zjeżdżalni w czasie eksploatacji).

Tak duży przepływ, a co za tym idzie prędkość przepływu wpływają na znaczne obniżenie współczynnika oporu przejmowania ciepła przez wewnętrzną ściankę zjeżdżalni.

Strumień wody i zjeżdżający użytkownicy indukują znaczne strumienie powietrza wentylacyjnego „spychanego” w dół zjeżdżalni. Prędkości przepływu powietrza także nierzadko przekraczają 1,5 m/s. Również w tym przypadku współczynnik oporu przejmowania jest bardzo niski.

Tak wysokie prędkości wynikają z kilku przyczyn:

• nawiewu powietrza na przeszklenia w wieży startowej zjeżdżalni (w części obiektów stosuje się nadciśnienie),
• prądu zstępującego wynikającego z silnego schłodzenia powietrza (zarówno wywołanego statycznymi stratami ciepła, jak i nawilżania adiabatycznego spowodowanego odparowaniem wilgoci z wody),
• indukcji powietrza przez strumień wody i zjeżdżających.

Znaczny koszt energetyczny pracy zjeżdżalni wodnych związany jest również z emisją wilgoci z przepływającej wody do powietrza.

Woda, odparowując, wychładza się, powietrze nawilżone powyżej projektowej wartości musi zostać osuszone w celu zapobieżenia wykraplaniu się wilgoci na zimnych przegrodach i wywoływaniu dyskomfortu u użytkowników.

Biorąc pod uwagę, że część obiektów basenowych, zwłaszcza starszych, ma względnie proste instalacje wentylacyjne z odzyskiem o niskiej sprawności, koszt ten może również być wysoki, chociaż trudny do przeanalizowania.

Pozaeksploatacyjne straty ciepła zjeżdżalni wodnych

Straty ciepła zjeżdżalni wodnych w godzinach nocnych czy też w trakcie przerw eksploatacyjnych są często niewiele niższe niż występujące w czasie pracy. Złudne przekonanie, że przepływ powietrza w nieczynnej zjeżdżalni jest niewielki, powoduje, że często są one pomijane w analizach zapotrzebowania energetycznego. (rys.2 - schemat strat ciepła zjeżdżalni w czasie pozaeksploatacyjnym).

Prowadzone przez autorów badania obejmowały dwie zjeżdżalnie o zbliżonej długości, ale różnej wysokości, zamontowane w Oleśnickim Kompleksie Rekreacyjnym „Atol”.

W okresie nocnym, przy najniższych temperaturach powietrza zewnętrznego zaobserwowano występowanie bardzo silnego prądu zstępującego w zjeżdżalniach.

Powietrze, ochładzając się, „spływa” konwekcyjnie w dół zjeżdżalni, redukując współczynnik oporu przejmowania ciepła, tym samym intensyfikując ten przepływ. (rys.3 - schemat strat ciepła zjeżdżalni wodnej)

Występujące w takim przypadku sprzężenie dodatnie powoduje, że w okresie umiarkowanych temperatur (temperatura zewnętrzna 3°C, bezwietrzna, bezdeszczowa pogoda) strumień indukowany przez pierwszą badaną zjeżdżalnię osiągnął ok. 3000 m³/h, natomiast przez zjeżdżalnię wyższą ok. 5000 m³/h już w ciągu godziny po jej wyłączeniu. Schłodzenie powietrza w obu przypadkach wyniosło ponad 12 K, dając w sumie stratę ciepła równą prawie 28 kW.

W przypadku niższych temperatur powietrza zewnętrznego statyczne straty ciepła wynikające z jego przenikania wzrastać będą dwojako – ze względu na wzrost różnicy temperatur, a także na przyrost strumienia wentylacyjnego spowodowanego silniejszym schłodzeniem powietrza i wzmaganiem prądu konwekcyjnego.

Obecnie prowadzone są przez autorów dalsze badania, ich wyniki zostaną opisane w kolenych publikacjach.

Metoda obliczeniowa statycznych strat ciepła zjeżdżalni wodnej

Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U ścianki zjeżdżalni wodnej prowadzi się poprzez podział obwodu, a co za tym idzie również obliczanej powierzchni, na dwie strefy obliczeniowe – mokrą i suchą. Ewentualne występowanie strefy zwilżonej czasowo czy też stref przejściowych pominięto (uzasadniono to w dalszej części artykułu).

W przypadku strefy suchej występuje obustronne omywanie przegrody przez powietrze, z jednej strony zewnętrzne, dla którego przyjęto współczynnik przejmowania ciepła jak dla przegród budowlanych wg normy PN EN 12831:2006, równy Rse = 0,04 W/(m²·K).

Po wewnętrznej stronie przegrody współczynnik ten obliczono w oparciu o temperatury ścianek mierzone doświadczalnie.

Współczynnik przejmowania ciepła po stronie powietrza wyznaczono na poziomie 25 W/(m²·K). W czasie badań przy temperaturze powietrza zewnętrznego 3°C średnia prędkość przepływu powietrza w zjeżdżalni o wysokości ok. 8 m i długości 80 m wynosiła 1,38 m/s.

W przypadku strefy mokrej określono przepływ wody przez zjeżdżalnię na podstawie wysokości wypełnienia na prostym odcinku zjeżdżalni oraz punktu pracy pompy.

Współczynnik przejmowania ciepła obliczono z założeniem laminarnego przepływu wody przez zjeżdżalnie. Po stronie wody wyznaczono go na poziomie 1088 W/(m²·K). Na podstawie zdjęć termowizyjnych i badań temperatury powierzchni zewnętrznej zjeżdżalni przylgową sondą temperatury zweryfikowano obliczenia uśrednionego współczynnika przenikania ciepła U­zast = 7,54 W/(m2·K).

Powierzchnię zwilżoną oszacowano na podstawie zdjęć termowizyjnych wykonanych w Oleśnickim Kompleksie Rekreacyjnym „Atol” przy temperaturze zewnętrznej ok. 3°C.

Po analizie zdjęć wykonanych w trakcie użytkowania zjeżdżalni, w czasie zjazdu, bezpośrednio po zjeździe użytkownika i ok. 20 min później, stwierdzono, że rozchlapywanie wody przez użytkowników nie ma wpływu na szerokość części zwilżonej zjeżdżalni i może zostać pominięta w obliczeniach.

Opis metod obliczania statycznych strat ciepła oraz wyniki obliczeń zawarto w publikacji [4].

Redukcja statycznych strat ciepła zjeżdżalni w czasie eksploatacji

Ze względu na zaledwie kilkumilimetrową grubość ścianki typowej zjeżdżalni wodnej i niewielkie współczynniki przejmowania ciepła po jej wewnętrznej stronie uśredniony współczynnik przenikania ciepła przyjmuje wartość od 6 do 10 W/(m²·K) w zależności od udziału powierzchni zwilżonej.

Powierzchnia zewnętrzna typowej zjeżdżalni wodnej o długości ok. 80 m i średnicy 1 m to ok. 63 m².

Wysoka temperatura powietrza i wody wewnątrz (woda wpływająca do zjeżdżalni ma temperaturę ok. 30°C, a powietrze 32°C) powodują, że statyczne straty ciepła pojedynczej zjeżdżalni wodnej w warunkach projektowych mogą wynosić nawet ok. 120 kW.

W przypadku obiektu w II strefie klimatycznej okresu zimowego (badany obiekt) roczne zapotrzebowanie na ciepło tracone w czasie eksploatacji wynosi ok. 275 tys. kWh.

Przy wykorzystaniu wysokosprawnego kotła gazowego, który jest jednym z najczęstszych źródeł ciepła obiektów basenowych, koszt ogrzewania zjeżdżalni wodnej wynosi ok. 55 tys. zł rocznie.

W przypadku docieplenia zjeżdżalni warstwą pianki PIR, wełny mineralnej lub innego materiału termoizolacyjnego możliwe jest znaczne ograniczenie strat statycznych: zastosowanie już 5 cm pianki PIR o współczynniku λ = 0,022 W/(m·K) zmniejsza współczynnik U zjeżdżalni wodnej z ok. 10 W/(m²·K) do 0,48 W/(m²·K), straty w warunkach projektowych do ok. 4,8 kW, a roczne zapotrzebowanie na energię grzewczą do 11 300 kWh – czyli 25-krotnie!

Dużą przeszkodą jest w takim przypadku koszt dodatkowej izolacji. Chociaż cena samego materiału termoizolacyjnego nie jest bardzo wysoka, szacowany całkowity koszt docieplenia to ok. 1300–1500 zł/mb. zjeżdżalni wodnej.

W przypadku typowej 80 metrowej zjeżdżalni koszt całkowity modernizacji kształtuje się na poziomie ok. 120 000 zł, co wynika przede wszystkim z konieczności montażu dodatkowej warstwy wierzchniej zabezpieczającej materiał izolacyjny przed wpływem środowiska zewnętrznego. Warto zauważyć jednak, że czas zwrotu poniżej 2,5 lat stawia tego typu przedsięwzięcie termomodernizacyjne w gronie najszybciej się zwracających.

Trzeba zauważyć również, że obniżenie kosztów ogrzewania w czasie pracy nie jest jedyną korzyścią wynikającą z docieplenia zjeżdżalni. Również w czasie jej przestoju generowane są znaczne straty energii cieplnej, a wychłodzone, w początkowej fazie działania zjeżdżalni wręcz oblodzone ścianki znacznie obniżają komfort użytkowników.

Redukcja pozaeksploatacyjnych statycznych strat ciepła zjeżdżalni

Podstawowym źródłem strat ciepła w okresie pozaeksploatacyjnym jest zimny prąd powietrza zstępującego przez zjeżdżalnie, którego zasięg oddziaływania może wynosić nawet kilkanaście metrów. W badanym obiekcie przy temperaturze powietrza zewnętrznego ok. 3°C podmuch chłodnego powietrza (ok. 19°C przy temperaturze wewnętrznej w hali basenu na poziomie 28°C) był odczuwalny i mierzalny w odległości 15 m od wylotu zjeżdżalni.

Zwiększony przepływ powietrza przez obiekt basenowy nie tylko generuje straty ciepła, może również zwiększać emisję wilgoci i zaburzać projektowany schemat przepływu powietrza, prowadząc do zawilgocenia elementów budowlanych.

Docieplenie zjeżdżalni w przypadku obiektów istniejących i nowo projektowanych nie zawsze jest możliwe ze względów konstrukcyjnych, finansowych lub też z powodu konieczności „zaciemnienia” zjeżdżalni, co nie zawsze jest pozytywnie odbierane przez użytkowników. Szczególnie w takim przypadku należy rozważyć wprowadzenie procedury ograniczenia prądu zstępującego w okresie pozaeksploatacyjnym (nocnym).

Znaczne ograniczenie prądu zstępującego może zostać uzyskane przez zamknięcie przekroju swego rodzaju korkiem, np. z poliuretanu. „Zatkanie” przekroju zjeżdżalni redukuje straty nocne do minimum.

Procedura zakładania poliuretanowego „korka” po zakończeniu pracy zjeżdżalni generuje znaczne oszczędności, nie wpływając negatywnie na komfort użytkownika, i nie wymaga dużego nakładu inwestycyjnego.

Podsumowanie

Statyczne straty ciepła zjeżdżalni wodnych, choć często pomijane w bilansach cieplnych, mogą mieć znaczący udział w kosztach utrzymania obiektu basenowego. (Fot. Zdjęcia zjeżdżalni wodnej w basenie krytym: zdjęcia górne - termowizyjne, zdjęcia dolne - tradycyjne)

W okresie eksploatacji straty ciepła zarówno od wody, jak i od powietrza powodują nie tylko znaczne zwiększenie mocy zamówionej i wzrost kosztów eksploatacyjnych, ale też często dyskomfort użytkowników pływalni.

W okresie pozaeksploatacyjnym - pomimo braku przepływu wody - straty ciepła generowane są przez silny prąd konwekcyjny, powstający w wyniku wychłodzenia powietrza w zjeżdżalni. Strumień powietrza przepływający przez budynek może zwiększać odparowanie od spokojnego lustra wody nieużytkowanych basenów.

W celu obniżenia strat ciepła stosować można stosunkowo drogie inwestycyjnie, lecz przynoszące znaczne oszczędności eksploatacyjne docieplenia ścianek zjeżdżalni wodnych. W razie braku takiej możliwości stosowane jest zaślepianie na okres nocny otworów zjeżdżalni w celu zablokowania przepływu powietrza, a co za tym idzie zredukowania strat ciepła do minimum.

Literatura

1. Hobler T., Ruch ciepła i wymienniki, WNT, Warszawa 1979.
2. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
3. Cyba B., Czerkawska I., Stopień odparowania wilgoci z atrakcji basenowych w aspekcie całkowitych zysków wilgoci w krytym parku wodnym, „Instal” nr 12/2013.
4. Jadwiszczak P., Czerkawska I., Cyba B., Statyczne straty ciepła zjeżdżalni wodnych w obiektach parków wodnych, „Air, Heat & Energy in Buildings 2014”, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2014.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!