Wentylacja hal basenowych

Cele stosowania wentylacji

Do zadań wentylacji hal basenowych należą:

• zapewnienie odpowiedniego komfortu cieplnego osobom przebywającym w obiekcie;
• zapewnienie bezpieczeństwa konstrukcji obiektu, poprzez obniżanie ryzyka negatywnego wpływu wilgoci i środków dezynfekcyjnych na elementy konstrukcyjne budynku;
• odprowadzanie zanieczyszczeń powietrza.

Osiągnięcie powyższych celów jest możliwe wyłącznie wtedy, gdy instalacja wentylacji została prawidłowo zaprojektowana i wykonana oraz, co równie istotne, jest prawidłowo eksploatowana. Wielkości charakteryzujące jakość powietrza

Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi stan powietrza, również powietrza w hali basenowej, są [1]: temperatura, wilgotność, czystość i skład chemiczny powietrza. Wszystkie te wielkości oraz ich wzajemna korelacja w znaczący sposób wpływają na samopoczucie osób przebywających w obiekcie.

Niewłaściwa temperatura powietrza w hali basenowej czy nieodpowiednio ukierunkowany przepływ powietrza mogą być przyczyną nieprzyjemnych doznań użytkowników, takich jak odczuwanie duszności lub wychłodzenia. Zbyt wysokie wartości wilgotności i temperatury powietrza powodują natomiast uczucie „parnego” powietrza.

Wilgotność powietrza – zawartość wilgoci i punkt rosy

Ilość pary wodnej zawartej w powietrzu zmienia się w zależności od ciśnienia i temperatury i jest tym większa, im wyższa jest temperatura i im niższe ciśnienie. Powietrze atmosferyczne zawsze zawiera pewną ilość pary wodnej, ale w danej objętości powietrza nie może ona przekroczyć wielkości maksymalnej, która zależy od temperatury oraz ciśnienia. Największa możliwa zawartość pary wodnej w powietrzu odpowiada stanowi, w którym ciśnienie cząstkowe pary wodnej jest równe ciśnieniu nasycenia – rys. 1.

Podczas przemian i procesów cieplno-wilgotnościowych masa powietrza nie ulega zmianie, może się natomiast zmieniać zawartość wilgoci. Ilość pary wodnej zawartej w powietrzu może być przedstawiona jako wilgotność właściwa, stopień nasycenia, wilgotność bezwzględna lub, najczęściej podawana, wilgotność względna powietrza.

Zawartość wilgoci w powietrzu, inaczej nazywana wilgotnością właściwą, jest podstawową wielkością charakteryzującą stan powietrza wilgotnego. Wilgotność właściwa x definiowana jest następująco:

(1)

gdzie:
m_w – masa wody zawartej w powietrzu, kg;
m_p – masa powietrza suchego, kg.

Wilgotność właściwa oznacza masę wody zawartej w 1 kg powietrza suchego, a więc zawartej w (1 + x) kg powietrza wilgotnego. Masa powietrza wilgotnego m_pw jest sumą masy powietrza suchego i masy wody zawartej w powietrzu:

(2)

Stopień nasycenia Ψ definiowany jest jako stosunek zawartości wilgoci w powietrzu wilgotnym w danej temperaturze do zawartości wilgoci w powietrzu nasyconym o tej samej temperaturze i ciśnieniu:

(3)

gdzie:
x – wilgotność właściwa powietrza wilgotnego,
x_n – wilgotność właściwa powietrza nasyconego w tych samych warunkach.

Wilgotność bezwzględna ρ_w jest stosunkiem masy pary wodnej zawartej w powietrzu do objętości zajmowanej przez wilgotne powietrze:

(4)

gdzie:
ρ_w – wilgotność bezwzględna, kg/m³;
m_w – masa wilgoci zawartej w powietrzu, kg;
V – objętość powietrza wilgotnego, m³.

Gęstość powietrza jest tym mniejsza, im więcej powietrze zawiera pary wodnej, co oznacza również, że powietrze wilgotne jest lżejsze od powietrza suchego. W przybliżonych obliczeniach wentylacji można przyjąć następujące wartości gęstości powietrza:

• 1,2 kg/m³ dla temperatur powyżej 0°C,
• 1,3 kg/m³ dla temperatur poniżej 0°C.

Wilgotność względna j definiowana jest następująco:

(5)

gdzie:
ρ_w – wilgotność bezwzględna powietrza wilgotnego,
ρ_w" – wilgotność bezwzględna powietrza nasyconego w tych samych warunkach,
p_w – ciśnienie cząstkowe pary wodnej zawartej w powietrzu,
p_w" – ciśnienie cząstkowe nasycenia w tych samych warunkach.

Wilgotność względną zazwyczaj podaje się w postaci procentowej. Wielkość ta wskazuje na zdolność powietrza do pochłaniania wilgoci z otoczenia w danej temperaturze. W powietrzu nasyconym para wodna znajduje się w stanie suchym nasyconym, a w powietrzu nienasyconym – w stanie przegrzania. Gdy wilgotność względna powietrza jest mniejsza od jedności, oznacza to, że para wodna zawarta w powietrzu jest parą przegrzaną [1].

Do celów technicznych zależność pomiędzy zawartością wilgoci i ciśnieniem cząstkowym można wyrazić wzorem:

(6)

gdzie:
p – ciśnienie bezwzględne powietrza wilgotnego,
p_w – ciśnienie cząstkowe pary wodnej,
p_s – ciśnienie pary nasyconej suchej,
φ – wilgotność względna powietrza

Jak można zauważyć, przy danym ciśnieniu powietrza wilgotnego p, zawartość wilgoci zależy wyłącznie od ciśnienia cząstkowego pary wodnej p_w. Parametr ten jest niekiedy nazywany stopniem zawilżenia powietrza. W pobliżu stanu nasycenia (punktu rosy) różnica pomiędzy stopniem nasycenia Ψ a wilgotnością względną powietrza φ jest pomijalna.

Gdy ciśnienie cząstkowe p_w osiągnie wartość ciśnienia nasycenia odpowiadającego danej temperaturze, wówczas masa wody zawartej w powietrzu jest największa. Zawartość wody w stanie nasycenia można obliczyć ze wzoru:

(7)

Punkt rosy oznacza stan dla takiej temperatury powietrza, dla której ciśnienie cząstkowe pary wodnej zawartej w powietrzu jest równe ciśnieniu nasycenia pary. W przypadku dalszego obniżania temperatury powietrza nastąpi wykraplanie się wilgoci, zatem jest to stan, od którego rozpoczyna się skraplanie pary (w powietrzu tworzy się mgła) [1].

Ze względu na ochronę elementów konstrukcyjnych i wykończeniowych zaleca się zazwyczaj utrzymywanie wilgotności względnej powietrza w zakresie od 40 do 65%. Krótkotrwałe przekroczenia są dopuszczalne, ale tylko pod warunkiem, że nie wpłyną niekorzystnie na elementy konstrukcyjne obiektu i nie spowodują ich uszkodzenia.

W naszych warunkach klimatycznych zbyt wysoka wilgotność powietrza w hali może się pojawić w okresie letnim, gdyż w tym czasie zawartość wilgoci w powietrzu doprowadzanym do pomieszczenia jest wyższa niż dla okresu zimowego. Z tego powodu w obliczeniach projektowych konieczne jest uwzględnienie zarówno okresu lata, jak i zimy. Na dobór mocy urządzeń mają wpływ niskie temperatury powietrza zewnętrznego.

Temperatura oraz przepływ powietrza

W halach basenowych dla utrzymania komfortu cieplnego użytkowników zaleca się zazwyczaj temperaturę 30–34°C (tabela 1), co jest związane z tzw. średnią temperaturą skóry człowieka, która w stanie komfortu cieplnego wynosi ok. 33,5–34°C. W przypadku mężczyzn temperatura ta może być nieco niższa i wynosić ok. 28°C. W celu ograniczenia zjawiska odparowywania wody w basenie jej temperatura powinna być nieco niższa niż temperatura powietrza otaczającego – zazwyczaj wynosi ok. 26–28°C. Zalecana różnica temperatury pomiędzy powietrzem wewnętrznym a temperaturą wody nie powinna być mniejsza niż 1°C (proponowany jest często przedział 1–2°C).

Jednym z rozwiązań wentylacji nawiewnej jest stosowanie tzw. szyn szczelinowych, których zadaniem jest równomierny rozpływ powietrza wzdłuż ścian i okien. Nawiewanie ciepłego powietrza przy powierzchni okien i ścian zewnętrznych przeciwdziała wykraplaniu się wilgoci na ich powierzchniach. Zapobiega to również przemieszczaniu się chłodnego powietrza wzdłuż posadzki i ochładzaniu jej.

Należy unikać przepływu powietrza nad powierzchnią lustra wody, gdyż intensyfikuje to parowanie. Zwiększone parowanie wody występuje przy falowaniu lustra niecki i rozbryzgiwaniu wody. Usuwanie powietrza powinno się odbywać wówczas z przeciwległej strony hali – wywiewniki umieszcza się po przeciwległej stronie nawiewów. Miejsca wywiewu powietrza powinny być zlokalizowane w obszarach największego nagromadzenia wilgoci i zanieczyszczeń powietrza, co zwiększa skuteczność działania wentylacji.

Prędkość przepływu powietrza w strefie pływania nie powinna być na ogół większa niż 0,4 m/s, chociaż w literaturze można się spotkać z informacją, że w Stanach Zjednoczonych stosowano prędkości dochodzące nawet do 0,8 m/s. Z kolei według rosyjskich wymagań budowlanych w strefie pływania prędkość przepływu powietrza nie powinna być większa niż 0,2 m/s [2] – wartość ta jest bliższa standardom stosowanym w Europie. Zbyt wysokie prędkości powietrza przepływającego w strefie przebywania ludzi powodują gwałtowne odparowywanie wody z ich ciał, tym samym przepływające powietrze wychładza organizm, co może być przyczyną odczuwania chłodu oraz wpływać na zwiększoną liczbę przeziębień wśród użytkowników obiektu. Z kolei długie przebywanie w hali basenowej trenerów pływania może stanowić dla nich uciążliwość i wpływa na pogorszenie odczuwania przez nich komfortu cieplnego.

Według ASHRAE Standard 62-2001 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality strumień powietrza wentylacyjnego powinien wynosić nie mniej niż 2,5 l/m² powierzchni basenu [5]. Stosowane krotności wymian wynoszą na ogół 4–6 wymian h–1 dla basenów rekreacyjnych, a w basenach sportowych mogą osiągać nawet 10 wymian h–1. W basenach szkolnych stosowana krotność wymian powietrza wynosi ok. 3,5 h-1, a im mniejszy obiekt, tym krotność ta powinna być większa. Zalecana w literaturze ilość powietrza recyrkulacyjnego pozwalająca ograniczyć koszty eksploatacyjne nie powinna być na ogół większa niż 30%.

Projektowanie i eksploatacja

Podczas projektowania obiektów basenowych projektanci bardzo często korzystają z wytycznych innych krajów, np. Niemiec czy Stanów Zjednoczonych. Projektując jednak nowy obiekt basenowy, konieczne jest indywidualne podejście i dokładne przeanalizowanie wszystkich aspektów użytkowych i funkcjonalnych obiektu.

Zazwyczaj nie stosuje się dublowania instalacji wentylacyjnych ze względu na wysokie koszty oraz ograniczoną przestrzeń techniczną. Zastosowanie znajduje rozwiązanie, w którym wentylację hali basenowej zapewniają np. dwie mniejsze centrale wentylacyjne obsługujące wybrane strefy.

Przy obliczaniu obciążenia wilgocią należy wziąć pod uwagę odparowywanie wody z:

• powierzchni lustra niecki basenowej,
• rynien przelewowych i powierzchni podłogi,
• powierzchni ciała osób przebywających w obiekcie (a także ilość pary wodnej przez nich wydychanej i odparowującej z odzieży wierzchniej),
• atrakcji wodnych, takich jak np. zjeżdżalnie wodne, bicze, masaże lub jacuzzi.

Zalecana temperatura wody w basenie zależy od jego przeznaczenia, np. dla basenu sportowego zalecana temperatura wody wynosi 24–28°C, dla basenu dla dzieci 28–32°C, a dla basenu rekreacyjnego 26–30°C. Temperatura wody basenowej jest punktem wyjścia do dalszych obliczeń. Istotne z punktu widzenia doboru wentylacji jest przyjęcie odpowiedniego współczynnika parowania wody, który jeżeli będzie zbyt mały, może sprawić, że zyski wilgoci nie będą odbierane, natomiast za duży wpłynie na zbytnie przewymiarowanie instalacji wentylacyjnej. Niestety, dokładne obliczenie ilości odparowanej wody jest bardzo trudne, gdyż zależy od wielu czynników. Często korzysta się więc ze współczynników empirycznych. Według [4] ilość odparowanej wody do powietrza o zawartości wilgoci x przepływającego nad jej lustrem określa w przybliżeniu zależność:

(8)

gdzie:
σ – współczynnik parowania (liczba parowania), kg/(m²h); w przypadku krytych pływalni przyjmuje się: dla wody spokojnej σ = 10, przy umiarkowanym ruchu wody σ = 20, przy burzliwym ruchu wody σ = 30;
x_n – zawartość wilgoci w powietrzu nasyconym o temperaturze równej temperaturze wody, kg/kg;
x – zawartość wilgoci w powietrzu przepływającym nad lustrem wody, kg/kg.

Przykładowy wzór na obliczenie emisji wilgoci ze swobodnego zwierciadła wody [3]:

(9)

gdzie:
w – prędkość powietrza przepływającego nad zwierciadłem wody, m/s;
p_w” – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w warstwie granicznej przy stanie nasycenia i temperaturze powierzchni wody tpc, hPa;
p_w – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, w którym zachodzi parowanie, hPa;
A – powierzchnia lustra wody w zbiorniku, m²;
p_b – ciśnienie barometryczne, hPa;
a – współczynnik zależny od temperatury powierzchni wody.

Intensywność parowania wody w hali basenowej zależy głównie od powierzchni lustra wody niecki basenowej, powierzchni zwilżonych posadzek, wzajemnej relacji temperatury wody i powietrza, prędkości przepływu powietrza nad lustrem wody, zainstalowanych atrakcji wodnych, liczby i aktywności kąpiących się osób. W normie VDI 2089 [6] podano zarówno wzory, jak i współczynniki obliczeniowe dotyczące wielkości odparowania wody. Przykładowe obliczenie ilości powietrza wentylacyjnego w hali basenowej ze względu na zyski wilgoci:

(10)

a) basen pływacki o powierzchni A = 400 m², tp = 30°C, φ = 60%, t_w = 28°C:

e – współczynnik parowania; basen publiczny z normalnym użytkowaniem: 20, –;
p_B – ciśnienie pary wodnej nasyconej w temperaturze wody, p_B = 37,8 mbar;
p_L – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, p_L = 25,5 mbar:

b) basen do nauki pływania o powierzchni A = 156 m², t_p = 30°C, φ = 60%, t_w = 30°C:

e – współczynnik parowania; basen publiczny z normalnym użytkowaniem: 15, –;
p_B – ciśnienie pary wodnej nasyconej w temperaturze wody, p_B = 42,4 mbar;
p_L – ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu, p_L = 25,5 mbar:

W obliczeniach cieplno-wilgotnościowych należy wziąć pod uwagę:

• zyski ciepła i wilgoci od zachodzących procesów technologicznych,
• zyski ciepła od urządzeń elektrycznych i oświetlenia,
• zyski wilgoci ze zbiorników wodnych i rozwiązań technicznych stosowanych na basenie,
• zyski ciepła i wilgoci od ludzi,
• zyski ciepła od nasłonecznienia (przez przegrody przezroczyste i nieprzezroczyste).

Określenie ilości powietrza wentylacyjnego w zależności od obciążenia cieplnego lub obciążenia wilgocią [1]:

a) obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego na podstawie zysków ciepła jawnego:

(11)

gdzie:
Q – zyski mocy cieplnej w pomieszczeniu, kW;
c_p – średnie ciepło właściwe powietrza wilgotnego, kJ/(kgK);
∆t – różnica temperatury pomiędzy powietrzem wywiewanym a nawiewanym, K;
ρ_w – gęstość powietrza wilgotnego, kg/m3;

b) obliczanie ilości powietrza wentylacyjnego na podstawie zysków wilgoci:

(12)

gdzie:
W – strumień pary wodnej generowany w pomieszczeniu, kg/h;
x_w – zawartość wilgoci w powietrzu wywiewanym, kg_pary/kg_{powietrza suchego};
x_n – zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym, kg_pary/kg_{powietrza suchego};
ρ_w – gęstość powietrza wilgotnego, kg/m³.

W przypadku basenów przyjmuje się zazwyczaj, że minimalna ilość powietrza zewnętrznego wynosi 10 m³/h na 1 m² powierzchni basenu. W przypadku pomieszczeń, w których znajdują się zbiorniki wodne lub w których powierzchnie są zwilżane, przed przystąpieniem do obliczeń ilości powietrza wentylacyjnego należy wykonać obliczenia ilości wody odparowującej do powietrza w tych pomieszczeniach.

Istotnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas projektowania wentylacji obiektu basenowego, jest odpowiednie rozprowadzenie powietrza w pomieszczeniu. Para wodna zawarta w powietrzu wykrapla się na powierzchniach przede wszystkim w miejscach, gdzie powietrze jest nieruchome. Należy tu zaznaczyć również, że przepływ przez powierzchnie zagrożone zawilgoceniem jest wskazany, jednak przepływ powietrza nad niecką basenu wzmaga parowanie wody z basenu.

Mając to na uwadze, konieczne jest stosowanie takich rozwiązań rozdziału powietrza w pomieszczeniu, które zapewnią, że konstrukcja obiektu nie ulegnie zawilgoceniu, a ilość odparowanej wody z lustra niecki basenowej będzie możliwie najmniejsza.

Para wodna zawarta w powietrzu może w odpowiednich warunkach przenikać przez przegrodę budowlaną. W przypadku gdy ciśnienie cząstkowe pary wodnej powietrza zewnętrznego nie jest równe ciśnieniu cząstkowemu pary wodnej powietrza wewnętrznego, w wyniku tej różnicy zachodzi dyfuzja pary wodnej przez przegrodę. Intensywność tej dyfuzji zależy od porowatości przegrody, a więc od rodzaju materiału, z którego jest wykonana, i od szczelności zamkniętej przestrzeni.

Różnica ciśnienia pomiędzy obiektem a otoczeniem zewnętrznym powinna utrudniać możliwość wnikania wilgoci w elementy konstrukcyjne, co oznacza, że w obiekcie powinno występować lekkie podciśnienie. Ze względów ochrony konstrukcji budynku temperatura punktu rosy nie powinna występować w sposób ciągły w żadnym punkcie budynku.

Materiały stosowane do wykonania central i instalacji wentylacyjnych powinny być odporne na działanie wilgoci i stosowanych środków dezynfekcyjnych, zarówno zapobiegających rozwojowi mikroorganizmów w wodzie basenowej, jak i stosowanych do dezynfekcji centrali podczas jej konserwacji. Z uwagi na zwiększone ryzyko rozwoju mikroorganizmów (grzyby, bakterie) istotną rolę odgrywa utrzymanie instalacji w czystości. Jej niewłaściwy stan higieniczno-sanitarny może być przyczyną rozwoju m.in. bakterii Legionella. Przewody wentylacji przechodzące przez pomieszczenia mokre powinny być zabezpieczone antykorozyjnie i pomalowane farbą odporną na wilgoć. Instalacja wentylacji basenowej powinna podlegać stałej kontroli technicznej, a wszelkie nieprawidłowości jej pracy powinny być natychmiast usuwane.

Znaczący koszt utrzymania tego typu obiektów wymusza podejmowanie działań mających na celu ograniczanie wydatków. Niestety można zauważyć, że podejmowane przez eksploatatorów działania są często niekoniecznie zdroworozsądkowe.

Bywa niekiedy, szczególnie w obiektach nadzorowanych przez osoby o niewielkiej wiedzy merytorycznej w zakresie wentylacji obiektów basenowych, że zamiast skupić się na ograniczaniu strat i wprowadzaniu rozwiązań niepogarszających stanu technicznego budynku, wybierają one rozwiązania przynoszące doraźne oszczędności, ale w dłuższym okresie zwiększające koszty eksploatacyjne. Przykładem może być wyłączanie wentylacji z użytkowania czy obniżanie temperatury w hali. Obniżanie temperatury powietrza w hali basenowej w godzinach nocnych skutkuje wzrostem odparowania wody, co jest niekorzystne.

Z uwagi na duże wydajności instalacji wentylacji basenowych (są to często wartości większe niż kilka, a nawet kilkanaście tysięcy m³/h) warto w nich zastosować urządzenia i elementy do odzyskiwania energii cieplnej i zastanowić się nad wykorzystaniem częściowej recyrkulacji powietrza, np. wg normy VDI 2089 [6] podczas godzin nocnych dopuszczalne jest stosowanie recyrkulacji. Recyrkulacja jest szczególnie wskazana dla sezonu zimowego, bo można dzięki niej zmniejszyć koszty związane z dogrzewaniem powietrza zewnętrznego.

Podsumowanie

Czynnikami mogącymi powodować pogorszenie stanu technicznego obiektu basenowego są wilgoć zwiększająca ryzyko korozji oraz działające żrąco na materiały środki stosowane do dezynfekcji wody. W halach basenowych należy stosować materiały o wysokiej izolacyjności (m.in. szyby okienne), a ciepły nawiew omywający ich powierzchnię powinien skutecznie minimalizować ryzyko występowania kondensacji pary wodnej na ich powierzchni.

Głównym problemem projektanta oraz eksploatatora takiego obiektu jest zapewnienie komfortu jego użytkownikom i bezpieczeństwa użytkowania. Zastosowanie wentylacji mechanicznej lub klimatyzacji ma decydujący wpływ ma mikroklimat hali basenowej, a brak prawidłowej wentylacji pogarsza komfort użytkowania oraz stan higieniczno-sanitarny obiektu, sprzyja rozwojowi zanieczyszczeń mikrobiologicznych, jest przyczyną intensyfikacji procesów korozyjnych.

Tylko dobrze zaprojektowana instalacja i właściwie prowadzona jej eksploatacja może zapewnić osiągnięcie zadanych parametrów.

Literatura

1. Kaiser Krzysztof, Wentylacja i klimatyzacja. Wymagania prawne, projektowanie, eksploatacja, Wyd. Masta, Gdańsk 2015.
2. Kalinina Anna, Mechanical ventilation system in swimming-pools, Mikkeli University of Applied Sciences, February 2011.
3. Pełech Aleksander, Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2008.
4. Recknagel Hermann, Sprenger Eberhard, Hönmann Winfried, Schramek Ernst-Rudolf, Ogrzewanie + klimatyzacja. Poradnik, Wydanie 1, EWFE, Gdańsk 1994.
5. ASHRAE Standard 62-2001 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.
6. VDI 2089. Blatt 1. Wärme-, Raumlufttechnik, Wasserverund -entsorgung in Hallen- und Freibädern. Hallenbäder; VDI 2089. Blatt 1:2010-01 Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern. Hallenbäder.
7. https://wentylacja.com.pl/news/obliczenia-wentylacji-hal-basenowych-w-oparciu-o-zaktualizowane-wytyczne-zrzeszenia-inzynierow-niemieckich-vdi-2089-37583.html (dostęp: 31.01.2020).