Parowanie wody w krytych basenach pływackich - Monitoring parowania w obiekcie rzeczywistym oraz wpływ kąpiących się osób na ilość odparowującej wody

Baseny pływackie traktowane są często jako obiekty, które na siebie nie zarabiają i przynoszą straty finansowe. Wiąże się to z wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, które spowodowane są przede wszystkim koniecznością usuwania z hal basenów krytych zysków wilgoci z parowania wody, zabezpieczeniem konstrukcji przed wykraplaniem wilgoci na ich powierzchni oraz zapewnieniem właściwych, stosunkowo wysokich w porównaniu do innych obiektów, parametrów powietrza, które są niezbędne dla komfortu cieplnego użytkowników. Wszystkie te elementy powiązane są ze sobą układem grzewczo-wentylacyjnym [3].

W artykule skupiono się na doborze zależności do obliczania ilości odparowującej wody, która w przypadku basenów pływackich jest bardzo ważna. Odpowiednio dobrana ma znaczący wpływ na zużycie energii w obiektach basenowych, gdyż decyduje o doborze wielkości urządzeń wentylacyjnych, które powodują znaczne zużycie energii [7].

Parametry powietrza w basenach pływackich

Poza wspomnianą powyżej zależnością do obliczania ilości odparowującej wody, która jest wyznacznikiem doboru strumienia powietrza wentylacyjnego, ważną kwestią jest właściwy dobór parametrów wody i powietrza, które w głównej mierze decydują o odczuciu komfortu użytkowników obiektu [2, 7].

Najważniejszymi parametrami, na które trzeba zwracać uwagę, są: temperatura wody i temperatura powietrza, wilgotność względna oraz prędkość powietrza i minimalny strumień powietrza świeżego w strefie przebywania ludzi [2].

Wyznacznikiem doboru wszystkich parametrów w obiekcie basenowym jest temperatura wody, która powinna być dostosowana do przeznaczenia basenu. Zalecane wartości temperatury przedstawiono w tabeli 1 [4].

W aspekcie parowania wody należy zwrócić uwagę na temperaturę powietrza, jego wilgotność względną oraz prędkość. Im wyższa temperatura powietrza (przy tej samej wilgotności względnej i temperaturze wody), tym intensywność parowania wody maleje, a wraz z nią obniża się zużycie energii do osuszania powietrza lub ogrzania suchego powietrza zewnętrznego, którego wówczas potrzeba mniej [4].

Zbyt duża wilgotność względna powoduje mniejszą możliwość parowania potu. Zmniejsza się również ilość ciepła oddawanego poprzez odparowywanie mimo intensywnego wydzielania potu, przy zmianie wilgotności względnej zmienia się temperatura punktu rosy, co w aspekcie konstrukcyjno-budowlanym ma duże znaczenie w kontekście ochrony przed korozją [2].

Odpowiednio dobrana prędkość powietrza ujednolica pola temperatur i rozcieńcza powstające w nim zanieczyszczenia; prędkość ta musi się zawierać w odpowiednim przedziale. Przy zbyt małej organizm się wychładza, zupełnie tego nie odczuwając; nadmierna prędkość doprowadza do odczuwania przeciągów [4].

Dobór strumienia powietrza wentylacyjnego dla krytego basenu pływackiego

Dobór wielkości strumienia powietrza wentylacyjnego powinien odbywać się według kryteriów, które są zgodne z przeznaczeniem danego obiektu [4]. Najważniejszym kryterium obowiązującym dla obiektów, w których przebywają ludzie, jest zapewnienie odpowiedniej ilości powietrza świeżego – kryterium higieniczne. Związane jest to z koniecznością usuwania zanieczyszczeń, które są emitowanie w pomieszczeniach.

Drugim kryterium, według którego można dobierać strumień powietrza wentylacyjnego, jest pokrycie strat ciepła. Obliczenia wykonywane są po uwzględnieniu bilansu cieplno-wilgotnościowego obiektu. Kryterium to jest zasadne, gdy obiekt ma wentylację centralną, która powinna nie tylko zapewnić usunięcie zanieczyszczeń i zysków wilgoci, ale również pokryć straty ciepła obiektu basenowego [6]. Kryterium to uwzględnia również bilans cieplno-wilgotnościowy niecki basenowej, zatem wyliczony na jego podstawie strumień powietrza jest wystarczający do usunięcia zysków wilgoci z parowania wody.

Jednak najważniejszym kryterium, które powinno być stosowane szczególnie w przypadku, gdy wykorzystana może być wentylacja zdecentralizowana z centralą basenową obsługującą jedynie nieckę basenową, jest możliwość usunięcia zysków wilgoci. Wyznaczanie strumienia powietrza na podstawie kryterium usuwania zysków wilgoci przedstawia równanie (1) [7]:

(1)

W równaniu (1) uwzględnia się strumień odparowującej wody m_w i różnicę zawartości wilgoci w powietrzu usuwanym z hali basenowej x_P oraz w powietrzu nawiewanym do hali basenowej x_N. Różnica zawartości wilgoci powinna być nieduża i wynosić ok. 4–5 g/kg [1].

Zależności do obliczania ilości odparowującej wody

Podstawowa zależność do obliczania ilości odparowującej wody ma postać równania (2) [8]:

  (2)

Uwzględnia ona powierzchnię niecki basenowej (powierzchnia kontaktu wody i powietrza) AB, moduł napędowy procesu parowania Δπ oraz współczynnik parowania β, który odniesiony jest do powierzchni wody.

W literaturze można znaleźć liczne zależności do wyznaczania ilości odparowującej wody w krytych basenach pływackich. Można je podzielić na te, które dotyczą spokojnego, niewzburzonego lustra wody, oraz te, w których uwzględnia się fakt, że użytkownicy basenu wzburzają wody, powodując zwiększenie powierzchni kontaktu między wodą a powietrzem, co znacząco wpływa na zwiększenie ilości parującej wody. W przypadku wszystkich tych zależności zauważyć można uwzględnienie wyszczególnionych w równaniu (2) składowych. Dodatkowo w równaniach dotyczących wzburzonego lustra wody występuje często współczynnik zwiększający.

W celu lepszego zobrazowania wyników obliczeń ilość odparowującej wody podawana będzie w przeliczeniu na 1 m² powierzchni wody.

Na potrzeby artykułu wybrano kilka zależności, w których modułem napędowym jest różnica ciśnień pary wodnej lub różnica zawartości wilgoci powietrza w stanie nasyconym (indeks pw) oraz w powietrzu o parametrach, które występują w pomieszczeniu (indeks p) – zestawiono je w tabeli 2 i tabeli 3.

Wszystkie współczynniki dobrano według zaleceń podanych w literaturze dla basenów sportowych, których obłożenie rzadko kiedy jest pełne. W celu porównania wyników obliczeń przy zastosowaniu zależności wyszczególnionych w tabeli 2 i tabeli 3 przyjęto założenia, które są zgodne z zaleceniami dotyczącymi basenów sportowych – zestawiono je w tabeli 4.

Wyniki obliczeń dla stanu niewzburzonej powierzchni wody przedstawia rys. 1, natomiast dla wzburzonej powierzchni wody rys. 2.

W literaturze można znaleźć rekomendacje stosowania konkretnych zależności. Autorzy [7] rekomendują stosowanie zależności Shaha (równania (4) i (8) w tabeli 2 i tabeli 3), ponieważ daje ona niskie wartości. Wytyczne amerykańskie rekomendują zależność Carriera (równania (3) i (7)), niemieckie – zależności VDI (równania (5) i (9)), natomiast producent central wentylacyjnych zastosowanych w obiekcie rzeczywistym, dla którego przeprowadzono monitoring parametrów powietrza, rekomenduje zależność Biasin & Krumme (równanie (10)).

Wyznaczenie ilości odparowującej wody w obiekcie rzeczywistym

W celu wyznaczenia ilości odparowującej wody przeprowadzono pomiary i obserwacje w obiekcie rzeczywistym, którym był basen zlokalizowany w Poznaniu. Hala basenu sportowego w tym obiekcie ma wentylację zdecentralizowaną, w której wydzielona jest strefa niecki basenowej.

W ramach pomiarów zamontowano czujniki wilgotności względnej oraz temperatury w kanale nawiewnym i wywiewnym przy centralach wentylacyjnych, które obsługują jedynie strefę niecki basenowej. Czujniki oraz ich lokalizację przedstawia fot. 1.

Do pomiarów wykorzystano miernik i rejestrator Almemo 2890-9. Do rejestratora podłączono pojemnościowe czujniki wilgotności do pomiarów stacjonarnych typu FHA646-E1C. Zakres pomiarowy czujników w zakresie wilgotności względnej wynosi 0–100% ±2% w temperaturze nominalnej 25°C, natomiast w zakresie temperatury 0–70% dokładność pomiaru to ±0,1°C.

Parametry projektowe dotyczące wody i powietrza w hali basenowej oraz central basenowych zestawiono w tabeli 5.

Oprócz pomiarów temperatury i wilgotności względnej wykorzystano również pomiary z systemu BMS obiektu – strumienia powietrza dla każdej z dwóch central wentylacyjnych.

W celu wyznaczenia wpływu kąpiących się osób przeprowadzono obserwację ich liczby w basenie z częstotliwością pięciominutową. Z uwagi na charakter obiektu, czyli możliwość swobodnego przemieszczania się między strefami obiektu oraz dowolne godziny rozpoczynania pływania, w liczbie pływających osób występują wahania.

Analizując wyniki otrzymane z pomiarów, stwierdzono, że w obiekcie rzeczywistym występują rozbieżności w stosunku do wartości projektowych. W celu porównania wyników otrzymanych z zależności literaturowych z wartościami wyznaczonymi w obiekcie rzeczywistym przyjęto parametry wody i powietrza według tabeli 6.

Przekształcając równanie (1), wyznaczono ilość odparowującej wody w obiekcie rzeczywistym dla kilku dni z rzędu. Uzyskane wyniki przedstawiono na rys. 3. Dodatkowo na wykres nałożono wartości, które zostały wyznaczone zależnościami rekomendowanymi przez autorów [7], czyli zależnością Shaha, która daje najmniejsze wartości, oraz zależnością VDI, która daje wyniki zbliżone do średniej, w celu ich porównania. Dzień, czyli gdy powierzchnia wody jest wzburzona, przypada na godziny 6:00–23:00, natomiast noc na 23:00–6:00.

Korzystając z własnych obserwacji dotyczących liczby osób przebywających w wodzie oraz wykorzystując zależności, które również wykorzystują tę liczbę do określenia ilości odparowującej wody [równania (8) i (10)], na wykresie (rys. 4) pokazano wyniki obliczeń. Obserwację liczby osób przeprowadzono dla dwóch okresów – rano, gdy obiekt użytkowany jest przez małą liczbę osób, oraz po południu, gdy obłożenie jest większe. W obydwu okresach liczba użytkowników jest zdecydowanie mniejsza niż projektowane 120 osób, wynosiła średnio odpowiednio 32 i 60 osób.

Wyliczenia uzyskane za pomocą obydwu zależności [równania (8) i (10)] dają zbliżone wyniki. Ilość odparowującej wody przy uwzględnieniu zaobserwowanej liczby osób jest również porównywalna i zdecydowanie niższa niż dla stanu projektowanego. Zależność Biasin & Krumme [równanie (10)] jest rekomendowana przez producenta central wentylacyjnych. Dobiera się na jej podstawie nominalny strumień powietrza.

W okresie popołudniowym wartości obliczone oraz wyznaczone dla obiektu rzeczywistego są bardziej zbliżone niż w okresie porannym. Wynika to z faktu, że oprócz większej liczby osób po południu większa była również intensywność ich pływania. Do godziny 18:30 odbywał się na basenie trening pływaków wyczynowych, którzy powodują znaczne wzburzenie wody, co zwiększa intensywność odparowywania [5].

Wnioski

Przedstawione analizy kilku dostępnych w literaturze wzorów do obliczeń ilości odparowującej wody pokazują, że stosując różne wzory, otrzymujemy znaczne różnice w wynikach. Wahania te wynoszą 75–85%. Obliczając na tej podstawie strumień powietrza wentylacyjnego, można otrzymać rozbieżności również tego rzędu.

Zastosowanie zależności, która da zawyżone wyniki, skutkować będzie przewymiarowaniem centrali wentylacyjnej, co spowodować może gorszą pracę urządzenia. Ponieważ w Polsce brakuje ścisłych wytycznych dotyczących stosowania którejś z zależności, panuje w tej kwestii duża dowolność.

Pomiary i obserwacje w obiekcie rzeczywistym wykazały, że wyznaczona ilość odparowującej wody w obiekcie rzeczywistym jest znacznie mniejsza niż jakakolwiek wartość otrzymana zależnościami literaturowymi. Wynikać to może oczywiście z faktu, że frekwencja osób na basenie była zdecydowanie niższa od projektowej. Jednak nawet wartości obliczone zależnościami, które uwzględniają liczbę osób kąpiących się zgodną z liczbą zaobserwowaną, dają wartości zawyżone. Są to jednak wyniki bardziej zbliżone do wartości wyznaczonych dla obiektu rzeczywistego.

Wartości zaobserwowane w obiekcie rzeczywistym oraz obliczone zależnościami literaturowymi zbliżają się w nocy, czyli w okresie występowania niewzburzonej powierzchni wody. Jest to stan łatwiejszy do uzyskania w warunkach laboratoryjnych, można zatem przypuszczać, że zależności te (równania (3–6)) dają wyniki bliskie rzeczywistości, co potwierdzają wartości wyznaczone da obiektu rzeczywistego dzięki monitoringowi parametrów powietrza w centrali wentylacyjnej.

W przypadku zależności do obliczania ilości odparowującej wody przy jej wzburzonym lustrze rozbieżności są znaczne. Można zatem stwierdzić, że przy projektowaniu konieczne jest stosowanie zależności uwzględniających liczbę kąpiących się osób. Można również wziąć pod uwagę fakt, że obiekty basenowe często nie są wykorzystywane w pełni, zatem stosowane powszechnie zależności powodują przewymiarowanie instalacji wentylacyjnej.

Żeby zweryfikować prawdziwość twierdzenia, że do obliczeń powinno się stosować zależności uwzględniające liczbę kąpiących się osób, należy przeprowadzić dłuższe obserwacje połączone z monitoringiem parametrów powietrza w więcej niż jednym obiekcie basenowym.

Artykuł opracowano na podstawie referatu zamieszczonego w materiałach konferencyjnych II Studenckiej Konferencji Ogólnobudowlanej BUDMIKA 2015, Poznań, 22–24 kwietnia 2015

Literatura

1. Besler G.J., Wentylacja krytych basenów kąpielowych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 5/1972.
2. Czerkawska I., Cyba B., Nocne obniżenia temperatury w halach basenowych, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2014.
3. Isiańska-Ćwiek A., Napiórkowska A., Ograniczenie zużycia energii w systemach wentylacyjnych krytych basenów kąpielowych, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2008.
4. Jaskólski M., Micewicz Z., Wentylacja i klimatyzacja hal krytych pływalni, IPPU MASTA 2000, Gdańsk 2000.
5. Ratajczak K., Szczechowiak E., Energy Efficient HVAC System in the Indoor Swimming Pool Facilities, CLIMA 2013, Proceedings of 11th REHVA World Congress & 8th International Conference on IAQVEC „Energy Efficient, Smart and Healthy Building”, 16–19.06.2013, Praha.
6. Ratajczak K., Szczechowiak E., Rozdział powietrza w krytych basenach pływackich dla układu centralnego i zdecentralizowanego, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2015.
7. Ratajczak K., Szczechowiak E., Wpływ przepływu powietrza na parowanie i straty konwekcyjne w krytych basenach kąpielowych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 4/2010.
8. Sabiniak H.G., Pietras M., Wymagania stawiane instalacjom klimatyzacyjnym w halach basenowych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 1/2005.
9. Shah M.M., Calculating evaporation from indoor water pools, „Heating Piping Air Conditioning Engineering” Vol. 76, No. 3/2004.
10. Więcek K., Wentylacja hal basenowych. Obliczenia wg znowelizowanych wytycznych VDI 2089, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2008.
11. http://dan-poltherm.pl/wp-content/uploads/2014/11/Katalog-Basenowy-Dantherm-PL.pdf.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!