5. Modelowanie stanów termicznych układów HVAC dla basenów krytych
5.1. Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej
5.1.5. Wyniki obliczeń bilansu cieplno-wilgotnościowego dla wybranych typów
Na bilans cieplny hali basenowej wpływ ma jej wielkość oraz powierzchnia przeszkleń. Im większa hala basenowa i więcej okien, tym większe będą straty ciepła przez przenikanie. Im większe przeszklenie, tym większy też wpływ promieniowania słonecznego w ogólnym bilansie hali. W przykładach konstrukcji basenów pokazano kilka typów obiektów, które najczęściej można spotkać w Polsce.
Basen typu I reprezentuje obiekty z dużą powierzchnią przeszkleń. Hala basenowa ma 2 ściany zewnętrzne. Basen typu II ma dach skośny przeszklony. Basen typu III ma duże trybuny, więc charakteryzuje się dużą kubaturą wewnętrzną. Basen typu IV jest obiektem niewielkim, hotelowym, który charakteryzuje się tym, że ma niewielką powierzchnię przegród zewnętrznych.
Z tabeli 5.1. wynika, że niezależnie od rodzaju basenu powierzchnia posadzek wokół niecki basenu wynosi około 40% powierzchni basenu.
Im więcej powierzchni przeszklonych w obiekcie, tym większy jest średni współczynnik przenikania ciepła hali basenowej. W wybranych typach największe współczynniki Uśr występują dla typu II, w którym powierzchnia okien stanowi odpowiednio 65% powierzchni przegród zewnętrznych.
Powierzchnia przegród zewnętrznych w wybranych typach jest od 2,5 do 4,5 razy większa od powierzchni wody basenowej.
Tab. 5.1. Zestawienie konstrukcji basenów różnych typów
Typ obiektu basenowego I II III IV
Powierzchnia niecki basenowej AB [m2B] 300 325 350 110
Powierzchnia okien AOK [m2] 210 660 250 80
Powierzchnia wszystkich przegród zewnętrznych AZ [m2] 1080 1005 1500 290
Powierzchnia podłogi AF [m2] 200 230 250 70
Kubatura wewnętrzna Vi [m3] 3900 2900 5300 520
Współczynnik przenikania ciepła okien* UOK [W/(m2K)] 1,3 1,3 1,3 1,3 Współczynnik przenikania ciepła pozostałych
przegród* UZ [W/(m2K)] 0,25 0,25 0,25 0,25
Średni współczynnik przenikania ciepła Uśr [W/(m2K)] 0,45 0,94 0,43 0,54 Współczynnik strat ciepła przez przenikanie HTR [W/K] 490 947 637 155 Współczynnik strat ciepła na infiltrację HVE,inf [W/K] 260 193 353 35 Sumaryczny współczynnik strat ciepła HTR+VE [W/K] 750 1140 990 190
* wariant a wg tab. 4.1.
Obliczenia wykonane w tabeli 5.2. zakładają, że obudowa budynku charakteryzuje się współczynnikami ciepła obowiązującymi od roku 2014 [100], zestawionymi w tabeli 4.1. dla typu a. Przyjmując współczynnik start ciepła przez przenikanie i na infiltrację dla obiektu typu I, z parametrami obudowy zewnętrznej typu a, obliczono różnice, jakie wystąpią, przyjmując parametry typu a (lepsze od obowiązujących) oraz b (gorsze od obowiązujących) i zestawiono w tabeli 5.2.
Tab.5.2. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie i na infiltrację dla różnych parametrów obudowy zewnętrznej
Przyjmując lepsze lub gorsze parametry obudowy zewnętrznej niż obowiązujące na rok 2015, można zmniejszyć lub zwiększyć współczynnik strat ciepła o około 25%.
W związku z tym do dalszych obliczeń przyjmowany będzie basen o parametrach typu a.
Dla każdego typu obiektu basenowego obliczono straty ciepła w warunkach obliczeniowych dla Poznania, czyli przy tZ=-18oC i, zestawiono je w tabeli. Dodatkowo, przyjmując, że można zastosować jako dodatkowe źródło ciepła ogrzewanie podłogowe, obliczano moc tego ogrzewania, biorąc pod uwagę: moc jednostkową równą 40W/m2, która powinna zapewnić temperaturę powierzchni podłogi na poziomie 34oC, oraz powierzchnię podłogi zależną od typu obiektu. Moc ogrzewania podłogowego również zestawiono w tabeli dla każdego typu obiektu osobno.
Tabela 5.3. przedstawia obliczone straty ciepła hali basenowej, niecki basenowej oraz moce ogrzewania podłogowego, jakie mogłoby być zainstalowane w każdym typie obiektu.
Tab.5.3. Obliczone straty ciepła dla czterech typów obiektów basenowych
Typ obiektu basenowego* I II III IV obliczyć, czy zainstalowanie ogrzewanie podłogowe jest w stanie pokryć straty ciepła. Tabela 5.4. przedstawia wyniki tych obliczeń. Wynika z nich, że oprócz ogrzewania podłogowego powinno się zainstalować dodatkowe grzejniki statyczne.
Tab.5.4. Straty ciepła pozostałe po uwzględnieniu ogrzewania podłogowego
Typ obiektu basenowego* I II III IV
Moc ogrzewania podłogowego 40 W/m2 QOP
[kW] 8,0 9,2 10 2,8 temperatury nawiewu zarówno bez uwzględniania mocy ogrzewania podłogowego, jak i z jej uwzględnieniem. Obliczenia zostały wykonane dla godzin dziennych, w których basen jest użytkowany przez maksymalną liczbę osób, oraz dla temperatury zewnętrznej obliczeniowej dla II strefy klimatycznej Polski.
W przypadku zastosowania wentylacji zdecentralizowanej można w znaczący sposób obniżyć temperaturę powietrza nawiewanego. Przy jednoczesnym zastosowaniu ogrzewania podłogowego wokół niecki basenowej można tą temperaturę obniżyć jeszcze bardziej, tak aby, zgodnie z wykresem (rys. 5.2.), gęstość powietrza nawiewanego była wyższa od gęstości powietrza wywiewanego.
Tab.5.5. Temperatury nawiewu dla układów wentylacji centralnej i zdecentralizowanej konstrukcją (tab.5.5.). Przyjęto brak ogrzewania podłogowego. Krzywą określającą parametry nawiewu dla wentylacji strefowej przyjęto dla obiektu typu I.
W przypadku obiektu o największym współczynniku strat ciepła obudowy zewnętrznej (typ II) temperatury nawiewu w okresie zimowym osiągają prawie 50oC.
Zgodnie z tabelą 5.5. temperatura ta może być obniżona o około 3K. Dalsze obniżanie temperatury może być osiągnięte na przykład poprzez zwiększenie strumienia powietrza nawiewanego, co się jednak wiąże z dużymi kosztami przetłaczania powietrza.
Rys. 5.3. Temperatura nawiewu dla obiektów basenowych o różnej konstrukcji (wg tab.5.1.)
-20
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Temperatura, oC
Temperatura nawiewu dla różnych typów obiektów basenowych
Temperatura zewnętrzna Temperatura nawiewu Typ II Temperatura nawiewu Typ III Temperatura nawiewu Typ I Temperatura nawiewu Typ IV Wydzielona niecka typ I
Obiekt typu IV, charakteryzujący się najmniejszym współczynnikiem strat ciepła, posiada rozkład temperatur nawiewu podobny jak w przypadku wydzielonej niecki basenowej.
Rys. 5.4. Uporządkowany wykres przebiegu temperatury nawiewu w funkcji temperatury zewnętrznej (obliczenia własne)
Straty ciepła przegród przeszkolonych
Przegrody zewnętrzne powinny być zabezpieczone przez wykraplaniem się na ich powierzchni wilgoci. Ryzyko takie występuje, jeżeli temperatura powierzchni okna jest niższa niż temperatura punktu rosy. Problemowi temu można zapobiec na dwa sposoby:
− stosowanie okien o niskim współczynniku przenikania ciepła
− stosowanie nawiewu powietrza na przegrody przeszklone
Okna o niskim współczynniku przenikania ciepła redukują ryzyko wystąpienia wykraplania wilgoci na ich powierzchni ponieważ powodują podniesienie się temperatury powierzchni okna ponad temperaturę punktu rosy. Dodatkowo straty ciepła przez przenikanie przez okna są mniejsze. Jest to rozwiązanie, które powinno być stosowane przede wszystkim w nowobudowanych obiektach. Zastosowanie okien o niskim współczynniku przenikania ciepła zwiększy nieco koszty inwestycyjne, natomiast z eksploatacyjnego punktu widzenia jest to jedyne słuszne podejście.
Zastosowanie nawiewu powietrza na przegrody przeszklone jest powszechnie stosowane w obiektach basenowych. Zaletami tego rozwiązania jest to, że nie ma ryzyka wykraplania się wilgoci, ponieważ zwiększa się temperatura powierzchni okna. Jest to podejście stosowane w układach tradycyjnych, w których cały strumień powietrza dostarczany jest poprzez nawiew na przegrody przeszklone. Minusami natomiast jest z pewnością zwiększenie strat ciepła przez przenikanie przez przegrody przeszklone. Nawiew powietrza na okna powoduje, że temperatura powietrza musi być wysoka. Im wyższa
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Temperatura, oC
Temperatura nawiewu w funkcji temperatury zewnętrznej
Temperatura zewnętrzna Temperatura nawiewu Typ I Temperatura nawiewu Typ II
Temperatura nawiewu Typ III Temperatura nawiewu Typ IV Temperatura nawiewu Niecka Basenowa
temperatura nawiewu, tym wyższe straty ciepła przez przenikanie. Przy dużych powierzchniach przeszkleń temperatura nawiewu musi wynosić nawet 45oC. Dodatkowo strumień powietrza musi być nawiewany z dużą prędkością co może powodować odczucie dyskomfortu przez użytkowników, jeżeli system taki jest źle zaprojektowany.
W przypadku wentylacji centralnej i nawiewie powietrza skierowanym na okna straty ciepła przez te przegrody zwiększają się. Przy opływie pionowej przegrody w sposób wymuszony zwiększa się współczynnik przejmowania ciepła od strony wewnętrznej okna.
W obliczeniach to zwiększenie uwzględnione będzie przez podstawienie większej wartości współczynnika przenikania ciepła.
Współczynnik przejmowania ciepła dla okna przy konwekcji wymuszonej obliczony jest wg zależności (5.20) i (5.21) [58]:
W takim przypadku współczynnik przenikania ciepła okien zwiększa się do wartości UOK=1,4 W/(m2.K). W związku ze zwiększeniem się współczynnika przenikania ciepła okien w przypadku wentylacji centralnej zwiększa się sumaryczny współczynnik strat ciepła przez przenikanie, co pokazuje tabela 5.6.
W układach wentylacji centralnej straty ciepła przegród przeszklonych zwiększają całkowitą stratę ciepła hali basenowej. Układ nawiewu działa w sposób ciągły, ponieważ poza kompensowaniem strat ciepła musi odprowadzać zyski wilgoci z parowania wody z powierzchni niecki basenowej, które emitowane są w sposób ciągły przez cały rok.
Tab. 5.6.Straty ciepła przez przenikanie przy uwzględnieniu zwiększenia strat ciepła przez przegrody przeźroczyste przy uwzględnieniu nawiewu powietrza wzdłuż okien
Typ obiektu basenowego* I II III IV
Powierzchnia okien AOK [m2] 210 660 250 80
Współczynnik przenikania ciepła okien uwzględniający
nawiew powietrza w wentylacji centralnej UOK [W/(m2K)] 1,4 1,4 1,4 1,4 Współczynnik strat ciepła przez przenikanie HTR [W/K] 512 1010 663 165 Współczynnik strat ciepła na infiltrację HVE,inf [W/K] 260 193 353 35 Sumaryczny współczynnik strat ciepła HTR+VE [W/K] 772 1204 1016 199
*według tabeli 5.1.
W układach zdecentralizowanych, gdzie rozdzielone są funkcje pokrycia strat ciepła i odprowadzania zysków wilgoci występować będą trzy osobne systemy wentylacyjne.
System dedykowany dla niecki basenowej wyposażony w centralę basenową, który pokrywać będzie straty ciepła występujące w obrębie niecki basenowej oraz odprowadzać
zyski wilgoci. System zabezpieczenia okien przed wykraplaniem wilgoci na ich powierzchni oraz częściowo pokrywający straty ciepła przegród przeszklonych działa w okresach niskich temperatur zewnętrznych. Gdy system ten będzie włączony straty ciepła przegród przeszkolonych wyznaczone będą stosując wyższy współczynnik przenikania ciepła. W okresach temperatur wyższych, gdy straty ciepła przegród przeszklonych są stosunkowo niskie funkcje ich kompensacji przejmować będzie układ centrali basenowej. Straty ciepła przegród przeszklonych będą niższe z uwagi na brak wymuszonego przepływu w ich pobliżu, a temperatura nawiewu w strefie niecki basenowej podniesie się, co pokazano na rysunku 5.5.
Granica działania systemu zabezpieczania okien musi być tak dobrana, żeby temperatura w obrębie niecki basenowej nie musiała wzrosnąć powyżej określonej z góry górnej granicy wynikającej z gęstości powietrza nawiewanego. Pokrycie strat ciepła pozostałych przegród zewnętrznych oraz infiltracji będzie się odbywało poprzez wentylację strefy poddachowej powietrzem recyrkulacyjnym.
Rys. 5.5. Temperatura nawiewu w układzie wentylacji zdecentralizowanej
W celu doboru strumienia powierza do zabezpieczenia przegród przeszklonych konieczna jest znajomość wymiarów przegród przeszklonych, które zestawiono w tabeli 5.7.
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Temperatura [oC]
Temperatura nawiewu w układzie wentylacji zdecentralizowanej
Temperatura powietrza zewnętrznego
Temperatura nawiewu z uwzględnieniem strat ciepła przegród przeszklonych Temperatura nawiewu wydzielonej niecki basenowej
Tab.5.7. Zestawienie wymiarów przegród przeszklonych w obiektach basenowych różnego typu
Typ obiektu basenowego* I II III IV
Powierzchnia niecki basenowej AB [m2B] 300 325 350 110
Powierzchnia okien AOK [m2] 210 660 250 80
Wysokość okien HOK [m] 7 20 9 4
Długość okien LOK [mb] 30 33 28 20
Wskaźnik powierzchni okien do powierzchni
niecki basenowej AOK/AB [m2/m2B] 0,7 2,0 0,7 0,7 Wskaźnik długości okien do powierzchni niecki
basenowej LOK/AB [mb/m2B] 0,10 0,10 0,08 0,18
*według tabeli 5.1.
Straty ciepła obiektów basenowych w zależności od lokalizacji
Wykonano obliczenia porównujące straty ciepła hali basenowej zlokalizowanej w różnych strefach klimatycznych Polski. Przyjęto jedno miasto dla każdej z 5 stref klimatycznych, są to odpowiednio: Koszalin, Poznań, Warszawa, Białystok i Suwałki.
Wyniki obliczeń pokazano w tabeli 5.8. oraz na rysunku 5.6.
Tab.5.8. Straty ciepła hali basenowej w zależności od typu obiektu oraz jego lokalizacji
Typ obiektu basenowego* I II III IV
Powierzchnia lustra wody 𝐴𝐵, 𝑚𝐵2 300 325 350 110
Współczynnik strat ciepła hali
basenowej 𝐻𝑇𝑅,𝑊
𝐾 750 1140 990 190
Straty ciepła hali basenowej w funkcji projektowej temperatury zewnętrznej i powierzchni lustra wody, 𝑚𝑊2∙𝐾
Koszalin 115 161 130 79
Poznań 120 168 136 83
Warszawa 125 175 141 86
Białystok 130 182 147 90
Suwałki 135 189 153 93
*według tabeli 5.1.
Im niższa projektowa temperatura zewnętrzna, tym większe straty ciepła. Żeby zapewnić takie same warunki – takie same straty ciepła, należy stosować w strefach w niższych temperaturach zewnętrznych lepsze materiały budowlane.
Rys. 5.6. Straty ciepła hali basenowej w zależności od lokalizacji i typu obiektu (obliczenia własne)
Większość analiz przeprowadzonych będzie dla hali basenowej typu I, czyli z basenem o powierzchni 25 x 12 m, 3 ścianami zewnętrznymi i dużą powierzchnią przeszklenia.
Obliczony został bilans cieplno-wilgotnościowy takiej hali basenowej oraz temperatura nawiewu wynikająca z pokrycia strat ciepła tego obiektu. Rysunek 5.7. przedstawia uporządkowany wykres przebiegu temperatur i zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym wraz z naniesionymi wartościami strat ciepła hali basenowej w zależności od temperatury zewnętrznej i wynikającej z nich temperatury nawiewu.
Rys. 5.7. Uporządkowany wykres przebiegu temperatury zewnętrznej wraz z zawartością wilgoci w powietrzu zewnętrznym i bilansem cieplno-wilgotnościowym hali basenowej typu I (wg tabeli 5.1.)
dla Poznania
Rysunek 5.7. przedstawia uporządkowany wykres przebiegu temperatury zewnętrznej wraz z zaznaczeniem zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym. Można tu
150 300 450 600 750 900 1050 1200
Straty ciepła obiektu basenowego, W/m2 B
Współczynnik strat ciepła, W/K
Straty ciepła hali basenowej w odniesieniu do powierzchni niecki basenowej w zależności od lokalizacji
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
oC, g/kg, W/m2 B
Wyniki bilansu cieplno-wilgotnościowego obiektu basenowego typu I zlokalizowanego w Poznaniu
Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej Temperatura nawiewu Zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym Temperatura zewnętrzna
zaobserwować, że wraz ze zwiększaniem się temperatury powietrza zewnętrznego rośnie również zawartość wilgoci. Nie jest to zależność ścisła i ciężko jest określić granice między temperaturą a zawartością wilgoci, dlatego też sterowanie centralą wentylacyjną powinno się odbywać w funkcji zawartości wilgoci, a nie temperatury, ponieważ to zawartość wilgoci będzie decydowała o potencjale do odbierania zysków wilgoci powstających przy parowaniu wody z niecki basenowej.
Na wykresie naniesiono też temperaturę nawiewu. Również tutaj można zauważyć zależność od temperatury zewnętrznej. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego temperatura nawiewu spada. Nie jest ona jednak linią prostą, ponieważ na wartość bilansu cieplno-wilgotnościowego wpływa nie tylko temperatura powietrza zewnętrznego, ale również zyski ciepła od promieniowania słonecznego, które w przypadku dużych powierzchni przeszkleń mogą być znaczne. Temperatura nawiewu waha się w granicach 30–45oC, jak jednak wspomniano wyżej, może być ona obniżona o około 5oC, jeżeli zastosuje się dodatkowy system pokrywający część strat ciepła hali basenowej.
Na wykresie widać dwie linie trendu. Jedna z nich jest trendem dla okresu dnia, a druga dla okresu nocy. Różnice wynikają z tego, że w okresie dnia występują zyski ciepła od słońca. Również występuje różne parowanie wody wynikające z obecności użytkowników basenu.
Wykres przedstawia także wyniki obliczeń bilansu cieplno-wilgotnościowego. Można zauważyć trend linii, a punkty odbiegające od tego trendu są wyjątkami. Są to pojedyncze godziny ułożone ciągiem przez maksymalnie 4 godziny pod rząd.
Z uwagi na dużą pojemność cieplną hali basenowej zmiany w bilansie cieplnym przez kilka godzin w ciągu roku nie powinny mieć wpływu na komfort użytkowników.