Zasady analizy proponowanych rozwiązań innowacyjnych

Analizy układów wentylacyjnych przeprowadzone w niniejszej rozprawie będą polegały na porównaniu ze sobą różnych dostępnych rozwiązań w celu wybrania najlepszego, jakie powinno być stosowane przy projektowaniu obiektów nowych, jak i zaproponowania rozwiązania dla obiektów istniejących.

Opisane we wcześniejszych rozdziałach rozwiązania energooszczędne posłużyły do ułożenia wariantów poddawanych analizie poprzez przeprowadzenie modelowania stanów

termicznych układów HVAC, biorąc pod uwagę pracę centrali wentylacyjnej, rozdział powietrza i rozwiązanie systemu grzewczego w hali basenowej.

W obliczeniach nie będzie uwzględniane przykrywanie niecki basenowej, ponieważ jest to rozwiązanie, którego nie stosuje się w Polsce.

4.4.1. Obudowa hali basenowej

Podstawowym założeniem będzie dobra izolacyjność cieplna przegród budowlanych.

Współczynniki przenikania ciepła założone są jako zgodne z obowiązującym rozporządzeniem dotyczącym warunków technicznych [100]. Dla porównania wpływu obudowy zewnętrznej budynku na układ grzewczo-wentylacyjny jeden z wariantów będzie miał współczynniki przenikania ciepła niższe niż wymagane, a inny współczynniki przenikania ciepła wyższe niż wymagane – będzie to wariant obrazujący obiekty istniejące od dłuższego czasu. Przyjęte do analizy współczynniki przenikania ciepła przedstawia tabela 4.1.

Tab.4.1. Współczynniki przenikania ciepła porównywanych wariantów

Obudowa budynku Wariant a Wariant b Wariant c

Współczynniki przenikania ciepła U [W/(m^2.K)]

obowiązujące lepsze gorsze

Ściany zewnętrzne 0,25 0,15 0,3

Stropodach 0,25 0,2 0,35

Okna 1,3 0,8 2,0

Podstawowym obiektem basenowym poddawanym analizie będzie basen typu II (wg tabeli 5.1.), czyli basen z niecką basenową o wymiarach 25 x 12 m. Dla pozostałych typów obiektów podane zostaną wyniki w celu ich porównania.

4.4.2. Dane klimatyczne

Podjęte analizy zostaną wykonane według danych klimatycznych dla miasta Poznania.

W obliczeniach symulacyjnych wykorzystany zostanie typowy rok meteorologiczny, wyznaczony jako średnia z 30 lat pomiarów [92]. Wiadomo, że takie dane są przybliżone z uwagi na zmienność i ocieplenie klimatu, jednak ze względu na to, że typowe lata meteorologiczne wyznaczone są dla 61 miast w Polsce, możliwe będzie porównanie wyników obliczeń dla różnych stref klimatycznych w Polsce, które pokażą różnice, jakie powinny występować w projektowaniu obiektów zlokalizowanych w różnych miejscach. Analiza pokaże, że na projektowanie obiektu i zastosowane w nim rozwiązania powinno mieć wpływ umiejscowienie obiektu.

4.4.3. Profil użytkowania

Profil użytkowania basenu jest dosyć trudny to ustalenia. Mają na niego wpływ liczne czynniki. Można jedynie przypuszczać, jaki może być rozkład zajęć na basenie, kto może

uczestniczyć w zajęciach w ciągu dnia czy jaka jest lokalizacja basenu. Inny będzie profil użytkowania basenu przyszkolnego, a inny w przypadku parku wodnego.

W przypadku basenu przyszkolnego można się spodziewać, że w godzinach porannych, przedpołudniowych oraz popołudniowych na basenie będą dzieci ze szkoły.

Wieczorem basen również może mieć duże obłożenie, jeżeli prowadzi godziny dla publiczności lub naukę pływania.

W parku wodnym z wydzieloną częścią sportową frekwencja na basenie może być nieduża, szczególnie podczas godzin przedpołudniowych i wczesnopopołudniowych. Często na takich basenach będzie dużo użytkowników w godzinach porannych i wieczornych, a pusto w godzinach pracy większości osób.

Zauważyć też można, że w weekendy liczba użytkowników może być zdecydowanie niższa niż w obiekcie drugim, zależy to również od lokalizacji obiektu.

Można także przyjąć, że basen, z którego korzystają trenujący pływacy wyczynowi, ma w godzinach użytkowania 100% frekwencję, przy założeniu (wcześniej omówionym w rozdz. 2.3.3.), że w godzinach porannych, choć pływa niewiele osób, ich intensywność pływania jest tak duża, jak gdyby na basenie pływało więcej osób z mniejszą intensywnością.

Wykresy na rysunku 4.2. przedstawiają 3 tygodniowe profile użytkowania, które zostały stworzone na podstawie przedstawionych powyżej opisów.

Dobór odpowiedniego profilu użytkowania ma wpływ na prawidłowość obliczeń symulacyjnych i porównawczych. Można jednak założyć, że w pewnym stopniu frekwencja na basenie może być kontrolowana na przykład poprzez zmienną cenę biletów w ciągu doby, czyli wprowadzenie niższych cen w godzinach mniej popularnych [43], co pozwoli na uzyskanie w miarę stabilnego profilu użytkowania obiektu (profil 3).

Rys. 4.2. Tygodniowy profil użytkowania basenu

Wprowadzony do analiz profil użytkowania będzie mógł być zmieniany w celu porównania wyników z różnymi sytuacjami rzeczywistymi.

0

4.4.4. System rozdziału powietrza

Analizie poddane będą rozwiązania z dwoma rodzajami rozdziału powietrza:

rozdziałem powietrza centralnym oraz rozdziałem powietrza zdecentralizowanym z podziałem na strefy. Wybrane warianty przestawia tabela 4.2.

Tab.4.2. System rozdziału powietrza porównywanych wariantów

Opis Wariant I Wariant II

Układ centralny zdecentralizowany

Rozdział powietrza tradycyjny dół – góra strefowy Parametry nawiewu wg bilansu hali basenowej

(wzór (5.1))

bilansu niecki basenowej (wzór (5.10))

Pierwszy z nich to rozdział powietrza tradycyjnie stosowany w Polsce, który obrazować będzie rozwiązania stosowane zarówno w obiektach istniejących, jak i nowo projektowanych. Będzie to rozdział powietrza dół – góra z nawiewem powietrza wzdłuż przegród zewnętrznych, przede wszystkim przeszklonych, i wywiewem powietrza zlokalizowanym pod stropem hali basenowej w osi niecki basenowej. Centrala basenowa przygotowywać będzie powietrze dla całej hali basenowej, więc dla ustalenia parametrów powietrza nawiewanego stosowany będzie bilans cieplno-wilgotnościowy całej hali basenowej, uwzględniający bilans niecki basenowej oraz straty i zyski ciepła przez przegrody zewnętrzne. Rozwiązanie takie będzie obrazowało obiekty istniejące, ponieważ takie układy są stosowane w Polsce obecnie i były stosowane w przeszłości.

Drugim systemem, który nie jest powszechnie stosowany, lecz uważany jest za korzystny pod względem zapewnienia komfortu cieplnego użytkownikom obiektu i zapewnienia właściwiej jakości powietrza w hali basenowej, a także wskazywany jako korzystny pod względem zużycia energii, będzie system rozdziału powietrza strefowy.

Wydzielony układ będzie zapewniał parametry powietrza w strefie niecki basenowej, a osobny zabezpieczał przegrody zewnętrzne. Pozwoli to na regulację działania tych systemów w zależności od potrzeb. Proponowany system rozdziału powietrza strefowy jest rozwiązaniem innowacyjnym, dającym duże korzyści i jeszcze nie stosowanym na szeroką skalę.

4.4.5. Centrale wentylacyjne

Porównanie różnych wariantów będzie się opierało na czterech rozwiązaniach central wentylacyjnych.

Centralą tradycyjną, stanowiącą układ bazowy w różnych analizach ([27,37]), jest prosta centrala wentylacyjna z recyrkulacją powietrza oraz nagrzewnicą powietrza. Taki układ stosowany był w wielu obiektach w Polsce i za granicą. Jest to często jedyny istniejący system wentylacyjny.

Systemem bardziej zaawansowanym jest system z recyrkulacją powietrza oraz z krzyżowym wymiennikiem ciepła. Odzysk ciepła pozwala na oszczędności energii w postaci mniejszej wymaganej mocy nagrzewnicy powietrza stosowanej w układzie.

Przedstawienie analizy takiego systemu pozwoli na oszacowanie, jaki jest zysk energii dzięki zastosowaniu wymiennika ciepła.

Centralą najbardziej zaawansowaną będzie centrala wyposażona w podwójną recyrkulację powietrza, krzyżowy wymiennik ciepła oraz pompę ciepła. Jest to rozwiązanie wskazywane w literaturze jako najlepsze z dostępnych [27,37,38,47]. Różnicą w stosunku do przywołanych analiz jest to, że w literaturowych rozwiązaniach nie stosuje się krzyżowego wymiennika ciepła [27,38], zastosowany jest wymiennik ciepła zewnętrzny [47] lub nie stosuje się podwójnej recyrkulacji [27,37,38]. Odmianą centrali w tym układzie będzie centrala basenowa z dodatkowym skraplaczem wodnym, który może być wykorzystany do podgrzewu wody basenowej w celu polepszenia współczynnika COP zainstalowanej pompy ciepła [47].

Podwójna recyrkulacja w centrali basenowej pozwala na uzyskanie wyższych sprawności odzysku ciepła poprzez zapewnienie wymaganego strumienia powietrza przepływającego przez wymiennik ciepła. Dodatkowo zapewnia ona właściwą i wysoko wydajną pracę pompy ciepła dzięki temu, że przez parowacz pompy ciepła przepływa odpowiedni strumień powietrza.

Tab.4.3. Centrale wentylacyjne porównywanych wariantów

Opis Wariant A Wariant B Wariant C Wariant D

Recyrkulacja tak tak tak tak

Podwójna recyrkulacja nie nie tak tak

Nagrzewnica powietrza tak tak tak/nie* tak/nie*

Krzyżowy wymiennik ciepła nie tak tak tak

Pompa ciepła ze skraplaczem powietrznym nie nie tak tak

Dodatkowy skraplacz wodny nie nie nie tak

* w zależności od dobranego systemu rozdziału powietrza

4.4.6. Strumień powietrza centrali

Strumień powietrza centrali wentylacyjnej dobierany będzie według tabeli 6.1 w zależności od rodzaju układu wentylacyjnego. W celu zmniejszenia zużycia energii w okresie nocy wydajność będzie zmniejszana o 30% w stosunku do strumieni nominalnego.

Mniejszy strumień powietrza będzie wystarczający poza okresem użytkowania z uwagi na mniejsze odparowanie wody. Zmniejszenie strumienia powietrza uwzględnione będzie we wszystkich wariantach.

4.4.7. Parametry powietrza w nocy

Z uwagi na zmniejszone parowanie w okresie nocnym, jak również na to, że basen jest wtedy nieużywany, parametry powietrza wewnątrz hali basenowej mogą odbiegać nieco o tych, które muszą być zapewnione w okresie użytkowania. Zmniejszenie zużycia energii przez układ wentylacyjny może się odbywać poprzez zwiększenie wilgotności względnej powietrza w hali basenowej. Należy pamiętać, że wilgotność względna nie może być zbyt

wysoka, żeby nie dochodziło do wykraplania wilgoci na powierzchni przegród zewnętrznych, ale może ona być zwiększona do poziomu 65%.

4.4.8. Osuszanie powietrza w nocy

Osuszanie powietrza, szczególnie w okresie nocy, może się odbywać na dwa sposoby.

Pierwszym z nich jest osuszanie powietrza poprzez doprowadzenie powietrza świeżego, które ma niższą zawartość wilgoci niż powietrze znajdujące się w hali basenowej. Strumień powietrza świeżego może być mniejszy niż zalecany z uwagi na brak użytkowników basenu.

Rozwiązanie takie stosowane będzie w układach, w których nie ma innej możliwości osuszania powietrza, czyli nie występuje pompa ciepła.

Drugim sposobem jest osuszanie powietrza za pomocą parowacza pompy ciepła.

Powietrze będzie recyrkulowane, przepływając przez parowacz pompy ciepła, w którym będzie się ochładzało i osuszało. W razie konieczności, gdy będzie występowała mniejsza potrzeba osuszania powietrza, strumień przepływający przez parowacz będzie mniejszy.

Rozwiązanie takie będzie zastosowane w układach, w których występuje pompa ciepła.

Dodatkowo porównane będą obydwa rozwiązania w aspekcie zużycia energii.

4.4.9. Regulacja i sterowanie

Sterowanie i regulacja w centrali wentylacyjnej w przyjętych rozwiązaniach będzie się odbywało poprzez pomiar temperatury powietrza oraz zawartości wilgoci, gdyż te dwa parametry najlepiej oddają stan powietrza w każdym z punktów w centrali. Pomiar zawartości wilgoci jest niemożliwy, jednak sterownikowi zadane będzie równanie, które przeliczy zmierzoną temperaturę i wilgotność względną powietrza w danym punkcie na zawartość wilgoci.

Sterowanie pracą centrali wentylacyjnej w funkcji jedynie temperatury byłoby niedokładne, szczególnie w zakresie dotyczącym parametrów powietrza zewnętrznego i nawianego oraz wywiewanego. Wykres (rys. 4.3.) przedstawia przebieg temperatur maksymalnych, średnich i minimalnych dla danej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym. Wykres został przygotowany dla typowego roku meteorologicznego dla miasta Poznania według [92], dla danej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym obliczona została średnia temperatura powietrza oraz dodatkowo zaznaczono temperaturę minimalną i maksymalną o danej zawartości wilgoci.

Rys. 4.3. Zależność temperatury powietrza zewnętrznego od zawartości wilgoci dla Poznania (opracowanie własne)

Jak wynika z wykresu (rysunek 4.3.), między temperaturą a zawartością wilgoci jest pewna zależność, którą można opisać wielomianem drugiego stopnia, gdy się jednak patrzy na temperatury minimalne i maksymalne, widać, że przedział temperatur przy danej zawartości wilgoci jest szeroki. Oczywiście w prostych układach, które nie są wyposażone w zaawansowane sterowniki, regulacja może się odbywać w funkcji temperatury, jednak w takim wypadku należy się liczyć z pewnymi niedoskonałościami oraz z tym, że komfort cieplny wewnątrz hali basenowej może nie być ściśle zapewniony.

4.4.10. Mieszanie powietrza w centrali

Przeprowadzone będą analizy dwóch sposobów mieszania powietrza w centrali basenowej (opisy wg schematu 4.1.).

Pierwszym (a) z nich jest mieszanie ze zmiennym udziałem powietrza świeżego, przyjmując punkt mieszania jako stały. Punkt mieszania M1 wyznaczony będzie dla obliczeniowej temperatury zewnętrznej, przyjmując minimalny, wyznaczony udział powietrza świeżego. Strumień powietrza świeżego będzie się zwiększał wraz ze wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego, aż do momentu, gdy 100% powietrza nawiewanego będzie powietrzem zewnętrznym.

Mieszanie będzie realizowane według trzech przedziałów zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym: xe,1≤7,4 g/kg ; xe,1=7,41÷11 g/kg ; xe,1≥11 g/kg .

Podobne przedziały wyznaczone zostały w [66] – odpowiednio <5 g/kg; 5÷10 g/kg; >10 g/kg.

Drugi sposób (b) to ustalenie stałego, minimalnego strumienia powietrza świeżego (np. 30%).