POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Zakład Ogrzewnictwa, Klimatyzacji i Ochrony Powietrza

mgr inż. Katarzyna RATAJCZAK

Badanie struktury układu wentylacyjnego w aspekcie energooszczędności

dla krytych basenów kąpielowych

R OZPRAWA D OKTORSKA

Promotor:

prof. dr hab. inż. Edward SZCZECHOWIAK

Poznań, marzec 2015

Składam serdeczne podziękowania Promotorowi Panu Profesorowi Edwardowi Szczechowiakowi za okazaną pomoc, wszelkie wskazówki i czas poświęcony

podczas realizacji niniejszej pracy.

Rozprawa doktorska powstała przy współfinansowaniu w ramach otrzymanych stypendiów:

”Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

i

„National Swimming Pool Foundation Fellowship”

przyznanego przez fundację National Swimming Pool Foundation z siedzibą w Colorado Springs, Colorado, USA

oraz

Działalności Statutowej Instytutu Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej

Streszczenie

Rozprawa przedstawia przegląd zagadnień dotyczących krytych basenów kąpielowych przede wszystkim w zakresie jakości powietrza wewnętrznego oraz urządzeń przygotowujących to powietrze. Zwraca uwagę na problemy wiążące się z jakością powietrza, czyli występujące zanieczyszczenia oraz problemy związane z komfortem cieplnym użytkowników obiektów basenowych. W oparciu o przegląd literatury i wskazane problemy zaproponowane zostało nowe podejście do rozdziału powietrza w halach basenowych, czyli odejście od rozdziału dół – góra na rzecz rozdziału strefowego, dostosowanego do każdej ze stref obiektu.

W celu porównania systemów wentylacyjnych tradycyjnych z nowo proponowanymi rozwiązaniami obejmującymi układ strefowy i centralę wentylacyjną z wielostopniowym odzyskiem ciepła i dla typowych przypadków basenów kąpielowych. Wykonano obliczenia symulacyjne dla okresu całego roku i dla różnych struktur układów wentylacyjnych.

W technologii centrali wentylacyjnej wykorzystano klasyczne osuszanie oparte o potencjał osuszania powietrza zewnętrznego (algorytm K_M.01) oraz w oparciu o szersze wykorzystanie układu odzysku ciepła centrali basenowej (KR_C.01 i KR_ZDC.01).

Zaproponowany algorytm obliczeniowy dla układów zdecentralizowanych (KR_ZDC.01) został zwalidowany doświadczalnie w obiekcie rzeczywistym, w którym system wentylacyjny jest zdecentralizowany, a powietrze jest przygotowywane przez centrale wentylacyjne z wielostopniowym odzyskiem ciepła (Termy Maltańskie w Poznaniu).

Zwalidowany model obliczeniowy posłużył do wykonania obliczeń symulacyjnych, z których wynika, że niezależnie od architektury obiektu basenowego decentralizacja systemu wentylacyjnego prowadzi do zmniejszenia zużycia energii oraz wpływa na poprawę jakości i komfortu cieplnego dla użytkowników basenów sportowych.

Summary

The dissertation presents an overview of the information on indoor swimming pools, especially in the field of indoor air quality and air preparation equipment. It highlights the problems involving indoor air quality and thermal comfort of users of the pools. Based on a literature review a new approach for an air distribution system in swimming pool halls (multi- zone air distribution system) has been proposed.

In order to compare the conventional ventilation systems with the newly proposed solutions, including multi-zone system with a multi-stage ventilation heat recovery air handling unit, simulations were performed for a variety of structures, using: ventilation systems which use only fresh air drying potential (algorithm KR_M.01) and other algorithms (KR_C. 01 and KR_ZDC.01) dedicated for systems with heat pumps.

Validation of the proposed calculation algorithm dedicated to systems decentralized (KR_ZDC.01) was carried out in a facility in which the ventilation system is decentralized, and the air is drawn through multi-stage air-handling units with heat recovery (Termy Maltańskie in Poznan).

Validated calculation model was used to perform simulation, which show that,

regardless of the architecture of the building, decentralization of ventilation system leads to

a reduction in energy consumption and improving the air quality and thermal comfort for

users of the swimming pools.

Spis treści

Streszczenie ... 4

Summary ... 4

Spis rysunków ... 8

Spis tabel ... 11

Wykaz oznaczeń ... 13

1. Wprowadzenie ... 15

1.1. Specyfika krytych basenów kąpielowych ... 15

1.2. Rozwój technologii do kontroli środowiska w krytych basenach ... 16

1.3. Aspekty energetyczne ... 17

1.4. Ocena dotychczasowych rozwiązań ... 19

1.5. Cel i zakres pracy ... 22

2. Stan badań nad środowiskiem wewnętrznym w basenach krytych ... 24

2.1. Parametry termiczne i wilgotnościowe hal basenowych ... 24

2.1.1. Parametry wody basenowej ... 25

2.1.2. Parametry powietrza w hali basenowej ... 26

2.1.3. Korelacja między parametrami wody i powietrza ... 28

2.2. Jakość powietrza w halach basenowych ... 29

2.2.1. Substancje lotne w powietrzu hal basenowych ... 31

2.2.2. Jakość powietrza a dezynfekcja wody ... 33

2.2.3. Niezbędny strumień powietrza świeżego ... 36

2.2.4. Rozdział powietrza w hali basenowej ... 43

2.3. Odprowadzenie wilgoci z hali basenowej... 44

2.3.1. Parowanie z powierzchni wodnych ... 45

2.3.2. Wzór rekomendowany do obliczania odparowania wilgoci... 49

2.3.3. Niezbędny strumień powietrza do odprowadzenia wilgoci ... 50

2.3.4. Inne sposoby odprowadzenia wilgoci ... 51

2.3.5. Rozwiązania rekomendowane w tym zakresie ... 51

2.4. Rekomendacje dla systemów kontroli środowiska wewnętrznego ... 52

2.4.1. Parametry wody i powietrza ... 52

2.4.2. Podział hali basenowej na strefy ... 52

3. Technologie do kontroli środowiska wewnętrznego w basenach krytych ... 57

3.1. Rozwój technologii w zakresie ogrzewania i wentylacji ... 57

3.2. Rozdział powietrza w halach basenowych ... 59

3.2.1. Rozdział powietrza dół – góra ... 59

3.2.2. Rozdział powietrza góra – dół ... 60

3.2.3. Rozdział powietrza strefowy ... 61

3.3. Układy do ochrony przed wykraplaniem wilgoci ... 62

3.4. Rozwiązania central wentylacyjnych basenowych ... 63

3.4.1. Centrale wentylacyjne klasyczne... 64

3.4.2. Centrale wentylacyjne z pojedynczym i podwójnym odzyskiem ciepła ... 65

3.4.3. Centrale wentylacyjne z pompą ciepła ... 65

3.4.4. Inne rozwiązania central wentylacyjnych... 66

3.5. Rekomendowane rozwiązania w zakresie central wentylacyjnych ... 67

4. Rozwiązania energooszczędne i ich analiza ... 68

4.1. Podejście zintegrowane ... 68

4.2. Optymalizacja odzysku ciepła z central wentylacyjnych ... 69

4.3. Proponowane struktury rozwiązań energooszczędnych ... 70

4.4. Zasady analizy proponowanych rozwiązań innowacyjnych ... 71

4.4.1. Obudowa hali basenowej ... 72

4.4.2. Dane klimatyczne ... 72

4.4.3. Profil użytkowania ... 72

4.4.4. System rozdziału powietrza ... 74

4.4.5. Centrale wentylacyjne ... 74

4.4.6. Strumień powietrza centrali ... 75

4.4.7. Parametry powietrza w nocy ... 75

4.4.8. Osuszanie powietrza w nocy ... 76

4.4.9. Regulacja i sterowanie ... 76

4.4.10. Mieszanie powietrza w centrali ... 77

4.5. Warianty wybrane do analiz ... 78

5. Modelowanie stanów termicznych układów HVAC dla basenów krytych ... 79

5.1. Bilans cieplno-wilgotnościowy hali basenowej ... 79

5.1.1. Bilans cieplny całej hali basenowej ... 79

5.1.2. Bilans cieplno-wilgotnościowy dla niecki basenowej ... 80

5.1.3. Temperatura powietrza nawiewanego a rozdział powietrza ... 82

5.1.4. Gęstość powietrza nawiewanego a rozdział powietrza ... 83

5.1.5. Wyniki obliczeń bilansu cieplno-wilgotnościowego dla wybranych typów obiektów basenowych ... 84

5.2. Parametry stałe i zmienne w opracowanych algorytmach ... 93

5.2.1. Parametry projektowe – dotyczące obiektu ... 93

5.2.2. Parametry projektowe dotyczące centrali wentylacyjnej ... 94

5.2.3. Parametry projektowe – dotyczące parametrów wody i powietrza ... 94

5.2.4. Parametry zmienne ... 94

5.3. Modelowanie stanów działania centrali wentylacyjnej ... 94

5.3.1. Modelowanie stanów powietrza wilgotnego w centrali wentylacyjnej ... 94

5.3.2. Modelowanie strumieni powietrza ... 97

5.3.3. Modelowanie ilości odparowującej wody ... 99

5.3.4. Modelowanie działania urządzeń w centrali wentylacyjnej ... 100

5.4. Algorytm obliczeniowy dla zmiennych warunków klimatu zewnętrznego dla wentylacji centralnej – KR_C.01 ... 103

5.4.1. Tryby pracy centrali wentylacyjnej NOC ... 104

5.4.2. Tryby pracy centrali wentylacyjnej 100% POWIETRZE ŚWIEŻE ... 105

5.4.3. Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE 1... 105

5.4.4. Tryby pracy centrali wentylacyjnej MIESZANIE 2... 106

5.5. Algorytm obliczeniowy dla zmiennych warunków klimatu zewnętrznego dla wentylacji zdecentralizowanej – KR_ZDC.01 ... 108

5.6. Algorytm obliczeniowy dla pozostałych struktur wentylacyjnych KR_M.01 ... 112

6. Obliczenia symulacyjne dla wybranych struktur energooszczędnych ... 114

6.1. Walidacja modelu na obiekcie rzeczywistym ... 114

6.1.1. Charakterystyka obiektu rzeczywistego ... 114

6.1.2. Charakterystyka wykonanych pomiarów sprawdzających ... 115

6.1.3. Wyniki i analiza porównawcza wyników uzyskanych w pomiarach i algorytmem KR_ZDC.01 ... 117

6.1.4. Wnioski z przeprowadzonych pomiarów sprawdzających ... 122

6.2. Obliczenia dla wybranych stanów termicznych ... 123

6.2.1. Wyniki obliczeń dla systemów wentylacyjnych centralnych ... 124

6.2.2. Wyniki obliczeń dla systemów wentylacyjnych zdecentralizowanych ... 128

6.3. Obliczenia dodatkowych systemów pokrywających straty ciepła hali basenowej .. 131

7. Efekty energetyczne proponowanych technologii zmodyfikowanych ... 134

7.1. Analiza porównawcza wyników obliczeń ... 134

7.1.1. Baseny duże publiczne ... 134

7.1.2. Baseny duże z widownią ... 139

7.1.3. Baseny małe prywatne ... 141

7.2. Analiza porównawcza wyników obliczeń ... 143

7.2.1. Efekty energetyczne zastosowania wymiennika ciepła i wentylacji zdecentralizowanej ... 143

7.2.2. Efekty energetyczne zastosowania pompy ciepła ... 144

7.2.3. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory ... 145

7.2.4. Osuszanie powietrza nocą ... 146

7.3. Zasady wdrożenia opracowanych algorytmów sterowania ... 148

8. Wnioski końcowe i kierunki dalszych badań ... 150

8.1. Wnioski końcowe ... 150

8.2. Kierunki dalszych badań ... 151

9. Literatura ... 152

10. Załączniki ... 157

Spis rysunków

Rys. 1.1. Procentowy udział zużycia energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy

według danych UK na rok 1997 ... 19

Rys. 1.2. Procentowy udział kosztów zużytej energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy według danych UK na rok 1997 i 2008 ... 19

Rys. 2.1. Krzywa duszności wg Lancastera-Cartensa-Ruge’a [25,66] ... 27

Rys. 2.2. Tygodniowy profil użytkowania basenu ... 30

Rys. 2.3. Udział czterech grup ubocznych produktów dezynfekcji wody przy różnych metodach dezynfekcji wody ... 31

Rys. 2.4. Procentowy udział składników THM w powietrzu ... 32

Rys. 2.5. Strumień powietrza świeżego w odniesieniu do powierzchni wody przypadającej na 1 osobę (opracowanie własne)... 38

Rys. 2.6. Obliczony procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy (22:00-6:00), dla wariantu 1 (według tabeli 4.4.) – wariant wykorzystujący osuszanie powietrza wentylacyjnego powietrzem świeżym (zima) ... 41

Rys. 2.7. Obliczony procentowy udział powietrza zewnętrznego w powietrzu nawiewanym w nocy (22:00-6:00), dla wariantu 1 (według tabeli 4.4.) – wariant wykorzystujący osuszanie powietrza wentylacyjnego powietrzem świeżym (lato) ... 41

Rys. 2.8. Podział hali basenowej na strefy pod względem wilgotności względnej ... 43

Rys. 2.9. Podział hali basenowej na strefy charakteryzujące się różnymi potrzebami ... 44

Rys. 2.10. Strumień odparowującej wody w basenach nieużytkowanych ... 47

Rys. 2.11. Strumień odparowującej wody w basenach użytkowanych ... 48

Rys. 2.12. Strumień odparowującej wody w basenach użytkowanych w funkcji liczby osób 50 Rys. 2.13. Strefa niecki basenowej w przekroju i rzucie ... 53

Rys. 2.14. Strefa widowni ... 54

Rys. 2.15. Strefa podstropowa ... 54

Rys. 2.16. Ryzyko wykroplenia wilgoci na powierzchniach przeszklonych o różnych współczynnikach przenikania ciepła (opracowanie własne) ... 55

Rys. 2.17. Strefa przegród przeszklonych ... 55

Rys. 3.1. Schemat instalacji do kontroli klimatu wewnętrznego dla krytej pływalni ... 57

Rys. 3.2. Rozdział powietrza dół – góra w hali basenowej (oznaczenia według rysunku 2.9.) ... 59

Rys. 3.3. Rozdział powietrza środek – góra ... 60

Rys. 3.4. Rozdział powietrza środek – góra – dół ... 61

Rys. 3.5. Rozdział powietrza góra – dół ... 61

Rys. 3.6. Rozdział powietrza strefowy (oznaczenia według rysunku 2.9.) ... 62

Rys. 3.7. Centrala basenowa w układzie konwencjonalnym (z recyrkulacją) ... 65

Rys. 3.8. Centrala basenowa w układzie konwencjonalnym z wymiennikiem krzyżowym .... 65

Rys. 3.9. Centrala basenowa w układzie z pompą ciepłą ... 65

Rys. 3.10. Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła i skraplaczem wodnym (bez skraplacza powietrznego) ... 66

Rys. 3.11. Centrala basenowa w układzie z pompą ciepła powietrze – powietrze z dodatkowym skraplaczem wodnym do podgrzewu wody basenowej ... 66

Rys. 3.12. Centrala basenowa z układem otwartej absorpcji do osuszania powietrza ... 67

Rys. 4.1. Odzysk ciepła w centrali wentylacyjnej ... 70

Rys. 4.2. Tygodniowy profil użytkowania basenu ... 73

Rys. 4.3. Zależność temperatury powietrza zewnętrznego od zawartości wilgoci dla Poznania (opracowanie własne) ... 77

Rys. 5.1. Kierunki strumieni ciepła w hali basenowej ... 79

Rys. 5.2. Gęstość powietrza w funkcji temperatury w zakresie wilgotności względnej

powietrza 35-60% (opracowanie własne) ... 83 Rys. 5.3. Temperatura nawiewu dla obiektów basenowych o różnej konstrukcji (wg tab.5.1.)

... 87 Rys. 5.4. Uporządkowany wykres przebiegu temperatury nawiewu w funkcji temperatury

zewnętrznej (obliczenia własne) ... 88 Rys. 5.5. Temperatura nawiewu w układzie wentylacji zdecentralizowanej ... 90 Rys. 5.6. Straty ciepła hali basenowej w zależności od lokalizacji i typu obiektu (obliczenia

własne) ... 92 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 ... 92 Rys. 5.8. Schemat centrali wentylacyjnej z oznaczeniami indeksów stanów powietrza... 95 Rys. 5.9. Algorytm pracy centrali basenowej w układzie centralnym (KR_C.01) ... 103 Rys. 5.10. Przemiany powietrza w centrali wentylacyjnej na wykresie h-x dla układu

centralnego (KR_C.01)... 107 Rys. 5.11. Przebieg zużycia mocy cieplnej nagrzewnicy i skraplacza pompy do podgrzewu

powietrza wentylacyjnego ciepła dla układu wentylacji centralnej (Wariant 4) i zdecentralizowanej (Wariant 6) dla obiektu basenowego typu I w funkcji

temperatury zewnętrznej ... 108 Rys. 5.12. Algorytm pracy centrali basenowej w układzie zdecentralizowanym (KR_ZDC.01)

... 110 Rys. 5.13. Przemiany powietrza w centrali wentylacyjnej na wykresie h-x dla układu

zdecentralizowanego (KR_ZDC.01) ... 111 Rys. 5.14. Algorytm pracy centrali basenowej w układzie zdecentralizowanym (KR_M.01)

... 112 Rys. 6.1. Schemat systemu wentylacyjnego obiektu rzeczywistego ... 114 Rys. 6.2. Miernik i rejestrator 9 wejściowy ALMEMO 2890-9 oraz czujniki pojemnościowe

wilgotności względnej FHA646-E1C wykorzystane do pomiarów ... 116 Rys. 6.3. Centrala wentylacyjna wykorzystana do pomiarów oraz lokalizacja czujników w

kanale nawiewnym i wywiewnym ... 116 Rys. 6.4. Wyniki pomiarów parametrów w basenowej centrali wentylacyjnej w obiekcie

rzeczywistym w dniach 05-07.02.2015r. ... 117 Rys. 6.5. Wyniki pomiarów parametrów w basenowej centrali wentylacyjnej w obiekcie

rzeczywistym w dniach 21-25.02.2015r. ... 117 Rys. 6.6. Wyniki obliczeń wyznaczonym algorytmem KR_ZDC.01 dla zmierzonych w dniach

21-25.02.2015r. parametrów powietrza zewnętrznego ... 118 Rys. 6.7. Wyniki obliczeń wyznaczonym algorytmem zmodyfikowany (KR_ZDC.02), dla

zmierzonych w dniach 05-07.02.2015r. parametrów powietrza zewnętrznego ... 119 Rys. 6.8. Wyniki obliczeń wyznaczonym algorytmem zmodyfikowany (KR_ZDC.02), dla

zmierzonych w dniach 21-25.02.2015r. parametrów powietrza zewnętrznego ... 120 Rys. 6.9. Ilość ciepła do podgrzania powietrza wentylacyjnego w kWh/m

w okresie

pomiarowym ... 121 Rys. 6.10. Porównanie ilości odparowującej wody określonej na obiekcie rzeczywistym.... 121 Rys. 6.11. Porównanie ilości odparowującej wody określonej na obiekcie rzeczywistym.... 122 Rys. 6.12. Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w okresie nocy ... 124 Rys. 6.13. Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 2 sierpnia – tryb pracy 100%

powietrze świeże – wentylacja centralna (wariant 4 i 5 wg tabeli 4.4.) ... 125 Rys. 6.14. Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 1 marca – tryb pracy

Mieszanie 1 ... 126

Rys. 6.15. Praca centrali wentylacyjnej z pompą w dniu 8 czerwca – tryb pracy Mieszanie 2 ... 127 Rys. 6.16. Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 2 sierpnia – tryb pracy 100%

powietrze świeże – wentylacja zdecentralizowana (wariant 6 i 7 wg tabeli 4.5.) .. 128 Rys. 6.17. Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 1 marca – tryb pracy

Mieszanie 1 ... 129 Rys. 6.18. Praca centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w dniu 11 czerwca–tryb pracy

Mieszanie 2 ... 130 Rys. 7.1. Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza

wentylacyjnego dla obiektu basenowego typu I ... 135 Rys. 7.2. Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu I ... 136 Rys. 7.3. Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza

ciepła dla obiektu basenowego typu II ... 138 Rys. 7.4. Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu II ... 139 Rys. 7.5. Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza dla

obiektu basenowego typu III ... 140 Rys. 7.6. Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu III ... 141 Rys. 7.7. Porównanie wyników obliczeń rocznego zużycia ciepła do podgrzania powietrza

ciepła dla obiektu basenowego typu IV... 141 Rys. 7.8. Roczne zużycie energii elektrycznej przez wentylatory w obiekcie basenowym typu IV ... 143 Rys. 7.9. Efekty energetyczne zastosowania wymiennika ciepła oraz wentylacji

zdecentralizowanej ... 143 Rys. 7.10. Rezerwa ilości ciepła powstała w dodatkowym skraplaczu wodnym do

wykorzystania do podgrzewu wody basenowej ... 144 Rys. 7.11. Temperatura powietrza usuwanego z centrali wentylacyjnej w funkcji temperatury

powietrza zewnętrznego ... 145 Rys. 7.12. Porównanie zużycia energii elektrycznej przez wentylatory w układach wentylacji

centralnej i zdecentralizowanej ... 145 Rys. 7.13. Osuszanie powietrza w okresie nocy powietrzem świeżym i pompą ciepła dla

wentylacji centralnej ... 147 Rys. 7.14. Osuszanie powietrza w okresie nocy powietrzem świeżym oraz pompą ciepła dla

wentylacji zdecentralizowanej... 148

Spis tabel

Tab.2.1.Temperatura wody w zależności od rodzaju basenu według różnych źródeł ... 26

Tab.2.2. Parametry powietrza w zależności od rodzaju basenu według różnych źródeł ... 28

Tab.2.3. Prędkości powietrza w strefie niecki basenowej według różnych źródeł ... 28

Tab.2.4. Strumień powietrza świeżego w krytych basenach wg wytycznych krajowych ... 36

Tab.2.5. Strumień powietrza świeżego niezbędny do uzyskania stężenia CO

na poziomie 1000 ppm przypadający na osobę w zależności od intensywności wysiłku fizycznego... 37

Tab.2.6. Powierzchnia wody przypadająca na osobę w zależności od typu użytkowania basenu ... 37

Tab.2.7. Stężenia THM w powietrzu według literatury polskiej i zagranicznej ... 39

Tab.2.8. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody dla basenów nieużytkowanych ... 47

Tab.2.9. Zależności do obliczania ilości odparowującej wody dla basenów użytkowanych ... 48

Tab.2.10. Parametry wody i powietrza przyjmowane jako optymalne dla basenu sportowego ... 52

Tab.4.1. Współczynniki przenikania ciepła porównywanych wariantów ... 72

Tab.4.2. System rozdziału powietrza porównywanych wariantów ... 74

Tab.4.3. Centrale wentylacyjne porównywanych wariantów... 75

Tab.4.4. Analizowane warianty dla układu wentylacji centralnej ... 78

Tab.4.5. Analizowane warianty dla układu wentylacji zdecentralizowanej ... 78

Tab. 5.1. Zestawienie konstrukcji basenów różnych typów ... 85

Tab.5.2. Współczynnik strat ciepła przez przenikanie i na infiltrację dla różnych parametrów obudowy zewnętrznej ... 85

Tab.5.3. Obliczone straty ciepła dla czterech typów obiektów basenowych ... 86

Tab.5.4. Straty ciepła pozostałe po uwzględnieniu ogrzewania podłogowego ... 86

Tab.5.5. Temperatury nawiewu dla układów wentylacji centralnej i zdecentralizowanej ... 87

Tab. 5.6.Straty ciepła przez przenikanie przy uwzględnieniu zwiększenia strat ciepła przez przegrody przeźroczyste przy uwzględnieniu nawiewu powietrza wzdłuż okien .... 89

Tab.5.7. Zestawienie wymiarów przegród przeszklonych w obiektach basenowych różnego typu ... 91

Tab.5.8. Straty ciepła hali basenowej w zależności od typu obiektu oraz jego lokalizacji ... 91

Tab.5.9. Udział powietrza świeżego ... 97

Tab.5.10. Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji zewnętrznej ... 98

Tab.5.11. Udział powietrza recyrkulacyjnego w recyrkulacji wewnętrznej ... 99

Tab.5.12. Współczynniki parowania przyjęte przy modelowaniu stanów powietrza ... 99

Tab.5.13. Czas działania trybów pracy centrali basenowej dla wariantów 4 i 6 ... 104

Tab.5.14. Czas działania trybów pracy centrali basenowej dla wariantów 5 i 7 ... 109

Tab.6.1. Strumienie powietrza dla poszczególnych układów wentylacyjnych dla obiektu basenowego typu I, II i III ... 132

Tab.7.1. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych poszczególnych wariantów dla obiektu typu I ... 135

Tab.7.2. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu I ... 136

Tab.7.3. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych poszczególnych wariantów dla obiektu typu II ... 138

Tab.7.4. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu II ... 139

Tab.7.5. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych poszczególnych wariantów dla obiektu typu III ... 140

Tab.7.6. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu III ... 140

Tab.7.7. Roczny strumień powietrza i czas działania systemów wentylacyjnych

poszczególnych wariantów dla obiektu typu IV ... 142

Tab.7.8. Zużycie energii elektrycznej przez wentylatory dla obiektu typu IV ... 142

Wykaz oznaczeń

Oznaczenie

Opis parametru

𝐴

powierzchnia

𝐴

powierzchnia wody w niecce basenowej

𝑐

ciepło właściwe

𝑒

współczynnik osłonięcia

𝑓

lotność pary wodnej w powietrzu

𝐻

współczynnik strat ciepła

ℎ

entalpia właściwa

𝐼

natężenie promieniowania słonecznego

𝐾, 𝐾

, 𝑆,

𝐹

, 𝐿

współczynniki zwiększające do obliczania parowania z basenów użytkowanych

𝐿

długość okna w hali basenowej

l

wymiar charakterystyczny do obliczania liczby

Reynoldsa

𝑚̇

strumień masowy

𝑁𝑢

liczba Nusselta

𝑛

szczelność obudowy zewnętrznej budynku

∆𝑝

różnica ciśnień cząstkowych między powietrzem w hali basenowej a warstwą graniczną

𝑝

ciśnienie cząstkowe pary wodnej

𝑝

ciśnienie absolutne powietrza wilgotnego

𝑝

ciśnienie pary wodnej w powietrzu, w temperaturze 0

C

=610,7Pa

𝑃

moc wentylatorów

𝑃𝑟

liczba Prandtla, Pr=c

.

μ/λ

𝑝

(𝑡)

ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu 𝑝

′′(𝑡)

ciśnienie nasycenia pary wodnej w powietrzu

𝑄̇

straty/zyski ciepła

𝑞̇

jednostkowe straty/zyski ciepła

𝑟

ciepło parowania, 𝑟

=2500,8 kJ/kg

𝑅𝑒

liczba Reynoldsa, Re=w

l/ν

𝑅

stała gazowa pary wodnej

𝑇

temperatura

𝑡

temperatura

𝑡

temperatura termometru mokrego

𝑡

temperatura przegród zewnętrznych

𝑈

współczynnik przenikania ciepła

𝑉̇

strumień objętościowy

𝑉

kubatura wewnętrzna hali basenowej

𝑤

prędkość powietrza

𝑥

zawartość wilgoci w powietrzu

𝛼

współczynnik konwekcji ciepła 𝛽

współczynnik parowania

𝜀

udział powietrza

𝜀

emisyjność przegród wewnątrz hali basenowej

ƞ

współczynnik wykorzystania zysków ciepła

𝜆

przewodność cieplna

𝜌

gęstość powietrza

𝜎

stała Boltzmanna 5,67 ∙ 10

𝜏

moduł napędowy procesu parowania wody

𝜑

wilgotność względna powietrza

κ

współczynnik zmniejszający strumień ciepła utajonego wynikający z parowania wody, κ=0,05

ν

współczynnik lepkości dynamicznej

μ

współczynnik lepkości kinematycznej Indeksy

Dotyczące stanów powietrza i wody

𝑀1 stan powietrza po recyrkulacji zewnętrznej 𝑀2 stan powietrza po recyrkulacji wewnętrznej

𝑁 powietrze nawiewane

𝑂𝐶 powietrze zewnętrzne za wymiennikiem ciepła 𝑂𝐶′ powietrze wywiewane za wymiennikiem ciepła

𝑃 powietrze wewnątrz hali basenowej (usuwane z hali basenowej) 𝑃𝐶

powietrze wywiewane za parowaczem pompy ciepła

𝑃𝑊 warstwa graniczna między powietrzem a wodą 𝑝ś powietrze świeże

𝑅𝐸𝐶1, 𝑟𝑒𝑐1 recyrkulacja zewnętrzna 𝑅𝐸𝐶2, 𝑟𝑒𝑐2 recyrkulacja wewnętrzna

𝑆𝐾𝑅, 𝑃𝐶 powietrze nawiewane za skraplaczem pompy ciepła

𝑊 woda

𝑍, 𝑒 powietrze zewnętrzne

Dotyczące bilansu cieplno-wilgotnościowego 𝐶 całkowite

𝐶𝐸𝑁𝑇𝑅 wentylacja centralna

𝐹 podłoga wokół niecki basenowej 𝐻𝐵 hala basenowa

𝑖𝑛𝑓 na infiltrację 𝐾 przez konwekcję 𝑁𝐵 niecka basenowa 𝑂𝐺 ogrzewanie statyczne

𝑂𝐾 okna

𝑂𝑃 ogrzewanie podłogowe 𝑂𝑆 od osób

𝑃𝐺/𝑃𝐵 do podłogi na gruncie, do podbasenia 𝑃𝑂𝑀 sąsiednie pomieszczenia

𝑃𝑃 na podgrzanie powstającej pary wodnej 𝑃𝑊 ze względu na parowanie

𝑅 przez promieniowanie 𝑅𝑊 rozpryskiwanej wody

𝑆 przegrody zewnętrzne 𝑆𝑂𝐿 od słońca

𝑆𝑇𝑅 straty ciepła ś𝑟 średnie

𝑇𝑅 przez przenikanie 𝑉𝐸 na wentylację

𝑍𝐷𝐸𝐶𝐸𝑁𝑇𝑅 wentylacja zdecentralizowana

𝑍𝑌𝑆 zyski ciepła

1. Wprowadzenie

1.1. Specyfika krytych basenów kąpielowych

Kryte baseny kąpielowe i rekreacyjne są obiektami o specyficznych warunkach klimatu wewnętrznego. W halach tych basenów występuje wyraźnie wyższa temperatura w porównaniu z typowymi pomieszczeniami przeznaczonymi na pobyt stały ludzi. Odkryte powierzchnie mokre powodują stałe parowanie wody, co stwarza problemy z utrzymaniem wilgotności względnej powietrza i zabezpieczeniem powierzchni przegród przed wykraplaniem wilgoci. Równolegle należy zapewnić użytkownikom basenów i atrakcji wodnych odpowiednie warunki dotyczące komfortu cieplnego i jakości powietrza. Wiąże się to ze znacznymi nakładami energii dla zapewnienia wymaganej temperatury wody i powietrza oraz właściwej wilgotności i jakości powietrza.

Kluczowym problemem krytych basenów kąpielowych jest ciągłe parowanie wody z powierzchni basenów i innych powierzchni mokrych. Strumień odparowanej wody jest głównym kryterium dla wymiarowania systemów technicznych odpowiedzialnych za klimat wewnętrzny. Występująca w halach basenowych stosunkowo wysoka wilgotność względna powietrza (55-60%) i wysokie ciśnienie pary wodnej w powietrzu (średnio 2,5 razy większe w porównaniu z typowymi pomieszczeniami), stwarza dodatkowe problemy z przegrodami zewnętrznymi. Powinny być zaprojektowane i wykonane z należytą starannością, aby zabezpieczyć je przed wykraplaniem wilgoci na powierzchni i przed penetracją wilgoci w głąb, szczególnie przegród stykających się z powietrzem zewnętrznym. Do zabezpieczenia przegród powszechnie wykorzystuje się układy wentylacyjne, projektowane jednak głównie do utrzymania temperatury i wilgotności względnej powietrza w hali basenów.

Od początku tego wieku w obiektach basenowych zwraca się coraz większą uwagę na jakość powietrza. Często w otoczeniu niecek basenów są wyczuwalne zapachy związków chloru. Woda basenowa jest dezynfekowana, w celu ochrony użytkowników przed drobnoustrojami. Jednak równolegle do wody w basenach są wprowadzane przez ludzi różne związki organiczne, które w kontakcie z chlorem tworzą szkodliwe związki organiczne na bazie chloru, takie jak: chloraminy lub trihalometany. Są one lotne i łatwo ulatniają się do otaczającego powietrza. Są one cięższe od powietrza, więc gromadzą się nad powierzchnią wody i są wdychane przez użytkowników basenów. W przypadku wadliwie zaprojektowanej instalacji wentylacyjnej nie można ich usunąć i powodują one znaczne pogorszenie jakości powietrza.

Rozwiązaniem powyższych problemów jest dobrze skonfigurowany i zaprojektowany układ grzewczo-wentylacyjny (HVAC) oraz odpowiednio dobrane przegrody zewnętrzne hali basenów. Pewne znaczenie ma również sposób filtracji i podgrzewania wody w basenach oraz atrakcjach wodnych. Układ grzewczo-wentylacyjny powinien jednocześnie zapewnić:

odpowiednie parametry komfortu cieplnego różnym grupom użytkowników basenów,

tj. pływakom, korzystającym z atrakcji wodnych, ratownikom, trenerom, widzom itp. Każda

z tych grup ma różne potrzeby, jeżeli chodzi o odczucie komfortu cieplnego – z uwagi na

charakter przebywania w hali basenowej. Ponadto układ grzewczo-wentylacyjny ma

zapewnić jakość powietrza w hali basenowej i zabezpieczyć przegrody zewnętrzne,

szczególnie przeszklone, przed wykraplaniem wilgoci. W większości przypadków próbuje się to rozwiązań za pomocą jednego centralnego układu wentylacyjnego. Takie rozwiązanie jest relatywnie tanie inwestycyjnie, jednak dalekie od realizacji wszystkich potrzeb w hali basenowej i nieoptymalne, w tym również jeżeli chodzi o zużycie energii w czasie eksploatacji. Podstawowym elementem takiego centralnego układu wentylacyjnego dla hali basenowej jest centrala basenowa. Powinna ona przygotowywać powietrze o parametrach potrzebnych dla zabezpieczenia komfortu cieplnego i jakości powietrza w obrębie niecki basenowej, a okazuje się że ta centrala w pierwszej kolejności zabezpiecza przegrody przeszklone przed kondensacją wilgoci, bo ten efekt jest widoczny, a jakości powietrza nie widać. Jak wykazały analizy, dla poprawy sytuacji niezbędna jest decentralizacja układu grzewczo-wentylacyjnego, aby zapewnić spełnienie wymagań dla różnych grup użytkowników obiektu basenowego, poprawić jakość powietrza i zapewnić ochronę przegród budowlanych przed kondensacją wilgoci, a jednocześnie uzyskać wyraźne obniżenie zużycia energii w czasie eksploatacji. Wpływ na to ma struktura układu grzewczo-wentylacyjnego, sposób rozdziału powietrza w hali basenowej, optymalizacja układu technologicznego centrali wentylacyjnej basenowej, dodatkowe układy poprawiające komfort cieplny i chroniące przegrody zewnętrzne przed kondensacją, odpowiednio parametry operacyjne i energooszczędna eksploatacja. Zagadnienia te są przedmiotem rozważań w tej pracy.

1.2. Rozwój technologii do kontroli środowiska w krytych basenach

Podejście do projektowania instalacji do kontroli klimatu w krytych basenach zmieniało się przez lata. Pierwsze instalacje były instalacjami prostymi, które zapewniać miały utrzymanie temperatury oraz odprowadzać wilgoć. Projektowanie nastawione było właściwie tylko na efekty wizualne, czyli taki dobór instalacji wentylacyjnej, by nie występował efekt wykraplania wilgoci na przeszklonych powierzchniach przegród zewnętrznych [27,37].

Kolejnym krokiem było zwrócenie uwagi na zużycie energii przez technologie stosowanie w basenach krytych. W układach central wentylacyjnych zaczęto wprowadzać rozwiązania zmniejszające zużycie energii takie jak: recyrkulacja powietrza, wymienniki płytowe do odzysku ciepła, a najnowszym osiągnięciem jest wprowadzanie do central wentylacyjnych pomp ciepła, które osuszają powietrze i wspomagają jego podgrzew, przez co nagrzewnica może mieć mniejszą moc, a także mogą częściowo podgrzewać wodę basenową [27,36,37,38]. We współczesnych centralach łączy się te trzy wspomniane elementy odzysku ciepła w układ wielostopniowy.

Następną propozycją w zakresie polepszenia efektów energetycznych w układach instalacyjnych dla basenów krytych była propozycja osuszania powietrza przez układy otwartej adsorpcji, jednak rozwiązanie to nadal nie jest szeroko stosowane [27,37].

Zastosowanie wielostopniowego odzysku ciepła pozwala na znaczne obniżenie

zużycia energii potrzebnej do przygotowania powietrza. Dalsze działania, to zwracanie uwagi

na jakość powietrza i wody. Liczne badania, omówione w rozdziale 2.2., pokazują, że należy

skierować uwagę na nowe metody dezynfekcji wody w celu poprawy jej jakości oraz

jednocześnie zwracać uwagę na jakość powietrza, związaną bezpośrednio z powstawaniem zanieczyszczeń w związku z reakcjami chemicznymi zachodzącymi między zdezynfekowaną wodą a substancjami organicznymi wprowadzanymi do wody wraz z użytkownikami basenu.

W celu poprawy jakości powietrza należy więc w układach wentylacyjnych znaleźć sposób na ich usuwanie, na przykład poprzez zmianę podejścia do rozdziału powietrza (omówione w rozdz. 2.4.2.).

Kolejnym krokiem powinno być zintegrowanie wszystkich powyższych rozwiązań proponowanych jako najbardziej efektywne i właściwe dla basenów krytych. Poprzez zintegrowanie należy rozumieć połączenie centrali wentylacyjnej z wielostopniowym, wysokosprawnym odzyskiem ciepła, nowego podejścia do rozdziału powietrza, który ma zapewniać odpowiednią jakość powietrza użytkownikom oraz – dzięki wspomaganiu przez układ grzewczy – zapewniać komfort cieplny. Propozycję takiego zintegrowanego układu, dzięki któremu obniży się zużycie energii stanowić będą wyniki niniejszej rozprawy.

1.3. Aspekty energetyczne

W ostatnim pięćdziesięcioleciu obserwuje się ciągły wzrost zużycia energii pierwotnej na świecie [48]. W latach 1984–2004 nastąpił wzrost zużycia energii pierwotnej o 49%, a emisja CO

zwiększyła się również o 49%. Budynki zużywają około 40% energii końcowej.

W Unii Europejskiej w roku 2004 zużycie energii przez budynki wynosiło 37% i było wyższe od zużycia energii przez przemysł i transport odpowiednio o 28% i 32%. Również w Polsce zużycie energii pierwotnej przez budownictwo kształtuje się od wielu lat na poziomie około 40% [5]. Na zużycie energii przez budynki wpływają straty ciepła przez przenikanie spowodowane zbyt dużymi współczynnikami przenikania ciepła, urządzenia do wytwarzania ciepła o zbyt małej sprawności oraz nieszczelne obudowy budynków. Największy udział w tych stratach mają budynki mieszkalne z uwagi na ich duży udział w ogólnej liczbie budynków. Zwracać uwagę należy również na budynki biurowe, których liczba także jest duża. Niemniej każdy budynek powinien być w obecnych czasach energooszczędny.

Unia Europejska wydała dyrektywę w sprawie efektywności energetycznej [98], według której do 2020 roku wszystkie nowo budowane budynki powinny być budynkami o minimalnym zużyciu energii oraz z dużym udziałem odnawialnych źródeł energii jako podstawą zasilania instalacji w budynku. Natomiast budynki istniejące powinny przechodzić modernizację w celu obniżenia zużycia energii.

Z uwagi na konieczność dostosowania wspomnianej dyrektywy unijnej do warunków

krajowych, wprowadzono w Polsce 1 stycznia 2014 roku nowe warunki techniczne [100],

w których przedstawiono nowe wymagania stawiane obiektom budowlanym w zakresie

zmniejszenia zużycia energii. Wraz ze zbliżaniem się do 2020 roku zmniejszeniu ulegają

maksymalne wartości współczynników przenikania ciepła dla wszystkich rodzajów przegród

budowlanych oraz wszystkich obiektów budowlanych. Zmniejszenie to jest stopniowe, ale

takie, że obiekty budowane po roku 2021, będą miały bardzo niskie współczynniki

przenikania ciepła, co przełoży się na niskie straty ciepła przez przenikanie. Dodatkowo

rozporządzenie wprowadza obowiązek stosowania odnawialnych źródeł energii, wskazując

maksymalne wskaźniki zużycia energii pierwotnej. Żeby osiągnąć wartości planowane dla budynków budowanych po 2021 roku, należy zmniejszać straty ciepła budynku, ale przy jednoczesnym stosowaniu rozwiązań instalacyjnych korzystających z odnawialnych źródeł energii, przy równocześnie wysokiej ich sprawności. Pożądane będą systemy działające okresowo, jedynie gdy jest to konieczne w celu zmniejszania zużycia energii elektrycznej, który ma wysoki wskaźnik energii pierwotnej [103].

Obiekty basenowe są często traktowane jako obiekty zużywające znaczne ilości energii, a tym samym przynoszące straty [77]. Jeżeli w kompleksie nie ma części rekreacyjnej w formie atrakcji wodnych, część sportowa często nie przynosi dużych zysków. Dzieje się tak z powodu konieczności zapewniania wysokich parametrów powietrza oraz przez stosowanie systemów utrzymujących komfort cieplny zaprojektowanych w niewłaściwy sposób.

Problemem są przede wszystkim koszty eksploatacji takiego obiektu. Należy więc zwracać uwagę na takie projektowanie systemów instalacyjnych, żeby utrzymywały komfort cieplny użytkowników przy jednocześnie możliwie małych kosztach eksploatacyjnych. Warto zwrócić również uwagę na to, że zużycie energii obiektu basenowego zależy też od projektu obudowy zewnętrznej. Oszczędności można więc szukać już na etapie projektowania poprzez stosowanie dobrych jakościowo i pod względem termicznym materiałów budowlanych [61]

oraz unikanie mostków cieplnych [7]. Warto także zwrócić uwagę na izolacje pomieszczeń sąsiadujących z halą basenową, które mają niższą temperaturę wewnętrzną. Straty ciepła do tych sąsiednich pomieszczeń mogą być znaczące [23].

Nie należy szukać oszczędności w obniżaniu temperatury wody, jak ma to często miejsce [34,50], ponieważ są to jedynie oszczędności pozorne. Użytkownicy basenu nie będą chcieli z niego korzystać, jeśli woda będzie miała za niską temperaturę. Również zmniejszanie temperatury powietrza (mniejsza moc urządzeń do podgrzewania powietrza) czy zmniejszanie wilgotności względnej (mniejsze parowanie, ale konieczność osuszania powietrza) dają tylko pozorne zmniejszenie zużycia energii, które przyczyniają się do zwiększenia kosztów pracy systemu wentylacyjnego [81].

W literaturze można znaleźć dane dotyczące zużycia energii końcowej przez baseny pływackie. Porównanie tych danych może być jednak trudne z uwagi na różnorodność architektoniczną oraz różne przeznaczenie obiektów.

Wykresy na rysunkach 1.1. i 1.2. przedstawiają analizy autorów [93] dotyczące

zużycia energii oraz kosztów tej energii w odniesieniu do basenów pływackich. Autorzy

zauważają, że mimo kryzysów energetycznych, wzrostu kosztów energii i nacisków

dotyczących polepszania parametrów termicznych budynków koszty zużytej energii są na

podobnym poziomie. Chociażby ze względu na to, że trend dotyczący wzrostu cen energii

będzie się z pewnością utrzymywał, należy zwracać uwagę na zmniejszanie zużycia energii

przez budynki, ponieważ w przeciwnym wypadku, szczególnie obiekty basenowe,

rzeczywiście staną się obiektami nieopłacalnymi i przynoszącymi straty.

Rys. 1.1. Procentowy udział zużycia energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy według danych UK na rok 1997

Rys. 1.2. Procentowy udział kosztów zużytej energii końcowej na różne cele przez obiekt basenowy według danych UK na rok 1997 i 2008

Analiza strat ciepła przykładowych obiektów basenowych przedstawiona jest w rozdziale 5.1.5.

1.4. Ocena dotychczasowych rozwiązań

Biorąc pod uwagę konieczność wprowadzania rozwiązań energooszczędnych dla systemów przygotowania powietrza oraz zapewnienia odpowiednich parametrów klimatu wewnętrznego i odpowiedniej temperatury wody dla basenów pływackich, wykonano przegląd badań nad takimi systemami.

Lazzarini i Longo w 1996 roku [37] porównywali 5 systemów wentylacyjnych dla krytego basenu pływackiego: prosty system wentylacyjny, system z odzyskiem ciepła w postaci wymiennika krzyżowego o sprawności odzysku ciepła 70%, system z pompą ciepła ze skraplaczem powietrznym i wodnym z napędem elektrycznym, system z pompą ciepła, ale napędzaną silnikiem, oraz nowy system z osuszaniem sorpcyjnym. Po zanalizowaniu ich stwierdzili, że układy z pompą ciepła są najlepszymi dostępnymi rozwiązaniami. Układ z osuszaniem sorpcyjnym dawał najlepsze wyniki, jednakże jest on skomplikowany i nie jest powszechnie stosowany, natomiast w przypadku zastosowania pompy ciepła układ jest

53%

10%

25%

6% 6%

Procentowy stosunek zużycia energii końcowej na różne cele w obiekcie

basenowym (1997)

Ogrzewanie Wentylatory i pompy

Podgrzewanie wody Oświetlenie

Inne

28%

13% 27%

16%

16%

Procentowy udział kosztów zużywanej energii w krytej pływalni (1997)

Ogrzewanie Wentylatory i pompy

Podgrzewanie wody Oświetlenie

Inne

32%

30%

11%

13%

14%

Procentowy udział kosztów zużywanej energii w krytej pływalni (2008)

Ogrzewanie Wentylatory i pompy

Podgrzewanie wody Oświetlenie

Inne

stosunkowo prosty zarówno w budowie, jak i działaniu, tak że jego obsługa nie jest skomplikowana. Kontrola parametrów wewnętrznych w hali basenowej może zmniejszać zużycie energii obiektu basenowego bez konieczności stosowania skomplikowanych technologii. Przykładem może być układ prosty, ale przy zwiększeniu wilgotności względnej powietrza z 50% do 70%. Przy takich założeniach układ zużywa porównywalną ilość energii, co jest bardziej skomplikowane przy mniejszej wilgotności względnej powietrza. Analizy są wykonane bez podawania większych szczegółów i bez analizy wpływu zmiany parametrów powietrza i wody na konstrukcję budynku.

Johansson i Westerlund w 2001 roku [27] badali 3 systemy wentylacyjne: układ prosty, układ z pompą ciepła i układ z osuszaniem w systemie otwartej adsorbcji. W układzie prostym do kontroli wilgotności powietrze służy mieszanie powietrza zewnętrznego i usuwanego z hali basenowej, a do kontroli temperatury nagrzewnica wodna. W układzie z pompą ciepła z podwójnym skraplaczem wodnym i powietrznym 20% powietrza osuszane jest w parowaczu pompy ciepła, a pozostałe powietrza przechodzi przez by-pas. Skraplacz pompy ciepła podzielony jest w taki sposób, że 90% jego mocy przeznaczone jest do podgrzewu wody basenowej, a jedynie 10% do podgrzewu powietrza wentylacyjnego.

Dodatkowo osuszanie powietrza nocą odbywa się bez udziału powietrza świeżego. Trzecim porównywanym systemem był, podobnie jak u Lazzariniego i Longo, układ z otwartą absorbcją, w którym również, jak w przypadku pompy ciepła, część powstałego przy osuszaniu powietrza ciepła jest przekazywana wodzie basenowej. W tym układzie do jego pracy potrzebny jest dodatkowy generator, który jest niezbędny do pracy adsorbera.

W analizach porównawczych przyjęto minimalny udział powietrza świeżego 10m

/(h

m

), wilgotność względną utrzymywaną w hali basenowej zależną od parametrów powietrza zewnętrznego (50÷63%), trzy wartości parowania oraz stałą moc potrzebną do podgrzewu ciepłej wody użytkowej i zużywaną przez wentylatory i pompy. Autorzy stwierdzili, że stosując pompę ciepła, można uzyskać zmniejszenie zużycia energii o 14% w stosunku do układów prostych, a przy zastosowaniu systemu osuszania adsorpcyjnego o 20%. Zalecają jednak stosowanie układów z pompą ciepła, gdyż są to systemy dobrze poznane i zoptymalizowane, a rozwiązania z układami adsorpcyjnymi nie są jeszcze skomercjalizowane. Z tego powodu nie ma również możliwości porównania kosztów zastosowania obu rozwiązań. Autorzy założyli, że zużycie energii przez wentylatory jest stałe i nie zmienia się przy zastosowaniu bardziej skomplikowanych układów (więcej elementów w centrali powodujących większe straty ciśnienia). Dodatkowo stwierdzają, że błąd w obliczeniach, w stosunku do obiektów rzeczywistych, może powodować przyjęcie z góry założonej ilości odparowującej wody, na którą wpływ w rzeczywistości ma bardzo wiele czynników.

Lam i Chan w 2001 roku [36] do analizy układów wentylacyjnych dla basenów

wprowadzili obliczenia zużycia energii w cyklu życia. Autorzy porównywali koszty dla

trzech układów: z pompą ciepła, z nagrzewnicą eklektyczną oraz nagrzewnicą wodną,

jednakże ich analizy dotyczyły małego, odkrytego basenu hotelowego, więc obliczenia

dotyczyły jedynie podgrzewu wody. Autorzy stwierdzili jednak, że najbardziej opłacalnym

systemem jest układ z pompą ciepła.

Również Lee i Kung [38] badali zużycie energii oraz jej koszty w cyklu życia. Do podstawowych obliczeń zastosowany był układ przygotowania powietrza oparty na pompie ciepła, gdzie parowacz służył do osuszania powietrza, skraplacz do podgrzewu powietrza, dodatkowy skraplacz do podgrzewu wody oraz nagrzewnica elektryczna. W badaniach zastosowany był zmienny udział strumienia powietrza świeżego, regulowany w funkcji entalpii powietrza zewnętrznego. Dla niskich temperatur na zewnątrz przewidziano minimalny strumień powietrza świeżego, natomiast wraz ze wzrostem entalpii zwiększał się strumień powietrza świeżego, osiągając 100%. Autorzy zauważyli, że przy pewnych sprzyjających warunkach zewnętrznych nagrzewnica elektryczna nie musi działać. W swoich analizach wykorzystali również optymalizację roju cząstek, optymalizując strumień powietrza świeżego. Dodatkowo wykonali obliczenia w cyklu życia. Zaproponowany układ centrali wentylacyjnej jest jednak układem, który nie jest stosowany powszechnie. Nie stosuje się układów, w których występuje zewnętrzny wymiennik ciepła, szczególnie w Polsce.

Peng Sun i inni w roku 2011 [47] wprowadzili do swoich analiz element zapewnienia komfortu cieplnego człowiekowi. W poprzednich publikacjach parametry wody i powietrza były stałe, tu wprowadzone zostało rozróżnienie parametrów wody i powietrza w zależności od pory roku. Przeprowadzono badania, dzięki którym uzyskano wskazania dotyczące komfortowych temperatur dla ludzi przebywających w pomieszczeniu i określono je dla kolejnych pór roku jako: dla lata 29,7

C, dla jesieni 28,2

C, dla zimy 28,6

C oraz dla wiosny 27,8

C. Temperatura wody natomiast ustalana jest na podstawie temperatury powietrza i powinna być niższa od niej o 2

C. Podejście takie wydaje się słuszne, gdyż różnica temperatur między powietrzem zewnętrznym a wewnętrznym wpływa na odczucia komfortu i im większa ta różnica, tym odczucia są gorsze, jednak ta zasada bardziej dotyczy pomieszczeń o innej specyfice niż baseny pływackie. Peng Sun i inni określili temperaturę wody w zakresie 25,8÷27,7

C, co wydaje się nieco niską temperaturą, odpowiednią jedynie do treningu wyczynowego (co będzie omówione w rozdz. 2.1.1.). Dodatkowo, co nie było wcześniej stosowane, wprowadzili zewnętrzny wymiennik ciepła, który w okresach gdy nie ma zbyt dużego odbioru ciepła, w lecie i na jesieni, służy do odbioru ciepła powstałego w skraplaczu podczas osuszania powietrza parowaczem, natomiast w okresie wiosny i zimy może służyć jako chłodnica. Oprócz innego podejścia do parametrów powietrza i wody autorzy analizowali pracę centrali wentylacyjnej, stosując różną regulację w zależności od pory roku. Autorzy zauważyli konieczność regulacji parametrów powietrza i wody w zależności od warunków zewnętrznych w celu zapewnienia komfortu użytkownikom, jednakże zmniejszone zużycie energii w ich analizach spowodowane jest przez przyjęcie zbyt niskich temperatur, co nie ma przełożenia w porównywaniu ich analiz z analizami innych autorów, gdzie przyjmowane przez nich temperatury były wyższe i bliższe zaleceniom literaturowym.

Analizując badania opisane w literaturze, należy zauważyć, że nie ma wśród nich badań autorów polskich.

Przedstawione badania skupiają się w większości na analizie centrali wentylacyjnej

basenowej. Nie określają jednak, jakie parametry nawiewu były uwzględniane

w obliczeniach, co ma wpływ na zużycie energii. Nie poruszają one również kwestii rozdziału

powietrza. Nic nie wiadomo na temat układu nawiewno-wywiewnego wewnątrz hali basenowej. Nie określają wpływu wentylacji na obudowę zewnętrzną budynku, a przede wszystkim kwestii zabezpieczenia konstrukcji przez wykraplaniem się na jej powierzchni wilgoci.

Badania opisują pracę centrali z podziałem na dzień i noc i zmienność w osuszaniu powietrza, jednakże oprócz Peng Suna nie określają, jak centrala pracuje w ciągu roku i jaki wpływ na jej pracę mają pory roku.

Omawiane układy wentylacyjne, które autorzy wskazują jako najbardziej efektywne, nie są możliwe do zastosowania (systemy sorpcyjne), a jako równie dobrą alternatywę autorzy podają centralę z pompą ciepła. Zang, Zhu, Deng i Hue w roku 2005 [90] stwierdzili, że pompy ciepła nadają się bardzo dobrze do kontroli klimatu wewnętrznego dla pomieszczeń, gdzie należy utrzymywać i temperaturę, i wilgotność względną powietrza. W badanym układzie oprócz pompy ciepła występował również wymiennik ciepła dla poprawienia efektywności oraz zmniejszenia zużycia energii. Analizy nie były co prawda przeprowadzone dla obiektu basenowego, jednakże autorzy wskazują takie rozwiązanie jako godne uwagi dla różnych systemów HVAC. Układ centrali zaproponowanych przez tych autorów wydaje się najbardziej efektywny i sprawdzony będzie obliczeniowo.

Zaproponowany w rozprawie układ wentylacyjny oparty będzie na określonym jako najlepszy układzie z pompą ciepła. Dodatkowo jednak zostanie wprowadzony wymiennik ciepła, który ma znaczny wpływ na oszczędności energii poprzez zmniejszenie wymaganej mocy nagrzewnicy.

Analizowana będzie centrala, która jest dostępna na rynku, czyli urządzenie takie można zastosować zarówno w nowo budowanych obiektach w Polsce, jak i w obiektach modernizowanych. W analizach pod uwagę wzięty będzie rozdział powietrza wewnątrz hali basenowej, który uwzględniać będzie potrzeby cieplne wszystkich użytkowników obiektu, ale również podane będą i przeanalizowane rozwiązania dotyczące konstrukcji budynku i ich zabezpieczenie. Nowością więc będzie podejście całościowe do rozwiązania systemu grzewczo-wentylacyjnego hali basenowej, z wzięciem pod uwagę komfortu użytkowników (zarówno pływaków, ratowników, jak i widowni) pod względem cieplnym oraz jakości powietrza. Przeprowadzone zostaną analizy wpływu obudowy budynku i jego lokalizacji, jednak podstawą będzie komfort użytkowników i zmniejszenie zużycia energii centrali basenowej oraz systemu grzewczo-wentylacyjnego całej hali basenowej.

1.5. Cel i zakres pracy

Zakres pracy i problem naukowy

Zakres rozprawy obejmuje problematykę zużycia energii w krytych basenach kąpielowych oraz propozycje rozwiązania systemu wentylacyjnego tych obiektów w taki sposób, aby przy zmniejszeniu zużycia energii zapewnić odpowiednie parametry powietrza wewnętrznego w istotnych dla użytkowników miejscach hali basenowej.

Z uwagi na dużą liczbę powstających obiektów basenowych zagadnienie zużycia

energii ma fundamentalne znaczenie, szczególnie w aspekcie powstawania budynków

energooszczędnych. Źle zaprojektowany i eksploatowany system grzewczo-wentylacyjny powoduje duże koszty eksploatacyjne i nie zapewnia wymaganej jakości powietrza w strefie basenu i strefie widowni.

Cele pracy

Celem pracy jest zaproponowanie zdecentralizowanego systemu wentylacyjnego dla obiektów basenowych. System rekomendowany będzie systemem strefowym, tak zaprojektowanym, żeby przy minimalnym zużyciu energii zapewniać kontrolę podstawowych parametrów termicznych, wilgotnościowych i jakości powietrza (IAQ). Uwaga przede wszystkim skupiona będzie na zapewnieniu odpowiednich parametrów powietrza użytkownikom (pływakom, ratownikom, trenerom), zabezpieczeniu konstrukcji budynku przed szkodliwym wpływem panujących wewnątrz hali basenowej warunków oraz zmniejszeniu zużycia energii przez układ wentylacyjny.

Cele szczegółowe pracy obejmują:

1. Zaproponowanie układu wentylacji strefowej obiektów basenowych i pokazanie korzyści z tego wynikających zarówno dla zarządców obiektu, jak i dla jego użytkowników

2. Zaproponowanie algorytmu symulacyjnego pracy centrali wentylacyjnej, możliwego do wykorzystania w urządzeniach stosowanych w obiektach basenowych.

3. Zwrócenie uwagi na problemy jakości powietrza w halach basenowych spowodowane obecnością związków chloru obecnych w powietrzu, a będące wynikiem kontaktu dezynfekowanej chlorem wody ze związkami organicznymi wprowadzanymi do wody przez użytkowników. Jakość powietrza odbija się na zdrowiu przede wszystkim pracowników i pływaków wyczynowych.

4. Analiza możliwości zaprojektowania obiektu basenowego i układu HVAC, aby zużycie energii przez ten obiekt było jak najmniejsze, co znacząco wpływa na koszty eksploatacyjne obiektu.

5. Analiza błędów popełnianych przy projektowaniu obiektów basenowych i wpływ tych błędów na użytkowników basenów.

Teza pracy

Decentralizacja systemu rozdziału powietrza i zmiana procedury kontroli parametrów

pracy centrali basenowej pozwalają na poprawę jakości powietrza i komfortu cieplnego

w poszczególnych strefach hali basenowej przy jednoczesnym obniżeniu zapotrzebowania na

energię.

2. Stan badań nad środowiskiem wewnętrznym w basenach krytych

2.1. Parametry termiczne i wilgotnościowe hal basenowych

Opisując komfort cieplny, najczęściej przywołuje się definicję Fangera [21,22,46,96], która mówi, że komfort cieplny jest to stan, w którym człowiekowi odpowiadają warunki środowiska, w którym się znajduje, a wpływ na niego mają przede wszystkim temperatura, wilgotność względna powietrza czy jego prędkość.

Autorzy [22] bardziej szczegółowo określili elementy wpływające na komfort cieplny z podziałem na kilka grup.

Na komfort cieplny dla lata i zimy ze strony parametrów powietrza wpływają:

‒ temperatura powietrza w pomieszczeniu – może być różna dla lata i zimy,

‒ pionowy gradient temperatury,

‒ prędkość powietrza i odczucie przeciągu,

‒ wilgotność względna powietrza.

Na komfort cieplny ze strony konstrukcji budynku wpływają:

‒ temperatura przegród zewnętrznych,

‒ zabezpieczenie przed promieniowaniem słonecznym (wewnętrzne/zewnętrzne elementy zacieniające),

‒ odpowiednie współczynniki przenikania ciepła, które zapewnią mniejsze straty ciepła w zimie i mniejsze zyski ciepła w lecie oraz zabezpieczą konstrukcję obiektu przed wykraplaniem wilgoci,

‒ podział obiektu na strefy, w których mają być zapewnione odpowiednie parametry powietrza,

‒ zapewnienie odpowiedniej szczelności powietrznej obiektu (wskaźnik 𝑛

[ℎ

] ),

‒ liczba i powierzchnia mostków cieplnych,

‒ w przypadku wentylacji naturalnej konieczność otwierania okien.

Na komfort cieplny ze strony instalacji budynku wpływają [22]:

‒ odpowiednie zaprojektowanie instalacji wentylacyjnej i ogrzewania,

‒ zaprojektowanie instalacji ogrzewania i chłodzenia strefowych,

‒ kontrola prędkości powietrza i odpowiedni rozdział powietrza,

‒ kontrola wilgotności względnej i temperatury powietrza,

‒ instalacja wentylacyjna umożliwiająca zmianę przepływu powietrza,

‒ obecność instalacji klimatyzacyjnej.

Według ASHRAE [96] dodatkowo na komfort cieplny wpływają czynniki ze strony ludzi:

ubiór, płeć, wiek, aktywność fizyczna, komfort cieplny jest odczuciem indywidualnym, ale również: jakość powietrza – skład fizykochemiczny oraz strumień powietrza świeżego i poziom dźwięku.

Należy również zauważyć, że na odczucia komfortu cieplnego wpływ ma czas przebywania w obiekcie [46].

Parametry komfortu cieplnego powinny być dobierane według przeznaczenia

pomieszczenia oraz aktywności fizycznej ludzi w nim przebywających. Czas przebywania ma

również znaczenie. W obiektach basenowych, szczególnie w przypadku basenów sportowych, czas przebywania na hali basenowej to 45–60 minut. W przypadku treningów pływaków wyczynowych czas ten może wynosić 90–180 minut. Można więc przyjąć, że warunki komfortu cieplnego nie muszą być ściśle utrzymywane [46]. Oprócz pływaków w obiekcie przebywają jednak również trenerzy, opiekunowie oraz ratownicy, którzy z reguły spędzają na basenie więcej niż 2 godziny. Różnica w przypadku tych dwóch grup jest znaczna, ponieważ ci drudzy są przeważnie w ubraniach.

Parametry komfortu cieplnego powinny być dobrane w taki sposób, żeby zapewnić odczucie zadowolenia użytkownikom. Nie muszą być one utrzymywane przez całą dobę.

W nocy, gdy basen jest nieużytkowany, może nastąpić zmiana parametrów powietrza, które w przypadku obecności w hali basenowej ludzi mogłyby powodować odczucie dyskomfortu [43].

Dobierając parametry powietrza w hali basenowej, należy wziąć pod uwagę poza użytkownikami również konstrukcję budynku. Przegrody zewnętrzne muszą być zabezpieczone przed możliwością wykraplania się na ich powierzchni oraz we wnętrzu wilgoci. Parametry powietrza wewnętrznego powinny być zatem tak dobrane, żeby zabezpieczyć przegrody przed tym zjawiskiem. Może się to odbywać poprzez dobranie odpowiednich materiałów budowlanych dla obudowy zewnętrznej budynku, charakteryzujących się niskimi współczynnikami przenikania ciepła, szczególnie dla części przeszklonych.

Parametry powietrza dobrane dla hali basenowej odpowiadają za komfort cieplny użytkowników, potencjalną możliwość wykraplania się wilgoci na powierzchni przegród zewnętrznych, czyli ich trwałość, jak również mają znaczący wpływ na wartość parowania z powierzchni wody, zatem także na zużycie energii urządzeń utrzymujących te parametry na zadanym poziomie.

2.1.1. Parametry wody basenowej

W Polsce, jak i w wielu innych krajach nie ma norm i przepisów dotyczących krytych basenów pływackich. W literaturze można jednak znaleźć wytyczne dotyczące doboru parametrów powietrza: temperatury, wilgotności względnej, prędkości powietrza. Zestawienie danych zebranych z literatury znajduje się w tabelach 2.1. i 2.2.

Najważniejszym wyznacznikiem parametrów termicznych wewnątrz hali basenowej

jest temperatura wody. Jest ona zależna od przeznaczenia basenu. W literaturze można

znaleźć wiele rekomendacji dotyczących temperatury wody basenowej. Swoje wytyczne, nie

tyle w kwestii rodzaju basenu, ile w kwestii rozgrywania zawodów, przedstawia Światowa

Federacja Pływacka (FINA) [99]. W licznych artykułach poświęconych basenom pływackim

można znaleźć szereg wartości dotyczących temperatury wody, a zestawienie tych temperatur

przedstawia tabela 2.1.

Tab.2.1.Temperatura wody w zależności od rodzaju basenu według różnych źródeł Rekomendacje Temperatura wody

Źródło

FINA Pływanie 25–28

[99]

Skoki do wody >26

Piłka wodna 26±1

Pływanie synchroniczne 27±1 ASHRAE Pływanie rekreacyjne 24÷29

[96]

Zawody pływackie 24÷28

Skoki do wody 27÷32

Hotel 28÷30

Baseny terapeutyczne 29÷35

UK Ogólne 26÷28

[49]

Terapeutyczne 32

Publiczne ≥28

Dla dzieci 30 [75]

VDI Ogólne 24÷28

[110]

Dla dzieci 30÷34

Uzdrowisko 23÷32

Terapeutyczne 30÷34

Polska Ogólne 24÷26

[25]

Dla dzieci 28

Inne Ogólne t

=t

- 2 [47]

2.1.2. Parametry powietrza w hali basenowej

Dobierając temperaturę wewnętrzną w hali basenowej, należy wziąć pod uwagę, że główni użytkownicy basenu są rozebrani. Temperaturę powietrza należy więc dobrać tak, żeby zapewnić im odczucie komfortu cieplnego, gdy wchodzą do hali basenowej, ale również gdy opuszczają basen. Ta druga sytuacja jest ważniejsza przy planowaniu temperatury, ale także prędkości powietrza, gdy wychodzący ludzie są mokrzy. Ma to szczególne znaczenie w przypadku basenów rekreacyjnych, gdy ludzie przemieszczają się między atrakcjami wodnymi.

Nie ma praktycznie ścisłych przepisów dotyczących projektowania temperatury i wilgotności względnej powietrza, ale można znaleźć wytyczne, którymi należy się kierować, żeby przy jednoczesnym zapewnieniu komfortu cieplnego dla użytkowników zabezpieczyć konstrukcję obiektu przed wykraplaniem wilgoci oraz utrzymywać zużycie energii obiektu na jak najniższym poziomie.

Wilgotność względną powietrza, która znajduje się w przedziale komfortu, należy

dobierać w powiązaniu z temperaturą powietrza, inne bowiem będą odczucia przy danej

wilgotności względnej dla różnych temperatur powietrza wewnętrznego. Te zależności można

znaleźć na krzywej duszności według Lancastera-Catensa-Ruge’a przedstawioną na rysunku

2.1.: