ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z WENTYLACJI I KLIMATYZACJI

(1)

INSTYTUT KLIMATYZACJI I OGRZEWNICTWA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z WENTYLACJI I KLIMATYZACJI

PAROWANIE WODY ZE SWOBODNEGO ZWIERCIADŁA I WENTYLACJA POMIESZCZEŃ O DUŻYCH ZYSKACH WILGOCI

(2)

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA 2

1 WSTĘP

14 lutego 2004 roku w parku wodnym „Traansval” w Moskwie, zbudowanym w 2002r. przez mało znaną turecką firmę budowlaną, doszło do tragedii.

Wielka - o powierzchni 500 m² - kopuła ze stali, betonu i szkła runęła z wysokości 30 metrów na kąpiących się ludzi. W wyniku katastrofy śmierć poniosło 28 osób i rannych zosta- ło 200 osób. Z początku twierdzono, że jedyną przyczyną zawalenia kopuły mógł być zamach terrorystyczny. Jak się później okazało w Aquaparku błędnie zaprojektowano system wenty- lacyjny.

Rys. 1.1. Zniszczony park wodny „Traansval” w Moskwie

Unosząca się z rozgrzanych basenów para wodna przenikała do betonowych elemen- tów kopuły i w niskiej temperaturze zamarzała, stopniowo rozkruszając konstrukcję. Przedo- stający się wraz z parą do kopuły chlor przyspieszył korozję prętów zbrojeniowych. Gdy do tego wszystkiego doszła jeszcze trzymetrowa warstwa śniegu i lodu leżąca na kopule, wte- dy katastrofa była nieunikniona.

Tragedie takie, jak ta opisana powyżej to na szczęście rzadkość, ale błędy projektowe, wykonawcze i eksploatacyjne zdarzają się częściej. W konsekwencji, w obiektach o dominujących zyskach wilgoci, mogą pojawiać się zawilgocenia na ścianach, które prowa- dzą do osłabienia konstrukcji i często pojawienia się pleśni i grzyba na ścianach. Para wodna może wykraplać się również na oknach, a elementy metalowe mogą rdzewieć, zabrudzając przy tym powierzchnie, do których są przymontowane. Pomijając już względy bezpieczeń- stwa, obiekty z takimi usterkami nie wyglądają estetycznie i nie zachęcają użytkowni- ków do ponownego odwiedzania i korzystania z usług.

Poniżej przykłady z istniejącego krytego basenu i wady jakie na nim wystąpiły.

(3)

Wykraplanie się pary wodnej na przegrodach zewnętrznych

Rdzewienie metalowych elementów

Widoczne zacieki na przegrodach budowlanych

Rys. 1.2. Skutki niewłaściwego projektowania, wykonania

i eksploatacji instalacji wentylacji na krytym basenie kąpielowym

2 STANOWISKO POMIAROWE

Stanowisko laboratoryjne poświęcone badaniom parowania wody ze swobodnego i wzburzonego zwierciadła wody i wentylacji pomieszczeń o dużych zyskach wilgoci zlokalizowane jest w pomieszczeniu 332 w budynku C-6 Politechniki Wrocławskiej.

W sali znajduje się model krytego basenu kąpielowego 25 x 12,5 m wykonanego w skali 1:15.

Zadaniem ćwiczeń laboratoryjnych jest poznanie metod pomiaru oraz obliczania strumienia wilgoci parującej ze swobodnego i wzburzonego zwierciadła wody.

3 CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest:

 poznanie podstawowych zasad projektowania wentylacji krytych base- nów kąpielowych,

 określenie ilości wody odparowującej z powierzchni basenu kąpielowego przy spokojnym zwierciadle wody w warunkach konwekcji wymuszonej.

4 BUDOWA STANOWISKA LABORATORYJNEGO 4.1 Model krytego basenu

Model krytego basenu kąpielowego o wymiarach 25,0 x 12,5 m o głębokości 2,0 m wykonano w skali 1:15. Do modelu basenu doprowadzone będzie powietrze siecią kana- łów nawiewnych oraz wywiewnych. Na potrzeby uzdatniania wody zaprojektowany został zbiornik przelewowy wraz z rurą przelewową, upustową, a także przewodami dennymi, słu-

(4)

żącymi do napełniania wody w modelu. Na potrzeby badań dydaktycznych zaprojektowane zostały elementy pomiarowe, służące do odczytywania parametrów mierzonych.

Model krytego basenu zaprojektowano na podstawie analizy wymiarowej rozpływu powietrza w hali basenowej. Zaprojektowano nieckę basenową o wymiarach 1,65 x 0,85 m o głębokości 0,20 m. Nieckę wykonano z blachy stalowej, nierdzewnej, łączonej za pomocą spawania. Najbardziej odporna stal na działanie wody, temperatury i chlorków zawartych w wodzie basenowej jest stal nierdzewna niskowęglowa z zawartością chromu, niklu i dodatkowo molibdenu.

Zbiornik wody do uzdatniania i podgrzewania wody basenowej posadowiono na konstrukcji wsporczej, wykonanej ze stali nierdzewnej. Konstrukcja utrzymuje model krytego basenu wraz z wodą basenową (w niecce basenowej modelu – 280,5 dm³, w zbiorniku – ok. 210 dm³).

Model hali krytego basenu projektuje się ze szkła organicznego (plexiglasu lub poli- węglanu o przeźroczystości powyżej 95% i odporności na długotrwały wpływ temperatury do 50 ). Wymiary hali basenowej to 2,05 x 1,25 m oraz wysokości 0,60 m.

Parametry Wymiary obiektu rze-

czywistego

Wymiary modelu (skala 1:15)

Część wodna

Szerokość niecki 12,5 m 0,833 m 0,85 m

Długość niecki 25,0 m 1,667 m 1,65 m

Głębokość niecki 2,0 m 0,133 m 0,15 m

Przyjęto: 0,20 m

Powierzchnia lustra wody 312,5 m² 1,4025 m² = 140,25 dm² Objętość zładu niecki basenowej 625 m³ 0,2805 m³ = 280,5 dm³ Część powietrzna

Szerokość hali 17,8 m 1,25 m

Długość hali 32,5 m 2,05 m

Wysokość hali 9,0 m 0,60 m

Kubatura części powietrznej 5207 m³ 1,54 m³

4.2 Instalacja wentylacji (w trakcie budowy)

Projektuje się osobną instalację wentylacyjną do modelu krytego basenu kąpielowego.

Zadaniem instalacji wentylacyjnej jest doprowadzenie powietrza do modelu fizyczne- go oraz możliwość podgrzania tego powietrza do założonej temperatury, w celu utrzymania odpowiedniej temperatury powietrza w modelu.

(5)

Model fizyczny posiada sieć kanałów nawiewnych działających w 2 systemach. Sys- tem 1 zakłada nawiew dołem oraz wywiew górą. W systemie 2 realizowany jest nawiew górą oraz wywiew górą. Strumień powietrza nawiewanego wynosi 50 i jest on nawiewany szynami szczelinowymi po dwóch stronach niecki basenowej, omywając dłuższe boki modelu hali basenowej. Nawiewne szyny szczelinowe umieszczone zostały na poziomie podło- gi modelu oraz na poziomie sufitu. Projektuje się wykonanie 40 otworów wywiewnych w stropie modelu o średnicy 1 cm wykonanych równolegle do szyn nawiewnych, prowadzo- nych środkiem hali.

4.3 Układ przygotowania wody

Jako układ przygotowania wody zaprojektowano proces podgrzewania wody oraz pompowanie jej do zbiornika górnego. Zalecana temperatura wody basenowej to 28 . Podgrzewanie wody odbywać się będzie za pomocą grzałki elektrycznej, o mocy 4,0 kW umieszczonej w zbiorniku przelewowym, który znajduje się pod modelem basenu.

Wymiary zbiornika (długość x wysokość x głębokość) to 1,2 x 0,9 x 0,2 m. Do zbiornika przelewowego doprowadzona jest woda wodociągowa rurami PP 32 mm, na przewodzie za- montowano zawór odcinający. Woda do zbiornika właściwego wprowadzona jest po- przez przewody silikonowe 12/16mm za pomocą 2 pomp akwariowych.

Rys. 4.2. Model krytego basenu kąpielowego znajdującego się w pomieszczeniu 332

(6)

5 WYTYCZNE DO ĆWICZENIA 5.1 Parametry powietrza wilgotnego

Powietrze wilgotne jest mieszaniną powietrza suchego z wilgocią. Powietrze można opisać za pomocą parametrów stanu. Należą do nich: zawartość wilgoci , wilgotność względna , entalpia , temperatura , objętość właściwa , ciśnienie . W technice klimaty- zacyjnej zakładamy, że wszystkie zachodzące procesy są izobaryczne. Przez co, przy stałym ciśnieniu wystarczy znajomość dwóch parametrów, aby móc wyznaczyć pozostałe.

W procesach cieplno-wilgotnościowych zmianie ulega masa wilgoci , natomiast masa powietrza suchego zawsze pozostaje stała. Parametry powietrza wilgotnego odnosi się więc zawsze do masy powietrza suchego.

5.1.1 Zawartość wilgoci

Zawartość wilgoci jest informacją, ile wilgoci przypada na 1 kg powietrza suchego.

Jest to stosunek masy pary wodnej do zawartej w powietrzu wilgotnym do masy powietrza suchego .

Masa powietrza wilgotnego jest zaś sumą masy powietrza suchego oraz masy pary wodnej .

( )

Inna zależność występująca pomiędzy zawartością wilgoci a ciśnieniem cząstkowym pary wodnej.

Powyższy wzór można przekształcić tak, aby wyznaczyć ciśnienie cząstkowe pary wodnej.

(7)

5.1.2 Wilgotność bezwzględna

Jest to masa wody (pary wodnej) zawarta w wilgotnego powietrza, wyrażona w powietrza wilgotnego. Jest to wielkość identyczna z gęstością pary w temperaturze i ciśnieniu powietrza wilgotnego, którego para wodna jest składnikiem.

( ) , .

Objętość właściwą 1 kg mieszaniny powietrza i pary wodnej (powietrza wilgotnego) można wyznaczyć z poniższego wzoru. Jest to objętość zajmowana przez masę 1 kg powietrza wilgotnego.

( )

( ) Zatem jej gęstość.

( )

( ) 5.1.3 Wilgotność względna

Wielkość ta określa procentowo, w jakim stopniu powietrze jest nasycone wilgocią.

Jest to stosunek wilgotności bezwzględnej powietrza do wilgotności bezwzględnej powietrza nasyconego w tej samej temperaturze.

Wilgotność względną można również, zgodnie z prawem Clapeyrona, zapisać w poniższej postaci.

(8)

5.1.4 Stopień nasycenia powietrza

Jest stosunkiem zawartości wilgoci w powietrzu do zawartości wilgoci w powietrzu nasyconym w tej samej temperaturze.

Dla powietrza suchego ( ) i nasyconego ( ) zachodzi równość . Dla wszystkich wartości pośrednich .

5.1.5 Entalpia

Podczas przemian izobarycznych entalpia powietrza wilgotnego równa jest entalpii powietrza suchego oraz entalpii zawartej w nim wilgoci , co można zapisać następu- jącym wzorem:

Entalpia powietrza wilgotnego jest odniesiona do jednostki masy 1 kg powietrza suchego, zatem jest to entalpia właściwa powietrza wilgotnego.

( )

( ) .

5.2 Specyfika krytych basenów kąpielowych

Kryte pływalnie są specyficznymi obiektami, które wymagają zapewnienia w nich od- powiednich warunków mikroklimatu. W odróżnieniu od innych obiektów baseny charaktery-

(9)

zują się emisją wilgoci, które należy odprowadzić z przestrzeni hali basenowej. Na szybkość emisji wilgoci wpływ mają:

 powierzchnia lustra wody oraz powierzchnia zwilżonych posadzek,

 temperatura wody i powietrza,

 wilgotność względna powietrza,

 prędkość i ruch powietrza nad lustrem wody,

 aktywność kąpiących się osób oraz ich liczba.

Nieprawidłowe odprowadzenie wilgoci z hali basenowej, czyli źle zaprojektowana lub wykonana wentylacja może skutkować:

 powstawaniem pary wodnej na oknach,

 pojawieniem się rdzy na elementach metalowych,

 osłabieniem konstrukcji budynku, erozją przegród budowlanych,

 tworzeniem się pleśni i grzybów na przegrodach budowlanych,

 powstawaniem mostków cieplnych, przez co zwiększą się straty ciepła,

 dyskomfortem osób kąpiących się i pracujących.

Bardzo istotne jest zapewnienie prawidłowego odprowadzania wilgoci z hali basenowej. Konieczność osuszania występuje zarówno z powodu konieczno- ści zapewnienia korzystającym z basenu odpowiedniego mikroklimatu jak i ochrony budynku przed zawilgoceniem.

Emisja wilgoci w krytej pływalni to nie tylko zyski wilgoci odparowanej z powierzchni lustra wody, ale również odparowanej z powierzchni posadzek, wydzielonej przez osoby korzystające z budynku (oddychanie), w wyniku odparowania wody z powierzchni ich ciał oraz wynikająca z odparowania kropel wody rozpylonej w powietrzu (atrakcje wodne, aktywność osób kąpiących się).

6 WYTYCZNE DO PROJEKTOWANIA WENTYLACJI ODEMGLAJĄCEJ

6.1 Obliczanie zysków wilgoci za swobodnego zwierciadła

Istnieje wiele metod obliczania strumienia parującej wody ze swobodnego zwierciadła wody oraz wzburzonego, a także ze zwilżonych posadzek. W wyniku styku powietrza z wodą, tworzy się na jej powierzchni warstwa graniczna w postaci cienkiej warstwy powietrza nasyconego ( ). Parowanie wody następuje, gdy ciśnienie cząstkowe pary wodnej w warstwie granicznej będzie większe od ciśnienia cząstkowego pary wodnej w otaczającym

(10)

powietrzu. Proces ten jest intensywniejszy im różnica tych ciśnień jest większa. Na zaburze- nia warstwy granicznej wpływ ma prędkość ruchu powietrza nad lustrem wody. Prowa- dzi to do intensyfikacji procesu parowania, a przez to przedostawanie się zwiększonych zy- sków wilgoci do otoczenia.

Co do określania zysków wilgoci brak jest w literaturze jednoznacznych wzorów. Au- torzy różnych źródeł wyprowadzają swoje zależności z prawa Daltona, a zaistniałe różnice wynikają z innych metod uwzględnienia wzburzonej powierzchni wody.

Wzór na obliczenia emisji wilgoci ze swobodnego zwierciadła wody wg [1].

( ) ( )

,

, ,

( )

Rys. 6.3. Wykres służący do wyznaczania współczynnika odparowania a

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05

20 30 40 50 60 70 80 90 100

współczynnik a

temperatura powierzchni wody tpc, °C

Współczynnik odparowania a

(11)

Temperaturę powierzchni wody można obliczyć z zależności podanej przez ̈ , ważnej dla

( )

6.2 Emisja wilgoci ze zwilżonych posadzek wg Häussler

Ten wzór jest aktualny przy emisji pary wodnej z mokrej powierzchni posadzki podczas przepływu powietrza z prędkością w.

(

) ( )

Emisja pary wodnej z z mokrej powierzchni w powietrzu w bezruchu:

( )

6.3 Emisja wilgoci od ludzi

.

6.4 Obliczanie strumienia ciepła utajonego, wnoszonego do powietrza z parą wodną

( )

.

Przyjmujemy zgodnie z teorią warstwy przyściennej.

(12)

6.5 Obliczanie zysków ciepła jawnego oddawanego do powietrza przez powierzchnię zwierciadła wody i ściany zbiornika

Podczas bilansowania ciepła, wymianę ciepła przez przewodzenie i promieniowanie można pominąć, ponieważ powietrza z zakresie temperatur spotykanych w pomieszczeniach technologicznych z reguły charakteryzuje się małym współczynnikiem przenikania ciepła oraz praktycznie zerowym współczynnikiem czerni (emisyjność promieniowania). Zy- ski ciepła jawnego od powierzchni zbiorników można obliczyć:

( ) ( )

Od zwierciadła wody:

Od ścian zbiornika prostopadłościennego, jeżeli wysokość : (

)

6.6 Bilans ciepła całkowitego

6.7 Określenie zdolności asymilacyjnej powietrza

Można określić zdolność asymilacyjną pary wodnej za pomocą stosunku przyrostu zawartości wilgoci na drodze między nawiewem i strefą pracy do całkowitego przyrostu za- wartości wilgoci od nawiewu do wywiewu:

(13)

Z drugiej strony – ten sam wskaźnik można wyznaczyć z wykresu z zależności:

( )

Rys. 6.2. Wykres służący do wyznaczania współczynnika n zdolności asymilacyjnej powietrza

6.8 Obliczenie temperatury wewnętrznej powierzchni przegród budowlanych

Aby zapobiec wykropleniu pary wodnej na powierzchni przegrody, temperatura we- wnętrznej powierzchni przegrody powinna być wyższa o co najmniej 1 K od temperatury punktu rosy powietrza omywającego tę przegrodę.

( ) ( )

(14)

6.9 Obliczanie „bezpiecznej” temperatury powietrza wywiewanego

Temperatura powietrza , zabezpiecza przed wykraplaniem się pary wodnej na powierzchni przegród budowlanych oraz w przestrzeni powietrznej hali. Aby wyliczyć wartość tej temperatury można skorzystać z zależności:

( )

( ),

( )

Obliczenie współczynnika przejmowania ciepła do powierzchni szyby:

( )

Obliczenie współczynnika przejmowania ciepła do powierzchni stropu:

( )

6.10 Obszar stosowania metody obliczeniowej

Współczynnik kierunkowej przemiany określa obszar stosowania metody obliczeniowej.

– uj i wilgoci ( ji j ), – u uj o (wg w j o oraz w wilgoci),

– uj i j

(15)

6.11 Obliczenie strumienia powietrza wentylującego z dominujących zysków wilgoci

( )

.

7 BIBLIOGRAFIA

[ ] P Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy w 2008, Oficyna Wydawnicza Politechniki j

[ ] P S S j i klimatyzacja. Zadania

z i i w 2012, Oficyna Wydawnicza Politechniki j

[3] Haussler W., Zastosowanie wykresu i-x w i sanitarnej, Warszawa 1970, Arkady