Статья ВАК: К вопросу расчёта воздухообмена для помещений бассейнов

Для помещений плавательных бассейнов характерно формирование значительных тепловых и влажностных потоков над чашей, оказывающих дестабилизирующее влияние на создаваемый микроклимат. Вследствие этого важную роль играет корректное определение воздухообмена, которое позволяет обеспечить комфортные условия для посетителей и оптимизировать работу систем вентиляции. Поскольку в спортивных сооружениях данного назначения происходит интенсивное испарение с зеркала воды, заполняющей чашу бассейна, с мокрых поверхностей обходных дорожек и с тел посетителей, занимающихся водными видами спорта, то первоочередной задачей систем вентиляции является ассимиляция и удаление водяных паров [1].

На влагопоступления в воздушную среду влияют тепловые режимы помещений, а также количество людей или их отсутствие в технических перерывах, предусмотренных расписанием работы бассейнов. Однако, если температурные показатели эффективно стабилизируются средствами автоматизации систем обеспечения микроклимата, то поддержание требуемой влажности посредством воздействия на параметры воздушной среды является достаточно сложной задачей. Это связано с тем, что интенсивность испарения изменяется в течение суток, не только в зависимости от численности людей, но и от режимов функционирования фонтанов, горок и гидромассажей (при их наличии). Поэтому при нестационарных влагопоступлениях расчёт воздухообмена, обеспечивающего комфортные условия и отвечающего энергоэффективной эксплуатации здания, остаётся актуальной задачей.

В связи с этим рассмотрим методы определения расходов воздуха на ассимиляцию водяных паров для помещений бассейнов.

Используемые различные алгоритмы расчётов влагопоступлений и требуемых объёмов воздуха [2–4], несмотря на имеющиеся отличия, характеризуются общим подходом в решении данного класса задач, поэтому остановимся на наиболее широко применяемых в проектировании: методике О. Я. Кокорина; последовательности определения Бязина — Крумме, рекомендуемой обществом немецких инженеров VDI 2086 и представленной в руководстве по проектированию, созданном компанией Dantherm; а также на регламенте расчёта Р НП «АВОК» [2].

Определяющим в проектировании систем вентиляции для бассейнов являются поддерживаемые тепловые режимы, поэтому в зависимости от назначения помещений предварительно задаются следующими параметрами: температурой поверхности воды, температурой и относительной влажностью воздуха.

В соответствии с действующими нормами [1, 2] температуру воздуха необходимо принимать на 1–2°C выше температуры поверхности воды [1, 2, 5–7], которая, в свою очередь, выбирается из диапазона 26–29°C в зависимости от назначения бассейна. Вследствие этого температура воздуха может поддерживаться в пределах от 27 до 31°C [1, 2, 5–7]. Заданный таким образом тепловой режим является определяющим при прогнозировании влагопоступлений и обосновании требуемого воздухообмена.

Рассмотрим результаты расчётов воздухообмена по перечисленным методикам [2–4] для спортивных сооружений, имеющих бассейны с площадью зеркала воды 120, 160, 200, 240 и 280 м² и расположенных в климатических условиях Воронежской области [8].

По методу О. Я. Кокорина [4] поступления влаги [кг/ч] с поверхности воды, заполняющей бассейн, следует определять по формуле:

где А — коэффициент увеличения интенсивности испарения с поверхности воды при наличии людей, занимающихся плаванием, по отношению к её спокойному состоянию, рекомендуется принимать А = 1,5 [4]; F — площадь зеркала воды, м²; σисп — коэффициент испарения [4], кг/( м²·ч); dw и dв — влагосодержания воздуха при температуре поверхности воды и в зоне нахождения людей, соответственно, определяемые по i-d-диаграмме или расчётом при заданных температурах tw, tв и относительной влажности воздуха ϕв, г/кг.

Интенсивность испарения главным образом зависит от температуры, подвижности воздуха в помещении и от состояния зеркала воды, на которое влияет количество и степень активности занимающихся плаванием. Так как тепловой режим помещений не имеет существенных отличий для бассейнов разного назначения, а поверхность воды, заполняющей чашу, может не прогнозируемо изменятся, поэтому в рассматриваемой методике расчёта [4] коэффициент испарения рекомендуется определять в зависимости от подвижности воздуха в рабочей зоне по формуле:

σисп = 25 + 19v, (2)

где v — скорость воздуха в рабочей зоне, м/с.

Согласно условиям теплового комфорта, подвижность воздуха v в зоне нахождения обнажённых людей не должна превышать 0,1 м/с [4], тогда при её максимально возможном значении коэффициент испарения, в соответствии с зависимостью (2), не превысит 26,9 кг/( м²·ч).

Поскольку температуру воды в бассейне tw рекомендуется поддерживать в диапазоне 26–29°C [1, 2, 6], то для рассматриваемой задачи примем tw = 28°C. Тогда температура воздуха в помещении tв достигнет 30°C. При заданном тепловом режиме влагосодержание насыщенного воздуха dw составит 23,8 г/кг. При относительной влажности внутреннего воздуха 50%, значение которой входит в рекомендуемый диапазон 50–65% [1, 2, 6], и принятой температуре 30°C dв равно 13,4 г/кг.

В соответствии с исходными и расчётными данными и в зависимости от площади зеркала воды по формуле (1) вычисляются влагопоступления Wисп.

Так как влажный воздух легче сухого, то, насыщаясь парами в рабочей зоне, он поднимается под перекрытие с влагосодержанием dy, превышающим значение dв, для определения которого используется [4] зависимость вида:

dy = dв + Kd(dв — dп), (3)

где dв и dп — влагосодержание внутреннего и приточного воздуха, соответственно, г/кг; Kd — коэффициент эффективности организации воздухообмена.

Величина коэффициента Kd зависит от выбранной схемы воздухораспределения и удаления влажных воздушных масс. При рекомендуемой подаче приточного воздуха в нижнюю зону и удалении под перекрытием зала бассейна показатель эффективности организации воздухообмена следует принимать равным Kd = 1,6 [4].

После определения в соответствии с приведёнными выше выражениями (1)-(3) параметров Wисп и dy (dy = 17,9 г/кг) рассчитывается [4] количество приточного воздуха, необходимого для ассимиляции влагоизбытков, по формуле:

где ρп.н — плотность воздуха, кг/м³.

Для разной площади зеркала воды и климатических условий Воронежской области по методике О. Я. Кокорина были получены результаты, которые приведены в табл. 1.

Наибольшее распространение за пределами России получила методика немецких инженеров VDI 2086, рекомендуемая при проектировании компанией Dantherm. Основополагающим в расчётах также является определение интенсивности испарения водяных паров, для которой предлагается [3] зависимость вида:

W = eAw(PB — PL), (5)

где W — интенсивность испарения, г/ч; Aw — площадь поверхности воды в бассейне, м²; PB — давление водяных паров в насыщенном воздухе при температуре воды в бассейне, мбар; PL — парциальное давление водяных паров при заданных температуре и относительной влажности внутреннего воздуха, мбар; e — эмпирический коэффициент, принимаемый равным: 0,5 при закрытой поверхности бассейна или 5,0 при неподвижной поверхности зеркала воды, 15 для небольшого частного бассейна с ограниченным временем использования, 20 для общественных бассейнов с нормальной активностью занимающихся плаванием, 28 для больших бассейнов для отдыха и развлечений, 35 для аквапарков с водяными горками и значительным волнообразованием [3].

Расчётная интенсивность испарения является определяющим фактором для требуемого воздухообмена, но, в отличие от методики О. Я. Кокорина, для вычислений не используется значение влагосодержания удаляемого воздуха. Это связано с тем, что предложенный алгоритм, с точки зрения разработчиков, универсален для любой высоты перекрытий бассейнов, поэтому расход наружного воздуха [кг/м³], необходимый для ассимиляции расчётного количества испаряющейся влаги, рекомендуется определять [3] по формуле:

где Xu и Xi — влагосодержание наружного воздуха и в помещении, соответственно, г/кг; 1,175 — удельный вес воздуха, кг/м³.

Для расчёта интенсивности испарения влаги и воздухообмена при разной площади зеркала воды с учётом климатических условий Воронежской области принимались следующие параметры: при температуре воды 28°C PB = 37,8 мбар; при температуре воздуха 30°C и относительной влажности 50% парциальное давление водяных паров равно PL = 21,3 мбар; влагосодержание воздуха составляет Xu = 10,6 и Xi = 13,4 г/кг. Требуемый воздухообмен для ассимиляции влагоизбытков, определённый в соответствии с выражениями (5)-(6) для разных типов бассейнов, приведён в табл. 1.

В методике расчёта воздухообмена Р НП «АВОК» [2] влаговыделения [кг/ч] с определённого зеркала воды рекомендуется вычислять для двух режимов — для рабочего и нерабочего времени, соответственно, по формуле:

где βb(u) — интенсивность влаговыделений или так называемая «скорость испарения» в рабочее и нерабочее время, принимаемая по табл. 2 [2] в соответствии с проектной глубиной воды и создаваемыми дополнительными условиями для занимающихся плаванием, м/ч; R0 — газовая постоянная, для водяного пара R0 = 461,52 Дж/(кг·К); T — средняя арифметическая температура с учётом принятых значений tw для воды и tR для воздуха, К; AB — площадь зеркала воды, м²; PD. W — давление водяных паров насыщенного воздуха при температуре, равной заданной температуре воды в бассейне, принимаемое по представленным в [2] табличным данным, Па; PD. L — парциальное давление водяных паров [Па] при температуре и относительной влажности внутреннего воздуха в зале бассейна, определяемое по формуле:

где ϕ — относительная влажность воздуха, %.

Массовый расход наружного воздуха

MA. S, необходимый для ассимиляции водяных паров в помещениях бассейнов [кг/ч], рекомендуется вычислять [2] по следующей формуле:

где MD. B — влаговыделение с зеркала воды, кг/ч; xD. A и xD. L — влагосодержание наружного и внутреннего воздуха, г/кг.

Результаты расчётов в виде объёмных расходов воздуха, выполненные в соответствии с выражениями (7)-(9) для разной площади зеркала воды и с учётом возможных типов общественных бассейнов, приведены в табл. 1.

Рис. 1. Требуемый воздухообмен для помещений бассейнов при разной площади зеркала воды, рассчитанный в соответствии с рекомендациями [2–4]

Представленные на рис. 1 зависимости расходов воздуха (табл. 1) от площади поверхности воды при использовании различных методов расчёта показывают максимальный воздухообмен, определённый в соответствии с Р НП «АВОК» [2]. Отклонения от результатов, полученных по методике Dantherm, составляют от 30 до 37%. Чем больше предусмотрено оборудования для различных водных видов развлечений, тем значительнее расхождения в требуемом воздухообмене по двум наиболее часто применяемым методам расчёта. Однако даже небольшое увеличение расхода воздуха при проектировании приводит к существенным дополнительным капитальным затратам на оборудование. Так, например, при площади зеркала воды 120 м² для сравниваемых расходов 21065 и 28325 м³/ч (табл. 1) стоимость приточно-вытяжных установок фирмы «ВЕЗА» (табл. 3), имеющих в своём составе стандартное оборудование и дополнительно пластинчатые теплоутилизаторы, возрастает на 718 тыс. руб. При этом ежемесячные затраты на подогрев приточного воздуха при среднем тарифе на тепловую энергию в Воронеже при неблагоприятных погодных условиях без учёта возможной утилизации могут превысит 250 тыс. руб. в месяц (рис. 2).

Рис. 2. Затраты на тепловую энергию, потребляемую приточными установками при средних показателях температуры в холодный период года и при расчётных расходах воздуха (табл. 3)

Несмотря на многофакторный учёт влияния параметров воздушной среды в методике О. Я. Кокорина, показатели, рассчитанные в соответствии с приведённым в ней алгоритмом, имеют заниженные значения по сравнению с совокупностью других результатов (рис. 1).

Расходы воздуха, определённые по рекомендациям Р НП «АВОК» [2], в дальнейшем приводят к значительному потреблению ресурсов при обеспечении требуемого микроклимата. Поэтому при расчётах воздухообмена с целенаправленным поддержанием функции энергосбережения следует использовать методику Dantherm, но при строительстве сооружений, предназначенных для спорта высоких достижений, расчёты необходимо выполнять в соответствии с Р НП «АВОК» [2].

При выполненном расчётном обосновании рекомендуемых к применению методик Р НП «АВОК» [2] и Dantherm [3] не следует полностью отказываться от последовательности определения воздухообмена по О. Я. Кокорину [4]. Приведённый в работе [4] алгоритм целесообразно использовать, например, в проектировании систем вентиляции акваферм. Для сооружений данного назначения характерны большие суммарные площади зеркала воды, что приводит, несмотря на спокойную поверхность, к значительному воздухообмену, повышенным капитальным затратам на оборудование приточно-вытяжных установок и эксплуатационным расходам в случае проведения расчётов в соответствии с [2, 3].