Существующие методы вентиляции не всегда обеспечивают требуемые параметры температуры и влажности помещения плавательного бассейна. Переменные параметры наружного воздуха не позволяют добиться устойчивого тепловлажностного режима. Далее автор обоснует метод, который позволит добиться точного и устойчивого поддержания климата в бассейне. Этот метод климатизации позволит круглогодично поддерживать температуру и влажность в помещении бассейна с абсолютной точностью. При этом тепловлажностный режим бассейна будет находиться в равновесном состоянии.
Расчёт влагопоступления и воздухообмена
Максимальный воздухообмен плавательного бассейна необходимо рассчитывать для летнего периода. По нормам влагосодержание наружного воздуха в летний период принимается 9,5 г/кг (параметр для города Москвы). В лаго содержание в помещении бассейна принимается 14,3 г/кг, парциальное давление пара 22,7 ГПа [1].
Расчёт массы испаряемой воды Мисп [г/ч] основан на законе Дальтона о парциальном давлении газов. Движущей силой испарения воды является разница давлений между давлением насыщенного пара рн и парциальным давлением пара рп.
Также необходимо учитывать волнение и движение воды. Для этого в формулу Дальтона вводится эмпирический коэффициент от 5 до 35 [2]:
где e — эмпирический коэффициент, принимаемый равным 5 (поверхность воды в спокойном состоянии), 15 (частный бассейн небольшой площади), 20 (общественный бассейн), 28 (бассейн в аквапарке) или 35 (бассейн с искусственными волнами); А — площадь зеркала воды, м2; рп — парциальное давление пара, рп = 22,7 ГПа; рн — давление насыщенного пара при температуре воды бассейна, значение берётся из табл. 1 [3].
Расчёт воздухообмена
Масса воздуха Мв [кг/ч], необходимая для осушения, рассчитывается по [4]:
где Мисп — испарение с поверхности зеркала воды, г/ч; dв — влагосодержание воздуха бассейна, dв = 14,3 г/кг; dпр — в лаго содержание наружного воздуха, dпр = 9,5 г/кг. Объём воздуха, необходимый для осушения, рассчитывается как:
где ρ — плотность воздуха, кг/м3.
Принципы климатизации бассейна
Наружный воздух имеет влагосодержание меньше, чем воздух внутри бассейна. Соответственно, имеется потенциал поглощения избыточной влаги. Подача сухого воздуха и удаление вытяжкой влажного — это главный способ поддержания климата в бассейне. Но при этом возникает проблема: удаление влаги нарушает тепловлажностный баланс помещения. Требуются дополнительные отопительные приборы, чтобы поддерживать стабильную температуру воздуха бассейна. Существуют два основных принципа климатизации бассейнов.
1. Раздельные системы вентиляции и отопления. Вентиляция подаёт наружный воздух с температурой, равной температуре внутри помещения. А теплопотери компенсируют отопительные приборы, например, радиаторы. Такая схема очень распространена на практике. При этой схеме легко контролировать температуру воздуха в бассейне, но невозможно контролировать влажность. Баланс температуры и влажности будет достигаться стихийно. При изменении параметров наружного воздуха будет меняться и энтальпия внутреннего воздуха. Соответственно, чтобы поддержать требуемую температуру воздуха, необходимо менять энтальпию внутри помещения бассейна, что делает климат в бассейне неустойчивым. При понижении влагосодержания наружного воздуха энтальпия внутреннего воздуха будет смещаться влево. При повышении влагосодержания энтальпия будет смещаться вправо. Данный процесс представлен на номограмме рис. 1.
2. Вентиляция с осушением и воздушным отоплением. Эта схема более «продвинута», чем раздельные системы вентиляции и отопления. Она позволяет уменьшить подвижку энтальпии внутри помещения бассейна. Наружный воздух подогревается до температуры примерно 12 °C, затем смешивается с рециркуляционным воздухом, прошедшим через осушитель. Полученная смесь вторично догревается до ≈ 40 °С и подаётся в бассейн.
За счёт того, что наружного воздуха подаётся примерно 30 %, а основной поток — это осушенный рециркуляционный воздух, достигается сравнительно небольшая подвижка энтальпии внутри помещения бассейна. Даже при влагосодержании наружного воздуха 0,5 г/кг энтальпия смеси после второго подогрева будет больше 50 кДж/кг. Данный процесс представлен на номограмме рис. 2.
Равновесный режим тепла и влаги
Чтобы добиться состояния равновесия температуры и влажности в нужной нам точке, наружный воздух необходимо подавать в помещение бассейна с энтальпией, равной энтальпии внутреннего воздуха бассейна. Далее термодинамический процесс будет происходить адиабатно.
Важно исключить дополнительный приток энергии, например, в виде отопления или рециркуляции. Дополнительный приток энергии будет нарушать адиабатный процесс. Температуру воздуха в помещении необходимо контролировать изменением объёма подаваемого воздуха.
Так как энтальпия не может сама по себе измениться, то температура и влажность воздуха будут меняться изоэнтальпийно. Точка равновесия температуры и влажности лежит на линии энтальпии воздуха, подаваемого в бассейн. Очевидно, что эта точка будет двигаться по линии энтальпии в зависимости от количества подаваемого воздуха. Увеличиваем количество подаваемого воздуха — точка двигается выше, уменьшаем — точка двигается ниже.
Отсюда следует, что приточный воздух должен поступать в помещение бассейна с энтальпией 66 кДж/кг, что соответствует температуре воздуха бассейна 30 °C и влагосодержанию 14,3 г/кг. Этот процесс представлен на номограмме рис. 3.
Чтобы приточный воздух всегда поступал с такой энтальпией, необходим датчик влагосодержания наружного воздуха. Показания датчика будут задавать температуру приточного воздуха.
Данный процесс представлен на номограмме рис. 4.
Температура приточного воздуха рассчитывается по следующей формуле [3]:
где h — энтальпия, кДж/кг; d — влагосодержание, кг/кг; Cрв — удельная теплоёмкость сухого воздуха, Cрв = 1,006 кДж/ кг (константа); Срп — удельная теплоёмкость водяного пара, Срп = 1,86 кДж/кг (константа); r — удельная теплота парообразования, r = 2501 кДж/кг (константа).
Как видно из этой формулы, температура приточного воздуха полностью зависит от влагосодержания наружного воздуха d. Поэтому приточный воздух должен подаваться в помещение именно с такой температурой, которая соответствует влагосодержанию наружного воздуха.
В точке 2 воздух имеет параметры температуры 56 °C и влагосодержание 3 г/кг. В помещении бассейна приточный воздух начнёт охлаждаться и увлажняться. Но, поскольку в помещении отсутствуют другие источники тепловой энергии, процесс охлаждения и увлажнения будет происходить адиабатно. Адиабата будет находиться на линии энтальпии 66 кДж/кг.
Процесс адиабатного охлаждения будет двигаться по линии энтальпии вниз до необходимой нам точки 3. Точка 3 соответствует нужным нам параметрам микроклимата бассейна: температура 30 °C и относительная влажность 55 %.
Данный процесс представлен на номограмме рис. 5.
Для того чтобы воздух в бассейне находился в равновесном состоянии в точке 3, необходимо два условия:
1. Приточный воздух всегда должен быть с энтальпией 66 кДж/кг, поскольку точку 3 можно сдвинуть вправо или влево только если изменится энтальпия притока.
2. Регулировку температуры в бассейне производить только изменением количества подаваемого приточного воздуха.
Это значит, что температура приточного воздуха должна всегда соответствовать влагосодержанию наружного воздуха и изменяться вслед за изменением этого влагосодержания. Точка 3 будет двигаться вдоль линии энтальпии 66 кДж/ кг вслед за изменением количества подаваемого приточного воздуха. Таким образом, будут поддерживаться требуемые параметры микроклимата (рис. 6).
Контроллер приточной вентиляции должен постоянно замерять влагосодержание наружного воздуха и в зависимости от влагосодержания рассчитывать температуру притока.
Температура в помещении бассейна необходимо контролировать комнатным датчиком температуры. Датчик регулирует объём приточного воздуха, подаваемого в помещение бассейна. Для повышения температуры объём приточного воздуха необходимо увеличивать. Соответственно, для понижения температуры, объём воздуха необходимо уменьшать. Чтобы была возможность подобной регулировки, вентиляторы должны иметь линейную зависимость частоты вращения и производительности по воздуху.
Каким должен быть тепловой поток, поступающий в бассейн? Количество тепла, поступающее вместе с приточным воздухом, должно компенсировать теплопотери бассейна. Теплопотери бассейна складываются из двух главных факторов: трансмиссионные потери через конструкции здания и удаление влажного воздуха из помещения через вытяжную вентиляцию.
Соответственно, количество воздуха, подаваемого в бассейн, должно обеспечить компенсацию трансмиссионных потерь и компенсировать тепло, унесённое со влажным воздухом.
При приближении влагосодержания наружного воздуха к 14 г/кг (в летний период) количество приточного воздуха, который необходимо подать в бассейн, может возрастать на неприемлемую величину. То есть, по сравнению с зимним периодом (влагосодержание наружного воздуха 1 г/кг), в летний период влагосодержание наружного воздуха может достигать 14 г/кг. Воздухообмен при таком влагосодержании возрастёт более чем в десять раз, поэтому наружный воздух целесообразно предварительно осушать. Если приточный воздух осушить с 12 до 9 г/кг, то количество приточного воздуха можно уменьшить в 2,5 раза.
Например, расчёт для приточного воздуха с влагосодержанием 12 г/кг по (2):
Расчёт для приточного воздуха с влагосодержанием 9 г/кг по (2):
Особо отметим, что использование предварительного осушения наружного приточного воздуха позволяет значительно сократить воздухообмен.
Установка климатизации бассейна
Предлагаемая автором принципиальная схема установки климатизации бассейна приведена на рис. 7.
1. Режим «Старт». Режим при начальном пуске, а также при низкой температуре в помещении бассейна, то есть существенно ниже 30 °C:
1.1. Открывается клапан КВ3, клапана КВ1 и КВ2 закрыты.
1.2. Вентиляторы П1 и В1 запускаются с плавным повышением частоты вращения до 100 %.
1.3. Температура приточного воздуха tп устанавливается на уровне 45 °C.
1.4. Работает теплообменник ТО для достижения заданной температуры.
1.5. При достижении температуры вытяжного воздуха tв уровня 30 °C, вентиляторы П1 и В1 уменьшают скорость вращения до минимума.
1.6. Контроллер переводит работу установки в рабочий режим.
2. Рабочий режим:
2.1. Контроллер по показаниям наружного датчика влажности ДВ устанавливает температуру приточного воздуха — см. формулу (4).
2.2. Клапана КВ1 и КВ2 открываются, клапан КВ3 закрывается.
2.3. Вентиляторы П1 и В1 плавно повышают частоту вращения до своего среднего значения.
2.4. Контроллер по комнатному датчику температуры tк производит соответствующую регулировку скорости вращения вентиляторов.
3. Режим при влагосодержании наружного воздуха более 10 г/кг:
3.1. Клапана КВ1 и КВ2 открыты, клапан КВ3 закрыт.
3.2. П1 и В1 повышают частоту вращения до 100 %о.
3.3. Запускается холодильная машина ХМ.
3.4. Работают испаритель ТХ и конденсатор ТК1.
3.5. Контроллер по датчику влагосодержания ДВ2 устанавливает требуемую температуру приточного воздуха.
3.6. По датчику tк регулируется скорость вращения вентиляторов.
4. Режим разморозки пластинчатого рекуператора:
4.1. Если при низких температурах наружного воздуха начнётся обмерзание пластинчатого рекуператора ПРК, то датчик ДП зафиксирует изменение перепада давления на рекуператоре. Контроллер даст команду на разморозку.
4.2. Открывается клапан КВ3, клапаны КВ1 и КВ2 закрываются.
4.3. Вентиляторы П1 и В1 повышают частоту вращения до 100 %.
4.4. Когда перепад давления выровняется, установка вернётся в рабочий режим.
Представленный в статье метод климатизации позволит круглогодично поддерживать температуру и влажность в помещении бассейна с абсолютной точностью. При этом тепловлажностный режим бассейна будет находиться в равновесном, устойчивом состоянии. Также этот метод климатизации может быть использован для помещений, где требуется прецизионное кондиционирование, например, лаборатории, фармацевтические, медицинские помещения и т.п.
