czytaj - ELBAS

1
Zbigniew W
UKOWICZ
JAKOŚĆ I
STALACJI KLIMATYZACYJ
YCH DLA HAL
BASE
OWYCH A ZUŻYCIE E
ERGII
Baseny kąpielowe kojarzą nam się z relaksem, zabawą i doskonałym wypoczynkiem.
Umożliwiają odreagowanie stresu, służą zdrowiu i rehabilitacji. Jednak stale rosnąca konkurencja oraz
współczesne wymagania klientów zmuszają operatorów pływalni do ciągłego podnoszenia jakości
tych obiektów szczególnie w dziedzinie estetyki, wygody i komfortu oraz różnorodności
świadczonych usług. Dla zapewnienia ekonomicznych podstaw funkcjonowania tych bardzo
energochłonnych obiektów konieczne jest stosowanie instalacji o odpowiednio wysokiej sprawności
energetycznej i trwałości. Niezwykle istotne są również systemy zabezpieczeń budynku przed
niszczącym działaniem wilgoci. Zbudowanie nowoczesnego obiektu basenowego jest więc wielkim
wyzwaniem technicznym i ekonomicznym.
Jednym z najważniejszych systemów, stanowiących techniczne wyposażenie obiektu
basenowego, jest instalacja wentylacyjna i klimatyzacyjna. Jej głównym zadaniem jest utrzymywanie
odpowiedniej wilgotności i temperatury powietrza w hali basenowej poprzez usuwanie nadmiaru
wilgoci z powietrza oraz ogrzewanie bądź chłodzenie. Inne, równie istotne zadania, to usuwanie
zanieczyszczeń chemicznych z powietrza poprzez skuteczną wentylację powietrzem zewnętrznym,
zabezpieczenie okien oraz elementów konstrukcyjnych budynku przed zaparowaniem, ograniczenie
rozprzestrzeniania się wilgoci do sąsiednich pomieszczeń, ograniczenie odparowania wody z
powierzchni basenu, utrzymanie odpowiedniej temperatury posadzki i t.p.. Z technicznego punktu
widzenia nie jest to zadanie łatwe. Nieustanne parowanie wody z niecki, silnie zależne od parametrów
powietrza, duża zawartość związków chloru i wilgoci w powietrzu, wysoka wrażliwość wilgotnej
ludzkiej skóry na zmiany parametrów powietrza stawiają urządzeniom klimatyzacyjnym dla hal
basenowych szczególne, bardzo wysokie wymagania. To od ich typu, jakości i sprawności zależy
energochłonność, trwałość, atrakcyjność i bezpieczeństwo całego obiektu oraz trwałość i
niezawodność samych urządzeń.
Miarą jakości instalacji wentylacyjnej i klimatyzacyjnej jest jej zdolność do wypełniania stawianych
przed nią zadań oraz trwałość, niezawodność i sprawność energetyczna. W dalszej części
przedstawione zostaną wybrane cechy instalacji, stanowiące o jej jakości w aspekcie zużycia energii.
Precyzja regulacji temperatury i wilgotności powietrza w hali basenowej
Parametry powietrza wewnątrz hal basenowych znacznie różnią się od parametrów powietrza w
innych pomieszczeniach. Powietrze w hali basenu zawiera dwukrotnie więcej wilgoci, niż powietrze w
pomieszczeniu mieszkalnym czy biurowym. Wyższa o 8 do 10 °C jest również temperatura powietrza
w hali. Powoduje to, że temperatura punktu rosy dla powietrza w pomieszczeniu basenowym wynosi
aż 20°C, co oznacza kondensację pary wodnej na każdym elemencie o temperaturze niższej od 20°C.
Zwiększanie temperatury bądź wilgotności powietrza w hali oznacza podwyższanie temperatury
punktu rosy i niesie ryzyko zawilgocenia elementów konstrukcji budynku. Może też powodować
uczucie duszności u kąpiących się osób. Z kolei obniżanie parametrów powietrza oprócz pogorszenia
warunków komfortu powoduje zwiększenie parowania wody, co w konsekwencji zwiększa zużycie
energii. Poniżej przedstawiono wielkość odparowania wody z niecki oraz strat ciepła na odparowanie i
strat ciepła związanych z usuwaniem wilgoci z powietrza w funkcji temperatury i wilgotności
powietrza w hali basenowej.
[kg/h]
2
O d p a r o w a n ie z 1 m 2 p o w ie r z c h n i b a s e n u
0 ,6 0
0 ,5 4
0 ,5 0
0 ,4 9
0 ,4 4
0 ,4 2
0 ,4 0
0 ,3 5
0 ,3 0
0 ,2 5
0 ,2 0
0 ,1 0
0 ,0 0
22
26
te m p e r a tu ra p o w ie tr z a w h a li [o C ]
30
W ilg o tn o ś ć p o w ie trz a w h a li 6 0 %
W ilg o tn o ś ć p o w ie trz a w h a li 4 0 %
[kW]
C ie p ło o d p a r o w a n ia w o d y z 1 m 2 p o w ie rz c h n i b a s e n u
0 ,4 0
0 ,3 8
0 ,3 5
0 ,3 4
0 ,3 0
0 ,3 0
0 ,2 5
0 ,2 9
0 ,2 4
0 ,2 0
0 ,1 7
0 ,1 5
0 ,1 0
0 ,0 5
0 ,0 0
22
26
te m p e ra tu ra p o w ie t rz a w h a li [o C ]
30
W ilg o tn o ś ć p o w ie trz a w h a li 6 0 %
W ilg o tn o ś ć p o w ie trz a w h a li 4 0 %
3
Procentow e zużycie energii na osuszanie dla różnych parametrów pow ietrza w
hali w odniesieniu do zużycia energii przy zalecanej temperaturze 30oC i
w ilgotności 55%
600%
500%
498%
402%
400%
300%
274%
200%
180%
128%
100%
75%
0%
22
26
temperatura pow ietrza w hali [oC]
30
W ilgotność powietrza w hali 60%
W ilgotność powietrza w hali 40%
Powyższe zależności wskazują na konieczność stosowania precyzyjnych systemów regulacji
wilgotności i temperatury powietrza w hali basenowej. Rachunek ekonomiczny kosztów
inwestycyjnych i kosztów eksploatacji potwierdza zasadność stosowania regulacji ciągłej z
algorytmem PID. Wysokiej jakości urządzenia wyposażone są w funkcję automatycznego podnoszenia
nastawy wilgotności w okresie poza eksploatacją, co w znaczny sposób dodatkowo ogranicza zużycie
energii. W celu ochrony budynku przed zawilgoceniem podnoszenie nastawy wilgotności powietrza
powinno być uzależnione od temperatury zewnętrznej.
Sprawność odzysku ciepła z powietrza usuwanego
Duża zawartość wilgoci w powietrzu w hali basenowej uzasadnia stosowanie wysokosprawnego
bloku odzysku ciepła z powietrza usuwanego, umożliwiającego odzysk ogromnej ilości ciepła
utajonego w wyniku zachodzącej w wymienniku kondensacji. Odzysk ciepła utajonego z powietrza
usuwanego zapobiega jego głębokiemu schłodzeniu, dzięki czemu znacznie obniża się temperatura
ryzyka szronienia. Umożliwia to pełne wykorzystanie wymienników o sprawności temperaturowej
przekraczającej 80% nawet przy bardzo niskich temperaturach powietrza zewnętrznego. Warto
zwrócić uwagę, że w systemie o sprawności 80% straty ciepła są 2,5 krotnie mniejsze w stosunku do
systemu o sprawności 50%. Ze względu na występującą w wymienniku kondensację znaczącej ilości
wilgoci nie stosuje się w wentylacji hal basenowych wymienników regeneracyjnych.
Należy podkreślić, że katalogowe parametry centrali, w tym również sprawność wymienników
ciepła, uzyskiwane są tylko przy dokładnie wyregulowanym nominalnym przepływie powietrza w
torze nawiewu i wywiewu.
Zmienny udział powietrza zewnętrznego i recyrkulacyjnego
W systemach klimatyzacji hal basenowych w celu ograniczenia zużycia energii oraz dla
zapewnienia odpowiedniej wilgotności powietrza w hali stosuje się zmienny udział powietrza
zewnętrznego i recyrkulacyjnego. Podczas kąpieli wielkość strumienia powietrza zewnętrznego
powinna gwarantować skuteczną wentylację ze względów sanitarnych oraz zapewnić skuteczne
usuwanie nadmiaru wilgoci. W okresie poza kąpielą emisja wilgoci z basenu jest kilkakrotnie
mniejsza, wymagająca do jej asymilacji, szczególnie w okresie zimowym, minimalnej ilości powietrza
zewnętrznego. Poniżej przedstawiono procentowy udział powietrza zewnętrznego w funkcji
temperatury zewnętrznej podczas kąpieli i w pozostałym okresie. Uwzględniono ilości niezbędne ze
względów sanitarnych.
4
U d z i a ł p o w i e t r z a z e w n ę t r z n e g o , n i e z b ę d n y d o u s u n i ę c i a w i l g o c i , w f u n k c ji
te m p e ra tu ry z e w n ę trz n e j
120%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
80%
60%
59%
45%
40%
39%
37%
27%
14%
20%
10%
9%
11%
0%
-2 0
-1 0
0
10
20
o
te m p e r a tu r a p o w ie tr z a z e w n ę tr z n e g o [ C ]
c e n t r a la z r e c y r k u la c j ą p o d c z a s k ą p ie li
c e n t r a la z r e c y r k u la c j ą p o z a k ą p ie lą
c e n t r a la b e z r e c y r k u la c j i
Dla podanych wyżej strumieni powietrza zewnętrznego wyznaczono relatywne straty ciepła na
wentylację w funkcji temperatury powietrza zewnętrznego w odniesieniu do strat ciepła dla 100%
powietrza zewnętrznego (bez recyrkulacji). Wyniki zestawiono na wykresie.
R e l a t y w n e s t r a t y c i e p ł a n a w e n t y la c ję , z w i ą z a n e z o s u s z a n ie m p o w i e t r z a , w
f u n k c ji t e m p e r a t u r y z e w n ę t r z n e j
120%
100%
100%
80%
80%
60%
60%
40%
40%
29%
20%
24%
20%
7%
6%
21%
5%
18%
4%
15%
3%
0%
-2 0
-1 0
0
10
20
o
te m p e ra tu ra p o w ie tr z a z e w n ę trz n e g o [ C ]
c e n t r a la z r e c y r k u la c ją p o d c z a s k ą p ie li
c e n t r a la z r e c y r k u la c ją p o z a k ą p ie lą
c e n t r a la b e z r e c y r k u la c j i
5
Roczne zużycie ciepła na wentylację, przy zastosowaniu centrali z recyrkulacją sterowaną
zależnie od zapotrzebowania na osuszanie, wyniesie około 11 % w stosunku do ciepła zużytego przez
centralę bez recyrkulacji.
Sprawność zespołów wentylatorowych
Pierwszym istotnym czynnikiem wpływającym na sprawność zespołów wentylatorowych jest
sprawność samych wentylatorów, wynikająca z typu zastosowanych wentylatorów oraz obranego dla
nich punktu pracy. Wacha się ona od czterdziestu kilku do osiemdziesięciu kilku procent.
Innym czynnikiem obniżającym o kilka procent sprawność zespołu wentylatorowego jest
przekładnia pasowa. Zastosowanie wentylatorów bez przekładni pasowej (z wirnikiem wentylatora
osadzonym na wale silnika) nie tylko podnosi ich sprawność ale ze względu na brak obciążeń
poprzecznych dla łożysk wydłuża ich żywotność i zwiększa niezawodność.
Najbardziej skutecznym sposobem na ograniczenie zużycia energii elektrycznej jest
wprowadzenie funkcji pracy dyżurnej. Moc wentylatorów proporcjonalna jest do iloczynu wydajności
powietrza i wytwarzanego sprężu. Poniżej przedstawiono zależność mocy wentylatora w stosunku do
mocy nominalnej w funkcji wydajności powietrza (przy założeniu niezmiennej konfiguracji
elementów, przez które przetłaczane jest powietrze).
R e la tyw n a m o c w e n tyla to ra w fu n k c ji re a lizo w a n e j w yd a jn o ś c i
120%
100%
100%
80%
72%
60%
51%
40%
m o c w e n tyla to ra
34%
21%
20%
0%
60
70
80
90
100
re a liz o w a n a w yd a jn o ś ć w s to s u n k u d o n o m in a ln e j [% ]
Z przeprowadzonej analizy dla ośrodka basenowego użytkowanego przez 15 godzin w ciągu
doby wynika, że stosowanie funkcji pracy dyżurnej powoduje oszczędności energii elektrycznej nawet
o 70% (dla centrali automatycznie dostosowującej swoją wydajność do faktycznych potrzeb) lub o
blisko 30% (dla centrali, w której funkcja pracy dyżurnej załączana jest zegarem wyłącznie w ciągu
nocy). Dla pływalni o wymiarach niecki 25 x 12,5 m przeciętna moc elektryczna pobierana przez
wentylatory podczas pracy nominalnej wynosi 2 x 4,5 kW = 9 kW. Roczne zużycie energii
elektrycznej przy pracy nominalnej wyniesie zatem ponad 78 000 kWh. Zastosowanie odpowiednich
systemów regulacji w omawianym obiekcie może obniżyć koszty eksploatacji w skali roku nawet o
blisko 20 tys. złotych.
Wydajności pośrednie, wynikające z racji realizowanych funkcji ogrzewania bądź osuszania,
uzyskiwane są bądź poprzez regulację dwustawną (cyklicznie przełączana jest wydajność nominalna i
dyżurna) bądź poprzez regulacją płynną, realizowaną z zastosowaniem elektronicznych regulatorów
napięcia lub falowników. Regulacja płynna pozwala na uzyskanie dodatkowych 5 % oszczędności w
stosunku do regulacji dwustawnej.
Regulacja wydajności systemu wentylacyjnego
6
Kalibracja wydajności instalacji wentylacyjnej może odbyć się w dwojaki sposób:
− Poprzez dopasowanie oporów przepływu przez instalację za pomocą przepustnic
regulacyjnych do sprężu dyspozycyjnego centrali przy założonej wydajności powietrza.
Wentylatory pobierały będą moc nominalną z sieci zasilającej.
− Poprzez dopasowanie sprężu dyspozycyjnego centrali do faktycznych oporów instalacji przy
założonej wydajności powietrza. Dopasowanie sprężu centrali do rzeczywistych oporów
przepływu przez instalację wymaga zastosowania elektronicznych regulatorów prędkości
obrotowej (regulatorów napięcia lub falowników). Redukcja sprężu centrali wiąże się ze
zmniejszeniem mocy pobieranej przez wentylatory. Przykładowo redukcja sprężu o 100 Pa
powoduje obniżenie mocy wentylatorów o ponad 11%.
Pomiar i płynna, automatyczna regulacja wydajności powietrza nawiewanego i wywiewanego
gwarantują zachowanie proporcji pomiędzy wydajnością powietrza świeżego i usuwanego w związku
z różnym udziałem powietrza zewnętrznego i recyrkulacyjnego oraz w związku z różnym stopniem
zabrudzenia się filtrów powietrza (filtr wywiewu zazwyczaj brudzi się znacznie szybciej w stosunku
do filtra powietrza świeżego). Centrale z elektroniczną regulacją wydajności mają również możliwość
elastycznego ustawienia „dyżurnej” wydajności powietrza, co ma istotne znaczenie w układach
klimatyzacyjnych z kurtynowym nawiewem wzdłuż okien. Odpowiednio ustawiony przepływ
powietrza wyeliminuje kondensację pary wodnej na szybach podczas trybu pracy „dyżurnej”.
Brak systemu elektronicznej regulacji wydajności może spowodować powstanie nadciśnienia w
hali basenu i „wypchnięcia” wilgotnego powietrza do sąsiednich pomieszczeń. Złe proporcje
wydajności nawiewu i wywiewu powodują również obniżenie sprawności cieplnej bloku odzysku
ciepła i zwiększają ryzyko szronienia.
Podsumowanie
Specyfika ośrodków basenowych stawia większe wymagania jakościowe instalacji wentylacyjnej
w stosunku do instalacji zastosowanych w innych obiektach użyteczności publicznej. Kluczowe cechy
takiej instalacji to precyzja, wysoka sprawność i niezawodność. Ta ostatnia gwarantuje ciągłą i
skuteczną ochronę obiektu przed zawilgoceniem.