Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

За последние годы в нашей стране произошел ряд обрушений кровли в зданиях плавательных бассейнов. Некоторые из этих обрушений имели весьма тяжелые последствия. Так, в 2004 году трагедия в московском аквапарке унесла 28 человеческих жизней, еще 193 человека получили травмы различной тяжести. В телевизионном репортаже с места аварии был показан один из спасателей, который без видимых усилий ломал кусок обвалившейся кровли руками.

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катковОдной из причин снижения прочности, приводящего, в конце концов, к обрушению, может являться конденсация водяных паров на внутренней поверхности перекрытия. В ночные часы, когда температура наружного воздуха ниже, чем днем, на 10–12 %, внутренняя поверхность может охладиться ниже точки росы прилегающего влажного воздуха, что приводит к образованию конденсата. Конденсат проникает в микроскопические трещины, повышая влажность строительного материала, что вызывает снижение сопротивления теплопередаче и возрастанию теплопотерь через перекрытие. Это приводит к дальнейшему уменьшению температуры внутренней поверхности. В холодные дни зимой (в Москве расчетная температура наружного воздуха t нх = –28 °С) температура внутри влажного материала перекрытия становится отрицательной, и накопившаяся влага замерзает, что ведет к разрушению связей и снижению прочности конструкции.

Для предотвращения выпадения конденсата на поверхности перекрытия системы микроклимата должны работать круглосуточно, а температура и влажность воздуха под перекрытием постоянно контролироваться. Круглосуточная работа агрегатов требует повышенных затрат энергии, поэтому служба эксплуатации, как правило, останавливает приточные и вытяжные агрегаты систем микроклимата в часы, когда в помещении плавательного бассейна нет людей.

Как известно, определяющим показателем для расчета производительности приточных и вытяжных агрегатов систем микроклимата в помещении плавательных бассейнов является удаление из помещения водяных паров, испаряющихся с поверхности воды. Количество испарившихся водяных паров удобно вычислять по формуле:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

где А — коэффициент, учитывающий турбулизацию поверхности воды в ванне плавательного бассейна. При массовом оздоровительном плавании А = 1,5, при спортивном плавании А = 1,3, при спокойном зеркале воды А = 1;
F ис — поверхность водяной ванны, м 2 ;
d w — влагосодержание насыщенных водяных паров при температуре поверхности воды, г/кг;
d n — влагосодержание поступающего к поверхности воды воздуха, г/кг;
σ ис — коэффициент испарения, который вычисляется по формуле:

σ ис = 25 + 19V в , кг/м 2 ч, (2)

где V в — скорость движения воздуха над поверхностью воды, которая обычно ограничивается 0,1 м/с.

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катковПроведем оценку режимов работы системы микроклимата в помещении плавательного бассейна с площадью зеркала воды F ис = 25∙8 = 200 м 2. Бассейн используется для тренировки и оздоровительного плавания, поэтому в помещении нет трибун для зрителей. Площадь перекрытия — 348 м 2, величина приведенного сопротивления теплопередаче материала перекрытия R пер = 3,4 м 2 ∙ °С/Вт∙ч [1].

В холодный период года поддерживается температура воды в бассейне не ниже t w = 25 °С, что соответствует влагосодержанию насыщенного воздуха d w = 20 г/кг. Температура воздуха на 1 °С выше и равна t вх = 26 °С при относительной влажности от φ вх = 40–60 %. Наибольшее число людей при оздоровительном плавании — 40 чел. По санитарным нормам необходимо обеспечить приток наружного воздуха из расчета не менее 80 м 3/ч на человека. Минимальный приток наружного воздуха составляет:

L пн.мин = Л∙80 = 40∙80 = 3200 м 3 /ч.

В климате Москвы в холодный период года расчетные параметры наружного воздуха:

t нх = –28 °С; d нх = 0,4 г/кг.

Подогревается наружный приточный воздух до t пн.х = t вх = 26 °С, что потребует затраты тепла:

Q т.пн.мин = L пн.мин ∙ρ пн ∙с р ∙ (t вх –t нх )/3600= 3200∙1,2∙1∙ (26+28) /3600 = 57,6 кВт∙ч.

При скорости воздуха над поверхностью воды Vв = 0,1 м/с по формуле (2) находим:

σ ис = 25 + 19∙0,1 = 26,9, кг/м 2 ч.

По формуле (1) для режима оздоровительного плавания при А = 1,5 вычисляем:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Количество приточного воздуха, необходимого для поглощения испарившихся водяных паров, высчитывается по формуле:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Построение  на i-d – диаграмме влажного воздуха режимов работы системы микроклимата в помещении плавательного бассейна в расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы
Рис. 1 Построение на i-d – диаграмме влажного воздуха режимов работы системы микроклимата в помещении плавательного бассейна в расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы.
Процесс работы приточного и вытяжного агрегатов:
Нх — Нх2 — нагрев приточного наружного воздуха в калорифере приточного агрегата;
Ух — СМх — ПМ х — смешение в приточном агрегате нагретого наружного и рециркуляционного вытяжного воздуха.
СМх = Пх — Ух — поглощение испарившихся водяных паров у поверхности водяной ванны по высоте помещения плавательного бассейна.
Процессы работы воздушного теплового насоса в часы остановки приточного и вытяжного агрегатов.
Ух — ОС – охлаждение и осушение влажного воздуха под перекрытием помещения в испарителе теплового насоса.
ОС – Г.ос- нагрев осушенного воздуха в конденсаторе теплового насоса.
Влагосодержание удаляемого вытяжной системой влажного воздуха равно d y , г/кг и зависит от схемы организации воздухообмена в помещении плавательного бассейна.

Наиболее энергетически и гигиенически приемлема схема организации воздухообмена с подачей приточного воздуха с влагосодержанием d п , реализованная при помощи вытесняющей вентиляции. Впервые в России вытесняющая вентиляция применена в помещении плавательного бассейна Государственной детско-юношеской спортивной школы № 7 (г. Москва, ул. Чоботовская, д. 6) [2]. По внутренней стене у кромки плавательного бассейна установлены ламинарные воздухораспределители, из которых со скоростью 0,1 м/с к поверхности воды поступает воздух температурой t п.х = 26 °С и влагосодержанием d нх. Вытяжка влажного воздуха с температурой t у.х = 26°С и относительной влажностью φу = 75 % осуществляется под потолком при влагосодержании dу = 15,9 г/кг. Если в качестве приточного воздуха используется только подогретый до t пн.х = t вх = t п.х = 26 °С наружный воздух, то по формуле (3) требуемый расход нагретого приточного воздуха равен:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Расход тепла на нагрев L пн до t п.х = 26 °С составит:

Q т.пн. = L пн. ∙ρ пн ∙с р∙ (t вх -t нх ) /3600 = 8505,4∙1,2∙1∙ (26+28) /3600 = 153,1 кВт∙ч.

По сравнению с нагревом, предписываемым только санитарными нормами (для L пн.мин = 3200 м 3 /ч), расход тепла возрос в 153,1/57,6 = 2,7 раза.

Поэтому энергетически целесообразно количество нагретого приточного наружного воздуха приближать к минимально допустимому значению.

Для сокращения расхода тепла в проекте систем микроклимата в помещении плавательного бассейна детско-юношеской школы № 7 [2] сделан рециркуляционный воздуховод от вытяжного агрегата к смесительной секции приточного агрегата. В этой секции подогретый до t п.х = 26 °С наружный воздух смешивается с влажным рециркуляционным воздухом с влагосодержанием d ух = 15,9 г/кг и влагосодержание смеси равно d смх = d пх = 6,4 г/кг.

К поверхности воды в ванне плавательного бассейна будет поступать воздух с влагосодержанием d пх = 6,4 г/кг. Вычисляем количество испаряемой воды в этом режиме работы системы микроклимата:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

По формуле (3) вычисляем требуемый расход приточного воздуха:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Для получения влагосодержания смеси d смх = 6,4 г/кг необходимый расход подогретого наружного воздуха вычисляем из преобразованного уравнения баланса смеси:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Расход рециркуляционного воздуха:

L p = L n – L пн = 9631–5903 = 3728 м 3 /ч.

Для снижения расхода тепла в системе микроклимата применена установка утилизации теплоты вытяжного воздуха с насосной циркуляцией антифриза как самой надежной в климате России [2].

Применение установки утилизации позволяет нагреть наружный приточный воздух до температуры t п.х = –5 °С.

Расход тепла горячей воды в калорифере приточного агрегата для нагрева L пнх до t п.н.х = 26 °С:

Q т.пн. = L пн. ∙ρ пн∙с р∙ (t пн.х -t нх2) /3600 = 5903∙1,2∙1∙ (26+5) /3600 = 61,0 кВт∙ч.

Сравнение показывает, что в этом решении расход тепла лишь немного выше минимального значения.

Теплопотери через перекрытия при расчетной температуре наружного воздуха t н.х = –28 °С вычисляются по формуле:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

В ночные часы, когда нет людей, служба эксплуатации, как правило, останавливает приточные и вытяжные агрегаты. Поверхность водяной ванны открыта, и естественное движение воздуха проходит со скоростью 0,02 м/с. Находим:

σ ис = 25 + 19∙0,02 = 25,38, кг/м 2 ч.

Вычисляем количество водяных паров, испаряющихся с поверхности открытой водяной ванны в ночные часы:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

где 20 — влагосодержание воздуха в помещении при температуре 25 °С и влажности 95 %, г/кг,
10,6 — влагосодержание поступающего воздуха при температуре 26 °С и влажности 50 %, г/кг.

Для поглощения испаряющихся и собирающихся под потолком водяных паров необходимо подать следующее количество подогретого сухого наружного воздуха:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Для компенсации теплопотерь через перекрытие приточный наружный воздух должен быть нагрет до температуры:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Расход тепла в ночные часы в калорифере приточного агрегата, подающего нагретый наружный воздух на внутреннюю поверхность перекрытия:

Q т.пн.ночь = L пн.ночь. ∙ρ пн ∙с р∙ (t пн.т + t нх ) /3600 = 2565∙1,2∙1∙ (23,8+28) /3600 = 44,3 кВт∙ч

В системе микроклимата помещения спортивной школы № 7 [2] под потолком посередине перекрытия смонтирован воздуховод, из которого в обе стороны выходит нагретый наружный воздух. Агрегат подачи и нагрева (L пн.ночь = 2565 м 3 /ч) включается в часы остановки основного приточного и вытяжного агрегатов, когда в ванне бассейна нет людей.

Применение современных агрегатных воздушных тепловых насосов позволяет более просто и экономично осуществлять надежный контроль относительной влажности воздуха под перекрытием здания плавательного бассейна и не допускать конденсации водяных паров на внутренних поверхностях перекрытия.

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катковДля восприятия испарившихся с поверхности ванны бассейна в ночные часы водяных паров в количестве 47,7 кг/ч применим агрегатный воздушный тепловой насос модели DAESY-254 [3] со следующими техническими показателями: производительность по осушаемой из рециркуляционного воздуха влаге 49,8 кг/ч; производительность по рециркуляционному осушаемому воздуху 14 400 м 3 /ч; тепловая производительность 88 кВт∙ч; потребляемая электроэнергия — 20 кВт∙ч.

На рис.1 показано построение на i-d-диаграмме расчетного режима работы системы микроклимата в холодный период года в климате г. Москвы с применением воздушного теплового насоса модели DAESY-254 [3]. Рециркуляционный воздух с параметрами t ух = 26°, d ух = 15,9 г/кг и l ух = 66 кДж/кг поступает к испарителю теплового насоса, в котором осушается до влагосодержания:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

В режиме осушения рециркуляционного воздуха в испарителе теплового насоса относительная влажность осушаемого воздуха будет около φос = 98 %. По построению на i-d-диаграмме в месте пересечения d ос = 13 г/кг и φ ос = 98 %. Получим т. ОС с параметрами: t ос = 18,5° и l ос = 51 кДж/кг. В испарителе теплового насоса требуется холодопроизводительность:

Q ох = L ос ∙ρ ос ∙ (l ух –l ос ) /3600 = 14 400∙1,2∙ (66–51) /3600 = 72 кВт∙ч.

В воздушном конденсаторе осушенный воздух будет нагрет до температуры:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

На компенсацию теплопотерь через наружное ограждение здания от нагретого осушаемого воздуха может поступить тепло в количестве:

Q ох = L ос. ∙ρ ос∙с р∙ (t п.ос + t ух ) /3600 = 14 400∙1,2∙1∙ (37–26) /3600 = 52,8 кВт∙ч.

Возможность обеспечения воздушного отопления здания плавательного бассейна от работы теплового насоса без потребления тепла от внешних источников является большим преимуществом агрегатов DAESY [3].

Тепловой насос модели DAESY-254 выполняет следующую полезную работу:

  • осушку воздуха под перекрытием помещения плавательного бассейна Q ос = 72 кВт∙ч,
  • нагрев осушенного воздуха теплом конденсации Q т.ос = 88 кВт∙ч,
  • компенсацию теплопотерь через перекрытие здания в 52,8 кВт∙ч.

Величина энергетического показателя работы теплового насоса вычисляется как отношение полезно выполняемой работы к общей затрате энергии:

Применение воздушных тепловых насосов в зданиях плавательных бассейнов и катков

Агрегат DAESY может поставляться с датчиком контроля относительной влажности воздуха в помещении [3]. Для режима осушки воздуха датчик под потолком может быть настроен на контроль допустимого верхнего значения, например φ в.пм = 70 %. При повышении влажности более 70 % последует команда на пуск электродвигателей компрессора и приточного вентилятора агрегата DAESY-254. Это обеспечит φ в.пм меньше 70 % и, соответственно, надежно предохранит от конденсации влаги.

Необходимо отметить, что конденсация влаги на внутренних поверхностях и фермах перекрытий наблюдается и в помещениях с искусственным льдом. От поверхности льда, который в зависимости от назначения катка может иметь температуру от –6 °С до –3 °С [2], поступает интенсивный поток отрицательной радиации. При остановленных приточных и вытяжных агрегатах системы микроклимата, что обычно происходит в часы когда на льду нет людей, отрицательная радиация от поверхности льда приводит к снижению температуры поверхностей перекрытий и ферм. Если это приводит к охлаждению окружающего их воздуха ниже t р.у. = 21,3 °С, то вызывает процесс конденсации водяных паров. На рис.1 видно, что при температуре удаляемого воздуха t у.х. = 26 °С и относительной влажности φ у.х. = 75 % точка росы соответствует температуре t р.у. = 21,3 °С. Падающие с потолка капли разрушают поверхность льда, что требует дополнительных затрат на ее восстановление. Кроме этого, могут возникнуть предпосылки для разрушения материала перекрытия. Для устранения конденсации влаги на поверхности ферм и перекрытий и обеспечения надежной защиты этих поверхностей от конденсации водяных паров рационально устанавливать в межферменном пространстве помещений с искусственным льдом тепловые насосы DAESY [3].

ЛИТЕРАТУРА

  1. СНиП 23–02–2003. Тепловая защита зданий. —19..: Госстрой России, 2004.
  2. Кокорин О. Я. Современные системы кондиционирования воздуха. 2003.
  3. Компания RHOSS. Каталог продукции. С. 68–71. Серия Dry-Pool, 2012.

О.Я. Кокорин, д.т.н., профессор МГСУ, В.Г. Королев, руководитель отдела «Центральные системы кондиционирования» компании «БРИЗ»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест