Centrale klimatyzacyjne — Przykłady rozwiązań dla hal basenowych

Podczas doboru centrali basenowej trzeba wziąć pod uwagę specyficzne warunki, które zmieniają się nie tylko zgodnie z porami roku ale także w zależności od ilości osób na basenie i ich aktywności w czasie doby.

Kluczowym parametrem są tutaj zyski wilgoci. W niniejszym artykule znalazły się podstawowe informacje dotyczące doboru, budowy i trybów pracy central basenowych. Artykuł jest kontynuacją publikacji [4] poświęconej modułowym centralom klimatyzacyjnym.

Z uwagi na specyfikę hal basenowych, wydatek w centralach klimatyzacyjnych jest określany często na podstawie zysków wilgoci. Duże zyski wilgoci powstają na wskutek odparowania wody z powierzchni basenu a także z mokrych nawierzchni podłóg. Nawiew powietrza o odpowiednich parametrach ma na celu utrzymanie wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu krytej hali basenowej zgodnie ze standardami wymaganymi dla tego typu pomieszczeń. W przeciwnym wypadku zbyt duża wilgotność powietrza wpływa na dyskomfort osób przebywających na basenie oraz ma destrukcyjny wpływ na konstrukcję przegród budowlanych. Wykraplająca się para wodna z powietrza może również powodować erozję i zapleśnienie przegród budowlanych. Nie ulega więc wątpliwości, że zyski wilgoci powinny być usunięte z pomieszczenia hali basenowej poprzez uzdatnione powietrze z centrali klimatyzacyjnej. Nowe hale basenowe cechują się dodatkowo znacznym przeszkleniem co powoduje duże zyski ciepła w okresie letnim oraz duże straty ciepła w okresie zimowym. Powinno to zostać uwzględnione podczas określania wydatku powietrza wentylacyjnego.

W basenach publicznych parametry powietrza wewnętrznego utrzymywane są zazwyczaj w zakresie 28°C/60%RH ÷ 30°C/55%RH, przy temperaturze wody niższej o 2÷4 stopni. Powyższe parametry powinny być przestrzegane gdyż są to optymalne wartości ze względu na odparowanie z lustra wody z niecki basenowej. W przypadku basenów leczniczych mogą być przyjmowane wyższe temperatury wody. Z tych względów wilgotność względna nie powinna przekraczać 65%, zaś wilgotność bezwzględna 14,3 g/kg p.s.

Centrale przeznaczone do klimatyzowania hal basenowych charakteryzują się specyficznym układem procesu uzdatniania powietrza klimatyzacyjnego a także z uwagi na duże zawartości chloru i wilgoci powinny cechować się wysoką odpornością na destrukcyjne działanie wody i związków chloru. Centrale basenowe, podobnie jak typowe centrale klimatyzacyjne, mają konstrukcję modułową, co umożliwia ich dowolną konfigurację zależnie od potrzeb danego obiektu.

Określanie strumienia powietrza nawiewanego

Ilość powietrza nawiewanego określa się podobnie jak dla typowych central klimatyzacyjnych, tzn. dla najbardziej ekstremalnych warunków pracy centrali. Czyli określane są parametry powietrza nawiewanego i odczytywane są wartości zawartości wilgoci dla powietrza wewnętrznego oraz dla parametrów określających punkt nawiewu (z wykresu Molliera). Jeśli centrala nawiewa świeże powietrze zewnętrzne możliwe jest odprowadzenie wilgoci z pomieszczenia, gdy wilgotność bezwzględna powietrza zewnętrznego jest niższa od zawartości wilgoci w powietrzu odpowiadającym docelowym parametrom powietrza w pomieszczeniu. W okresie letnim wilgotność powietrza zewnętrznego może wynosić 11-12 g/kg, natomiast w okresie zimowym spada do wartości 1-3 g/kg p.s.

VN = mw / (xw – xz) [m3/s]

gdzie:

mw – zyski wilgoci [g/s];

ρ – gęstość powietrza [kg/m3];

xw – zawartość wilgoci w powietrzu wewnętrznym [g/kg p.s.];

xz – zawartość wilgoci w powietrzu nawiewanym lub zewnętrznym dla okresu letniego [g/kg p.s.] (dla obliczeniowych parametrów powietrza w Polsce 300°C/45%RH → xz = 12 g/kg p.s.

Ilość powietrza nawiewanego niezbędnego do odprowadzenia zysków wilgoci w zimie jest znacznie niższa niż dla okresu letniego. Oznacza to, że centrala może pracować z dużym udziałem powietrza recyrkulacyjnego. Także w godzinach nocnych, gdy basen nie jest użytkowany zyski wilgoci są znacznie mniejsze, a wydajność centrali z pompą ciepła pracującej w układzie pełnej recyrkulacji wystarczająca do ich usunięcia.

Określanie zysków wilgoci

Wielkość zysków wilgoci jest uzależniona od wielkości basenu, intensywności jego użytkowania (liczby kąpiących się osób), temperatury wody oraz wilgotności i temperatury powietrza wewnętrznego. Istnieje wiele metod określania zysków wilgoci. W dalszej części przedstawiono dwie najczęściej spotykane. Pierwszą z nich jest metoda wg niemieckiej normy VDI 2089 w której zyski wilgoci kalkuluje się na podstawie:

mw = ε · F · (pw’– pw) · 10-3 [kg/h]

gdzie:

pw’ – ciśnienie nasycenia pary wodnej przy temperaturze wody [hPa];

pw – ciśnienie cząstkowe pary wodnej odpowiadające parametrom powietrza zewnętrznego [hPa];

F – powierzchnia lustra wody [m2];

ε – współczynnik empiryczny: ε = 5 – spokojna powierzchnia, ε = 10 – baseny prywatne, ε = 20 – baseny publiczne, ε = 28 – duże baseny rekreacyjne, ε = 30 – sztuczna fala.

Drugą z wymienionych metod stanowi formuła proponowana przez poradnik Recknagel:

mw = σ · F · (x” – xw) · 10-3 [kg/h]

gdzie:

x” – zawartość wilgoci w powietrzu nasyconym o temperaturze wody [g/kg p.s.];

xw – zawartość wilgoci w powietrzu wewnętrznym [g/kg p.s.];

F – powierzchnia lustra wody [m2];

σ – współczynnik odparowania [kg/(m2h)]: σ = 10 – baseny prywatne, spokojna powierzchnia, σ = 20 – baseny ogólnego przeznaczenia, σ = 30 – baseny ze sztuczną falą.

Centrala basenowa z recyrkulacją typu R

Centrala basenowa z recyrkulacją i wymiennikiem płytowo-krzyżowym typu R-WKR

Centrala basenowa z recyrkulacją i rurką ciepła typu R-WRO

Centrala basenowa z pompą ciepła i wymiennikiem płytowo-krzyżowym typu R-WKR-HP

Urządzenie to ma trzy stopnie odzysku ciepła. W większości przypadków moc grzewcza centrali jest wystarczająca do pokrycia strat ciepłą obiektu, dzięki czemu stosowanie innego rodzaju ogrzewania nie jest wymagane. Elementy składowe centrali to: rekuperacyjny krzyżowy wymiennik ciepła, pompa ciepła, przepustnice recyrkulacyjne, wentylator nawiewny i wyciągowy, nagrzewnica wodna oraz filtry kieszeniowe klasy G4. Opcjonalnie urządzenie może być wyposażone w dwubiegowy wentylator nawiewny i dodatkowy wymiennik odzysku ciepła skraplania wykorzystywany do podgrzewania wody basenowej lub na potrzeby c.w.u.

Ogrzewanie w zimie w okresie nocnym. Pełna recyrkulacja

W godzinach, gdy basen nie jest użytkowany a dopuszczalna wilgotność powietrza wewnętrznego nie jest przekroczona, pracuje tylko wentylator nawiewny i nagrzewnica wodna, która podgrzewa powietrze utrzymując zadaną temperaturę. W razie zastosowania silnika 2-biegowego wentylator może pracować z obniżoną wydajnością. Jeśli zadana temperatura zostanie przekroczona istnieje możliwość wyłączenia wentylatora.

Osuszanie w okresie nocnym. Pełna recyrkulacja

Jeśli dopuszczalna wilgotność powietrza wewnętrznego zostanie przekroczona uruchamiana jest pompa ciepła i wentylator wyciągowy. Część powietrza przepływa przez wymiennik krzyżowy, gdzie jest wstępnie ochładzana, a następnie przez parownik, w którym jest ochładzana i osuszana. Osuszone powietrze przepływa ponownie przez wymiennik, gdzie jest wstępnie ogrzewane, miesza się z powietrzem wywiewanym, a następnie jest podgrzewane w skraplaczu. Przepustnice mieszające utrzymują optymalny przepływ powietrza przez parowacz w celu zapewnienia maksymalnego osuszania.

Praca w okresie zimowym i przejściowym w czasie użytkowania basenu

Zadana wilgotność powietrza wewnętrznego jest utrzymywana poprzez regulację ilości powietrza zewnętrznego. Minimalny udział powietrza zewnętrznego wynika z wymogów higienicznych. Ciepło z powietrza usuwanego odzyskiwane jest w wymienniku krzyżowym. Powietrze po wstępnym podgrzaniu w wymienniku kolejno podgrzewane jest w skraplaczu ciepłem odebranym w parowaczu i powiększonym o moc napędową sprężarki. Jeśli temperatura powietrza za skraplaczem jest zbyt niska od zadanej uruchamiana jest nagrzewnica wodna. Jeśli temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa, pompa ciepła jest wyłączana lub ciepło skraplania jest wykorzystywane do podgrzewania wody basenowej bądź c.w.u. (w przypadku zastosowania wymiennika odzysku ciepła skraplania).

Praca w okresie letnim w czasie użytkowania basenu

W okresie tym centrala najczęściej pracuje tylko na powietrzu zewnętrznym a pompa ciepła i nagrzewnica są wyłączone. Jeśli temperatura nawiewu jest za wysoka, część bądź całość powietrza zewnętrznego przepływa przez by-pass wymiennika krzyżowego. Jeśli centrala jest wyposażona w dodatkowy wymiennik odzysku ciepła skraplania istnieje możliwość uruchomienia pompy ciepła i podgrzewania wody basenowej lub c.w.u. za pomocą ciepła skraplania czynnika chłodniczego krążącego w pompie ciepła.

Procesy przemian na wykresie „h-x”

Na rysunkach 14, 15, 16, 17, 18, 19 przedstawiono przebiegi przemian procesów dla kilku analizowanych przypadków. Rysunki 14, 15, 16, 17 dotyczą typów central omawianych w pierwszej części artykułu [4].

Parametry określające punkt powietrza nawiewanego nakreślony na wykresie „h-x” powietrza wilgotnego są uzależnione od przyjętego systemu klimatyzacyjnego, charakterystyki cieplno-wilgotnościowej klimatyzowanego pomieszczenia (budynku), lokalizacji elementów nawiewnych, itp.

Podsumowanie

Omawiane w obu częściah artykułu zagadnienia dotyczą budowy najczęściej wykorzystywanych modułowych central klimatyzacyjnych. Z uwagi na ograniczenia, co do rozmiaru tekstu dla każdego z omawianych systemów. zaznaczono jedynie pobieżnie kwestię optymalizacji lokalizacji punktu określającego parametry powietrza nawiewanego na wykresie „h-x” Dla wybranych systemów przedstawiono przebiegi przemian obróbki powietrza klimatyzacyjnego na wykresie Moliera. Większość innych, spotykanych konfiguracji central klimatyzacyjnych cechuje się zdecydowanie prostszą budową i z tego powodu pominięto dla nich zaznaczenia procesów uzdatniania powietrza na wykresie „h-x”.

Literatura

[1] Materiały firm KLIWEKO oraz FRAPOL z Krakowa.

[2] Katalog central klimatyzacyjnych AF firmy FRAPOL.

[3] www.frapol.com.pl

[4] B. Adamski: „Centrale Klimatyzacyjne – wymiarowanie i cechy konstrukcyjne”. Chłodnictwo & Klimatyzacja 3/2009.