W artykule przedstawione zostaną zalety stosowania pomp ciepła w centralach klimatyzacyjnych stosowanych w obiektach basenowych, które są obiektami o stałych warunkach klimatu wewnętrznego w ciągu całego roku, szczególnie w strefie przebywania ludzi. Z uwagi na to w referacie przedstawione zostaną zalety stosowania pomp ciepła w centralach klimatyzacyjnych stosowanych w tego typu obiektach. Omówione zostaną wyniki obliczeń zużycia ciepła do podgrzewu powietrza wentylacyjnego w centralach wyposażonych w nagrzewnicę wodą w porównaniu z centralami wyposażonymi w pompę ciepła ze skraplaczem pojedynczym i podwójnym, które pokażą zasadność stosowania pomp ciepła w klimatyzacji krytych basenów. 

Centrala wyposażona w pompę ciepła z podwójnym skraplaczem – powietrznym i wodnym pracuje bardzo stabilnie w ciągu całego roku, z uwagi na to, że parametry dolnego i górnego źródła ciepła, szczególnie w przypadku zdecentralizowanego systemu wentylacyjnego, są stałe w ciągu roku. Zastosowanie podwójnego skraplacza w pompie ciepła powoduje, że uzyskany zostaje wysoki wskaźnik COP dla całego roku.

Parametry powietrza w halach basenowych

W krytych basenach kąpielowych powinny panować specyficzne warunki klimatu wewnętrznego, które zapewnione być muszą przez centralę klimatyzacyjną basenową, wspomaganą przez ogrzewanie statyczne. Centrala ta przygotowuje powietrze o parametrach zapewniających właściwą temperaturę powietrza w hali basenowej, wynoszącą 30°C, wilgotność względną 60%, a także dostarcza wymaganą ilość powietrza świeżego w celu odebrania zysków wilgoci powstających z parowania oraz zanieczyszczenia powietrza.

Hala basenowa obiektu sportowego charakteryzuje się tym, że można w niej wydzielić kilka stref o zupełnie innych wymaganiach warunków klimatycznych. Strefa niecki basenowej jest najważniejszą z tych stref, ponieważ jest to miejsce przebywania użytkowników. To tu powinny panować właściwe warunki klimatu wewnętrznego. Najkorzystniej jest, gdy ta strefa posiada wydzielony system grzewczo-wentylacyjny, tak żeby powietrza przygotowywane było specjalnie dla tego obszaru. W takim przypadku powietrze świeże dostarczane jest do miejsca przebywania ludzi, zyski wilgoci oraz zanieczyszczenia związane z obecnością w powietrzu zanieczyszczeń związanych z produktami ubocznymi dezynfekcji wody są usuwane w miejscu ich powstania, a ludzie mają zapewniony komfort klimatyczny. [3]

Inne strefy, które można wyróżnić w halach basenowych to strefa przegród zewnętrznych oraz strefa podstropowa czy strefa widowni.

Z reguły system wentylacyjny hali basenowej jest systemem centralnym, w którym centrala wentylacyjna przygotowuje powietrze dla całej hali basenowej. Powietrze nawiewane ma wysoką temperaturę, a jego zadaniem jest jednoczesne usunięcie zysków wilgoci, zanieczyszczeń oraz zapewnienie wymaganych parametrów w całej kubaturze hali basenowej. Poza zaletą, którą jest prostota takiego układu i tradycyjne schematy stosowane przy projektowaniu, można wyróżnić szereg wad: ƒƒ

• niedopasowanie temperatury do wymagań w każdej ze stref, ƒƒ
• nieskuteczne odprowadzanie zanieczyszczeń (trihalometany i chloraminy są cięższe od powietrza), ƒƒ
• nieskuteczne przewietrzanie niecki basenowej.

Korzystniejszym układem wydaje się być system zdecentralizowany, w którym centrala basenowa przygotowuje powietrze jedynie dla niecki basenowej – parametry nawiewu są niższe, powietrze świeże dostarczane jest do strefy przebywania ludzi, niecka basenowa jest dobrze wentylowana. Przegrody budowlane oraz widownia są obsługiwane przez wyodrębnione układy. [2]

Analizując bilans cieplno-wilgotnościowy wydzielonej strefy niecki basenowej można zauważyć, że charakteryzuje się ona stosunkowo stałymi parametrami w ciągu całego roku [2]. Rysunek 1. przedstawia obliczoną na podstawie tego bilansu temperaturę powietrza nawiewanego do hali basenowej w przypadku wydzielonej strefy niecki basenowej (kolor zielony) oraz gdy powietrze przygotowywane jest dla całej hali basenowej (kolor czerwony), czyli z uwzględnieniem strat i zysków ciepła związanych z przenikaniem przez obudowę zewnętrzną hali, które powiązane są ściśle z parametrami powietrza zewnętrznego zmiennymi w ciągu roku (kolor niebieski).

Rys. 1. Temperatura nawiewu dla hali basenowej [1]

Centrale klimatyzacyjne stosowane w basenach

W halach basenowych stosuje się z reguły dwa typy central wentylacyjnych, które różnią się zastosowanymi w nich urządzeniami do obróbki powietrza, a które pokazano schematycznie na rysunkach 2–5. Symbole oznaczają parametry powietrza: N – nawiewanego, P – wywiewanego z hali basenowej, Z – zewnętrznego (wlot do centrali), M1 – w komorze mieszania recyrkulacji zewnętrznej, M2 – komorze mieszania recyrkulacji wewnętrznej, OC – za wymiennikiem ciepła po stronie nawiewnej, OC’ – za wymiennikiem ciepła po stronie wywiewnej, PC’ – za parowaczem pompy ciepła.

Pierwszym rozwiązaniem jest prosta centrala wentylacyjna, przedstawiona na rysunku 2., wyposażona w rekuperator do odzysku ciepła, nagrzewnicę wodną oraz recyrkulację powietrza.

Rys. 2. Centrala wentylacyjna basenowa z rekuperatorem do odzysku ciepła i nagrzewnicą wodną

Nowocześniejszym rozwiązaniem jest centrala klimatyzacyjna wyposażona w pompę ciepła oraz podwójną recyrkulację, w dwóch odmianach – ze skraplaczem pojedynczym powietrznych (rys. 3.) oraz ze skraplaczem podwójnym powietrznym i wodnym (rys. 4.).

Rys. 3. Centrala wentylacyjna basenowa z pompą ciepła ze skraplaczem powietrznym

Rys. 4. Centrala wentylacyjna basenowa z pompą ciepła ze skraplaczem powietrznym i wodnym (oznaczenia punktów jak na rys. 2.)

Hala basenowa wydaje się być odpowiednim miejscem do stosowania właśnie central klimatyzacyjnych wyposażonych w pompę ciepła powietrze-powietrze z uwagi na parametry powietrza zarówno po stronie nawiewnej jak i wywiewnej w ciągu całego roku. Taki stan rzeczy jest korzystny, ponieważ zarówno po stronie dolnego źródła ciepła (powietrze wywiewane, za krzyżowym wymiennikiem ciepła), jak i po stronie górnego źródła ciepła (powietrze nawiewane za krzyżowym wymiennikiem ciepła) panują stałe warunki. Prowadzi to do tego, że dobrze zaprojektowana i dobrana centrala z pompą ciepła pracuje stabilnie w ciągu całego roku przy wysokim współczynniku COP.

Dodatkowo takie rozwiązanie centrali klimatyzacyjnej jest efektywne z uwagi na zużycie energii do podgrzewu powietrza wentylacyjnego.

Analiza pracy centrali wentylacyjnej w ciągu roku

Analizy rocznej pracy centrali klimatyzacyjnej wykonano w oparciu o dane klimatyczne (temperatura, wilgotność względna, natężenie promieniowania słonecznego) dla miasta Poznaniu, w oparciu o dane dla typowego roku meteorologicznego [7].

Centrala klimatyzacyjna dobrana została dla wydzielonej strefy niecki basenowej w hali, w której wymiary lustra wody to 12x25m, czyli dla tradycyjnego basenu sportowego.

Przyjęto strumień powietrza nawiewnego w wielkości 40 m3/(h.m2B), co pozwala na usunięcie zysków wilgoci z parowania [4]. Z bilansu cieplno-wilgotnościowego, omówionego w [2] wyznaczono temperaturę powietrza nawiewanego, co jest podstawą obliczeń ilości ciepła niezbędnego do podgrzania powietrza wentylacyjnego. W nocy strumień powietrza jest zmniejszany o 20%, z uwagi na brak użytkowników obiektu, czyli zmniejszone odparowanie wody.

Wykonano obliczenia w trzech wariantach, różniących się rodzajem urządzeń do podgrzewu powietrza: ƒƒ

• z nagrzewnicą wodną,
• ƒƒ skraplaczem pojedynczym, ƒƒ
• skraplaczem powietrznym.

Rys. 5. Centrala wentylacyjna basenowa z pompą ciepła DanX firmy Dantherm [6]

Energia niezbędna do podgrzania powietrza wentylacyjnego przez nagrzewnicę wodną

(...)

Energia niezbędna do podgrzania powietrza wentylacyjnego przez pompę ciepła

(...)

Wyniki obliczeń

(...)

Wnioski

Analiza pracy centrali wentylacyjnej basenowej z pompa ciepła w układzie zdecentralizowanym pokazuje, że dla basenów pływackich stosowanie takiej centrali i właśnie takiego systemu wentylacyjnego jest najbardziej racjonalne zarówno pod względem zapewnienia właściwych parametrów i jakości powietrza, jak również pod względem zużycia energii w postaci ciepła przekazywanego do powietrza, jak i zużycia energii elektrycznej.

Ilość ciepła do podgrzewu powietrza wentylacyjnego jest mniejsza w wariantach z pompą ciepła, w porównaniu do wariantu z nagrzewnicą wodną z uwagi na zastosowanie podwójnej recyrkulacji powietrza, jednak są to wartości dosyć zbliżone.

Centrala z pompą ciepła w układzie zdecentralizowanym wyposażona w podwójny skraplacz zapewnia również stabilną pracę obiegu pompy ciepła w okresie całego roku i zapewnia największy efekt ekonomiczny. Co prawda zużycie energii elektrycznej w tym wariancie jest największe, jednak przekłada się ono na wytworzenie dodatkowego ciepła, które może być wykorzystane w obiegu wody basenowej, co powoduje, że sumaryczny bilans obiektu jest korzystniejszy. Jest to najbardziej efektywny sposób wykorzystania pompy ciepła w obiekcie basenowym.

dr inż. Katarzyna RATAJCZAK
– Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Poznańska

prof. dr hab. inż. Edward SZCZECHOWIAK
– Instytut Inżynierii Środowiska, Politechnika Poznańska

LITERATURA:

[1] RATAJCZAK K., SZCZECHOWIAK E.: Analiza działania centrali wentylacyjnej z pompą ciepła w instalacji krytego basenu pływackiego. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 47/9 2016, 370-375.
[2] RATAJCZAK K., SZCZECHOWIAK E.: Parametry powietrza w halach basenowych dla systemu wentylacji centralnej i strefowej oraz ich wpływ na zużycie energii do podgrzewu powietrza zewnętrznego. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 46/9 2015, 355-361.
[3] RATAJCZAK K., SZCZECHOWIAK E.: Rozdział powietrza w krytych basenach pływackich dla układu centralnego i zdecentralizowanego. Air Heat&Energy in Buildings 2014, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2014.
[4] RATAJCZAK K., SZCZECHOWIAK E.: Wpływ przepływu powietrza na parowanie i straty konwekcyjne w krytych basenach kąpielowych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 41/4, 2015, 141-148.
[5] RECKNAGEL, SPRENGER, HONMANN, SCHRAMEK: Kompendium wiedzy – Ogrzewnictwo, Klimatyzacja, Ciepła woda, Chłodnictwo. Omni Scala, Wrocław 2008.
[6] Katalog firmy Dan-Poltherm.
[7] Typowy rok meteorologiczny: www.mib.gov.pl.