Оценка эффективности различных вариантов вентиляции плавательного бассейна

В последние годы в России широко развернуто строительство и реконструкция объектов физкультуры и спорта, и в частности плавательных бассейнов, доступных для всех групп населения.

К микроклимату бассейнов предъявляются строгие нормативные требования. Главной выделяющейся вредностью является влага, скопление которой может привести к коррозии строительных конструкций вплоть до их обрушения.

Задача поддержания требуемого тепловлажностного режима современных бассейнов может решаться несколькими вариантами устройства системы вентиляции. Однако в условиях сложной экономической ситуации и высоких цен на топливно-энергетические ресурсы актуальным является поиск наиболее экономичного проектного решения. В этой связи большое внимание уделяется в том числе возможностям использования теплоты вытяжного воздуха.

Из анализа отечественной и зарубежной литературы [1–12] можно увидеть, что в настоящее время в бассейнах используют довольно разнообразные схемы систем создания микроклимата, в частности:

• 1)    вентиляционная система с рециркуляцией [2, 3, 9, 10];

• 2)    вентиляционная система с осушителем [1, 3, 6, 8, 9];

• 3)    вентиляционная система с рекуперацией теплоты [1, 3, 9, 11, 12];

• 4)    вентиляционная система с тепловым насосом [1, 3, 9];

• 5)    оптимизация воздухораспределения в бассейне с использованием вытесняющей вентиляции [2].

Описание объекта и постановка задач исследования

Объект исследования – бассейн спортивнотренировочного центра в Челябинске. Предмет исследования – микроклимат помещения бассейна с площадью водной поверхности 400 м2.

Цель исследования – поиск рациональной системы вентиляции плавательного бассейна, надежно обеспечивающей нормируемый микрокли- мат в помещении и наиболее экономически целесообразной [13].

Задачи, поставленные для достижения цели:

• 1)    анализ научных и литературных источников для определения возможных конструктивных решений системы;

• 2)    оценка методик расчета влаговыделений;

• 3)    оценка влияния различных методов вентиляции на расчетный воздухообмен в помещении бассейна;

• 4)    анализ нескольких вариантов современных схем вентиляции бассейна;

• 5)    технико-экономическая оценка вариантов, расчет их сроков окупаемости.

Для исследования были выбраны 3 наиболее широко распространенные схемы систем вентиляции для подобных бассейнов:

• –    вариант № 1 – схема системы вентиляции с рециркуляцией удаляемого воздуха;

• –    вариант № 2 – схема с канальным осушителем и вентиляцией, рассчитанной на санитарную норму воздухообмена;

• –    вариант № 3 – схема вентиляции с рециркуляцией и утилизацией теплоты в рекуперативном теплообменнике.

За базовый вариант была выбрана схема системы вентиляции с рециркуляцией удаляемого воздуха (вариант № 1).

Описание основных показателей и оборудования вариантов схем

Вариант 1. Схема системы вентиляции с рециркуляцией удаляемого воздуха

В ходе исследования были выполнены расчеты избытков явной и полной теплоты, а также вла-говыделений по методике [11, 14, 15]. Данные методики позволяют учесть перепрофилирование бассейна в аквапарк и другую модернизацию, так как создает определенный запас влаговыделений по сравнению с другими методиками. Полученные значения влаговыделений приведены в табл. 1 и были взяты за основу расчета воздухообмена в бассейне.

В целях увеличения поглотительной способности приточного воздуха рекомендуется подавать

Таблица 1

Расчетные значения влаговыделений в бассейне

Тип влагопоступлений Влаговыделения, кг/ч Теплый период Холодный период 1. С зеркала воды Рабочее время 155,40 194,30 Нерабочее время 27,20 31,00 Нерабочее время при укрытии зеркала воды 2,72 3,4 2. Со смоченной поверхности обходных дорожек 2,36 2,95 3. От пловцов 8,41 8,41 ИТОГО в рабочее время 166,17 205,66 ИТОГО в нерабочее время 2,72 3,40 приточный воздух малыми скоростями непосредственно в зону нахождения людей, а удалять воздух – из верхней зоны под потолком помещения. Для нахождения влагосодержания удаляемого воздуха dy (г/кг) в залах ванн бассейнов рекомендуется [2, 14] применять формулу, учитывающую коэффициент организации воздухообмена:

d у = d п + K d ( d в - d п ) , (1) где d _в – влагосодержание внутреннего воздуха при расчетных t _в и φ (для теплого периода d _в = 14,24 г/кг); К_D – коэффициент эффективности организации воздухообмена. Для выбранной схемы притока и вытяжки принят равным 1,6 [2].

Расчетный воздухообмен для теплого периода для ассимиляции всех тепловлагоизбытков составил G т ^w = 22097 кг/ч.

В холодный период года в целях сохранения условий испарения воды близкими к режиму теплого периода предложено оставить разность вла-госодержаний Δ d _р.з, равной значению для теплого периода. Достигнуть этого можно путем смешения первично подогретого наружного воздуха с влажным вытяжным воздухом из помещения, то есть использовать частичную рециркуляцию.

Был принят следующий порядок расчета:

• 1)    задается разность влагосодержаний внутреннего и наружного воздуха по теплому периоду года

Δ d р.з = d в. ^т- d н = 14,24 - 9,54 = 4,7 г/кг;

• 2)    определяется расчетное влагосодержание смеси приточного воздуха в холодный период

d см = d в ^х - Δd р.з = 11,83 - 4,7 = 7,13 г/кг;

• 3)    определяется влагосодержание удаляемого воздуха по формуле (1)

d у = 14,65 г/кг.

По полученным данным был произведен расчет воздухообмена для холодного периода с помощью построений на I–d диаграмме, показанных на рис. 1.

Расчетный воздухообмен для ассимиляции влагоизбытков в холодный период составил: G _х ^w = 11444 кг/ч.

Принципиальная схема системы вентиляции данного варианта приведена на рис. 2. Для реали- зации данной схемы предложены 2 одинаковые приточно-вытяжные установки, работающие одновременно, каждая на 50 % воздухообмена [16].

Расход теплоты на преднагрев наружного воздуха от точки Н до точки К Q НК = 95,5 кВт. Расход теплоты на нагрев наружного воздуха до требуемой температуры притока от точки С до точки П Q СП = 92,2 кВт. Итого расход теплоты на реализацию процесса в холодный период составил:

• Q 1 = Q НК + Q СП = 187,7 кВт.

Вариант 2. Схема с осушителем и вентиляцией, рассчитанной на санитарную норму воздухообмена

В данной схеме для ассимиляции влаги используется автономный осушитель, что значительно сокращает расчетный воздухообмен, так как отпадает необходимость ассимиляции влаго-выделений. Поэтому можно принять расчетный воздухообмен в размере минимальной санитарной нормы на 1 человека. Расчетный воздухообмен для данного варианта составил 5120 м3/ч.

Влага в данной схеме ассимилируется двумя путями:

• 1)    некоторое ее количество ассимилируется указанной санитарной нормой; 2) остальная влага ассимилируется осушителем канального типа, установленным в техническом помещении смежно с бассейном.

Требуемая производительность осушителя определяется по формуле

W ^ос = МD – W в , где М_D – общие влаговыделения в рабочее время в теплый/холодный период года (см. табл. 1), кг/ч;

W _в – количество влаги, удаляемой воздухом системы вентиляции в теплый/холодный период года, кг/ч.

Так, производительность осушителя в теплый период составит

W тос = 166,17 - 5120 ■ 1,2(17,06 - 9,54) = 120,0 кг/ч;

в холодный период –

W“ = 205,66 - 5120 ■ 1,2(14,65 - 0,13) = 116,5 кг/ч.

По большему из полученных значений W т ^ос = 120,0 кг/ч определяется требуемая производительность осушителя W ос . Для подбора осушителя

Рис. 1. I–d диаграмма процессов обработки воздуха в холодный период

по техническим каталогам необходимо определить суточную производительность осушения.

Суточный влагосъем   W сут ^ос с учетом 12

часового режима работы бассейна составляет:

W сут ^ос = 116,45 ∙ 12 + 3,40 ∙ 12 = 1438 кг/сут

К установке был принят конденсационный канальный осушитель Polar Bear SDD 1550B со следующими характеристиками (при tу = 29,5– 30 °С):

– производительность осушения W _сут^ос =1537 л/сут;

– потребляемая мощность N потр = 27,0 кВт;

– повышение температуры воздуха на выходе ∆t = 8,5 °С;

– выделение теплоты при работе осушителя Q изб = 49,6 кВт.

Осушитель устанавливается в техническом помещении смежно с бассейном. В системе венти- ляции устанавливаются одна приточная и одна вытяжная прямоточные установки (рис. 3).

Расход теплоты на нагрев санитарной нормы наружного воздуха от точки Н ( t _Н = -32 °С) до точки П ( t _П = 27,1 °С) составил Q 2 = 100,5 кВт.

Вариант 3. Схема вентиляции с рециркуляцией и утилизацией теплоты в рекуперативном теплообменнике

Согласно данной схеме (рис. 4), в приточновытяжной установке предусматриваются две ступени утилизации тепла:

1)рециркуляция;

• 2)    рекуперация.

Схема обработки приточного воздуха в данном варианте следующая:

• 1)    поступает наружный воздух с температурой -32 °С, проходит через пластины теплообменника и догревается от удаляемой части вытяжного воздуха до +4,4 °С;

• 2)    нагретый воздух попадает далее в камеру смешения, где к нему подмешивается рециркуляционная часть вытяжного воздуха. Таким образом, приточный воздух приобретает температуру +19 °С;

  

  Рис. 2. Схема системы вентиляции с рециркуляцией удаляемого воздуха

  
  
  

  Рис. 3. Схема с осушителем и вентиляцией, рассчитанной на санитарную норму воздухообмена

  
  
  

  Рис. 4. Схема утилизации тепла с использованием перекрестноточного пластинчатого утилизатора

  
  

• 3)    догрев воздуха от +19 °С до температуры притока +27,1 °С выполняется в водяном калорифере после камеры смешения.

Вытяжной воздух с температурой +28,5 °С проходит через теплоутилизатор, где охлаждается до +8 °С и выбрасывается в атмосферу. Рециркуляционная часть направляется, как уже упомянуто, в камеру смешения.

Для варианта № 3 подобраны 2 приточновытяжные установки с рециркуляцией и пластинчатым теплоутилизатором, работающие одновременно, каждая на 50 % воздухообмена [16]. Расход теплоты на нагрев приточного воздуха от +19 °С до температуры притока +27,1 °С составил Q 3 = 50,4 кВт.

Результаты технико-экономического анализа вариантов

В ходе исследования было выполнено технико-экономическое сравнение всех рассмотренных ранее вариантов устройства вентиляции для выявления наиболее целесообразного из них.

Для определения годового потребления теплоты на нагрев вентиляционного воздуха применялся графоаналитический метод. По максимальным и минимальным расходам теплоты и по продолжительности стояния температур по данным для г. Челябинск [17] были составлены годовые графики расхода теплоты [18] для каждого варианта, представленные на рис. 5–7. Результаты расчета сопоставлены на диаграмме рис. 8.

Далее были рассчитаны экономические показатели [19].

Капитальные затраты включали в себя следующие позиции:

• –    отпускные цены изделий: по коммерческому предложению изготовителя;

• –    затраты на перевозку: 30 % отпускной цены для вентоборудования и 60 % от стоимости монтажа воздуховодов;

  

  Рис. 5. Годовой график расхода тепла для варианта № 1

  
  
  

  Рис. 6. Годовой график расхода тепла для варианта № 2

  
  
  

  Рис. 7. Годовой график расхода тепла для варианта № 3

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

• ■    Вариант №1 Qv.max = 187,7 кВт Qгод = 479,3 Гкал/год

• ■    Вариант №2 Qv.max = 100,5 кВт Qгод = 259 Гкал/год

• ■    Вариант №3 Qv.max = 50,4 кВт Qгод = 259 Гкал/год

Рис. 8. Сопоставление расходов теплоты на нагрев наружного воздуха

• – монтажные работы: в соответствии со средними расценками на монтаж вентиляционного оборудования и материалов фирм, работающих по Челябинской области;

  – затраты на пусконаладку систем: в размере 12,6 % от монтажных работ.

После суммирования перечисленных позиций на них выполняют следующие начисления:

– накладные расходы: в размере 17,3 %;

– плановые накопления: в размере 6 %;

– усредненные зимние удорожания: в размере 1,9 %;

– социальный налог и налог на дороги: в размере 1 %.

Результаты расчета сопоставлены на диаграмме (рис. 9).

Расчет эксплуатационных затрат приведен в табл. 2.

Приведенные затраты сопоставлены в табл. 3.

Сопоставление затрат и расчет сроков окупаемости

За базовый вариант, как уже было отмечено ранее, принят вариант № 1.

Соответственно, с ним сравнивались варианты № 2 и № 3 на основании результатов, приведенных в табл. 3.

• 1.    Сравнение варианта № 2 с вариантом № 1

• 2.    Сравнение варианта № 3 с вариантом № 1

Разница стоимости годовых эксплуатационных затраты составила:

Δ С эк.год = С 1 – С 2 = 1 947 140 – 2 117 989 = –170 849 руб. < 0.

Таким образом, вариант № 2 не приносит экономии эксплуатационных затрат и, следовательно, его применение не окупается .

Разница стоимости годовых эксплуатационных затрат составила:

Δ С эк. год = С 1 – С 2 = 1 947 140 – 1 787 981 = 159 159 руб. > 0.

Рис. 9. Сопоставление капитальных затрат на рассматриваемые варианты систем вентиляции

Таблица 2

Сводная таблица эксплуатационных затрат

№	Эксплуатационные затраты	Единицы измерения	Вариант № 1	Вариант № 2	Вариант № 3
1	Годовые затраты на тепловую энергию Q год ,	Гкал/год	479,26	258,95	258,76
	при тарифе на тепловую энергию Ст = 1518,06 руб./Гкал	руб./год	727 545	393 102	392 813
2	Годовые затраты на электрическую энергию	ΣNi, кВт	7,704	28,812	5,964
	при тарифе на электрическую энергию Сэ = 3,58 руб./кВт . ч	руб./год	201 888	731 293	156 290
3	Годовые затраты на капитальный ремонт вентиляционных систем	руб./год	215 877	210 763	262 792
4	Годовые затраты на текущий ремонт вентиляционных систем	руб./год	143 918	140 508	175 195
5	Годовые затраты на реновацию системы	руб./год	102 799	100 363	125 139
6	Годовые затраты на управление	руб./год	555 113	541 961	675 751
	Итоговые годовые затраты на эксплуатацию системы вентиляции	руб./год	1 947 140	2 117 990	1 787 980

Таблица 3

Приведенные затраты по всем вариантам

№	Тип системы вентиляции	Капитальные затраты К, руб.	Годовые эксплуатационные затраты С, руб./год	Приведенные затраты П, руб.
1	1	10 279 873	1 947 141	23 851 445
2	2	10 036 310	2 117 990	24 798 699
3	3	12 513 918	1 787 981	24 976 148

Таким образом, реализация варианта № 3 приносит заказчику экономию эксплуатационных затрат почти 160 тысяч рублей в год. Поскольку капитальные затраты на данный вариант превышают затраты на базовый вариант (№ 1), то необходимо было оценить целесообразность использования варианта № 3 как более энергосберегающего.

Для оценки целесообразности мероприятия был рассчитан срок окупаемости Т . При сравнении двух вариантов, для которых известны капитальные затраты К i , К j и годовая экономия Δ С эк.год эксплуатационных затрат относительно друг друга, он определяется по формуле:

Т = K i - К j / А С эк.год . (2)

Срок окупаемости варианта № 3 составил 14 лет, что превышает принятый 10-летний срок работы вентиляционных систем. Таким образом, использование установки с теплоутилизатором не является экономически целесообразным при данных условиях.

Следовательно, по результатам техникоэкономического расчета для данного объекта самым оптимальным является вариант № 1 : приточно-вытяжная установка с частичной рециркуляцией удаляемого воздуха.

Заключение

Выводы по результатам исследования

• 1.    Энергосберегающий эффект от схемы с использованием конденсационного осушителя (вариант № 2) отсутствует , так как данный вариант характеризуется самыми высокими эксплуатационными затратами за счет высокого потребления электроэнергии осушителем. Вдобавок вследствие высоких тепловыделений конденсационный осушитель ухудшает микроклимат в теплый период года. Требуются затраты на борьбу с тепло-избытками.

• 2.    Самое низкое теплопотребление обеспечивается схемой с теплоутилизатором (вариант № 3). Однако ожидаемый экономический эффект использования теплоутилизации не подтвердился. Данный вариант имеет самые высокие капитальные затраты и окупается за 14 лет, что нецелесообразно , так как превышает рекомендованный срок 5 лет.

• 3.    Столь долгий срок окупаемости схемы с теплоутилизацией обусловлен тем, что в базовом

• 4.    Таким образом, настоящее исследование объективно показало, что наиболее рациональное решение достигается внедрением базового варианта № 1: схемы с использованием частичной рециркуляции удаляемого воздуха .

варианте (вариант № 1) заложен принцип рециркуляции , что, как показал расчет, является также эффективным и в то же время малозатратным энергосберегающим мероприятием.

Практическая значимость работы

Настоящее исследование показало, что проектирование эффективной схемы вентиляции бассейна должно быть многовариантным с анализом экономической целесообразности вариантов , и не всегда наиболее дорогой и технически совершенный вариант является самым рациональным.

Предложенная схема обработки воздуха может быть рекомендована для помещений водных видов спорта в условиях Южного Урала и похожих климатических зон.