STRUČNO USAVRŠAVANJE

OVLAŠTENIH ARHITEKATA I OVLAŠTENIH INŽENJERA

XII. tečaj 10. i 11. veljače 2012.

TEMA:

"POSTROJENJE KLIMATIZACIJE ZA KONDICIONIRANJE ZATVORENOG

PLIVAČKOG BAZENA"

Autori:

mr.sc. IVAN CETINIIĆ, dipl.ing.strojArhitektonski fakultet, Zagreb

Prof.dr.sc. PETAR DONJERKOVIĆ, dipl.ing.strojDON PROJEKT, ZagrebZDENKO VAŠATKO, dipl.ing.strojTrox Austria GmbH, Predstavništvo u RH, Zagreb

Postrojenje klimatizacije za kondicioniranje zatvorenog plivačkog bazena

Na primjeru malog plivačkog bazena opisano je rješenje koje u procesu kondicioniranja prostora zatvorenog bazena i kondicioniranja bazenske vode koristi, kao povratnu energiju procesa, toplinu kondenzacije kondenzatora rashladnog agregata. U ovom primjeru je rashladni agregat ujedno i dizalica topline i predstavlja školski primjer gospodarenja energijom u procesu kondicioniranja bazena.

Mali plivački bazeni često se opremaju dizalicom topline. Na sl. III-100 je prikazana shema postrojenja za zatvoreni mali plivački bazen. Kod ovih postrojenja nije problem u zagrijavanju vode već u odvlaživanju prostora iznad bazena. Zrak iz prostorije di-jelom se vraća u proces, miješa s vanjskim zrakom a na isparivaču se istovremeno hladi i odvlažuje. Kondenzator dizalice topline podijeljen je u dva dijela, K1 i K2. Prvi dio kondenzatora K1 se nalazi u struji zraka i služi procesu kondicioniranja zraka. Drugi dio kondenzatora K2 zagrijava bazensku vodu na potrebitu temperaturu. Bazenska voda po potrebi se pothlađuje na izmjenjivaču s bunarskom vodom, ukoliko to zahtijeva temperatura ulazne vode kondenzatora K2. Na taj se način ostvaruje ravnoteža procesa između učinka isparivača koji je smješten u struji zraka i kondenzatora dizalice topline.

Sl. III-100 Shema postrojenja plivačkog bazena

U zimskom razdoblju isparivač prije svega služi za odvlaživanje zraka, prije procesa zagrijavanja i odmagljivanja, a u ljetnom razdoblju za hlađenje i odvlaživanje zraka. Dio kondenzatora K1 cjelogodišnje dogrijava zrak na odgovarajuću temperaturu ubacivanja, ovisno o režimu rada sustava (zima - prijelazno razdoblje - ljeto), regulacijom temperature u ovisnosti o vanjskoj temperaturi čime se osigurava održavanje željene temperature prostora. Relativnu vlagu osiguravamo regulacijom učinka isparivača i promjenom omjera miješanja struja svježeg i optočnog zraka. Startanjem crpke prethladnjaka, a time i stavljanjem prethladnjaka u funkciju, upravlja termostat TV.B. preko regulatora R.

Često se umjesto dizalice topline koja koristi vodu bazena u sprezi s bunarskom vodom koristi zrak kao izvor za hlađenje kondenzatora K2. Pritom su potrebite velike količine zraka. U tom slučaju za dogrijavanje bazenske vode treba osigurati posebiti toplinski izvor. Ovakva rješenja nisu ni konstrukcijski ni gospodarski u potpunosti opravdana.

U velikim zatvorenim plivačkim bazenima moraju postrojenja ispuniti sljedeće zadaće:

1. Preuzimanje i odvođenje vodene pare koja ishlapljuje s vodenih površina bazena.

2. Sprečavanje orošavanja na hladnim površinama konstrukcije građevine.

U bazenu treba održavati sljedeće uvjete:

- temperatura prostorije 26-30C,

* Prikaz procesa u ljetnom razdoblju ostavljamo čitatelju za samostalnu vježbu (rezultat usporediti sa sl. III-104c).

Sl. III-100a Prikaz procesa u h-x dijagramu - zimski pogon; odmagljivanje i zagrijavanje bazena*

qTR - toplina transmisije

qish - toplina ishlapljivanja

qV - osjetna toplina - toplina ventilacije

qM - toplina dobivena procesom miješanja

qH - učinak isparivača

- temperatura vode 2-3C niža od temperature zraka u prostoru bazena, - maksimalna relativna vlažnost 70-75%.

Shema jednostavnog bazena sa zagrijavanjem i odmagljivanjem - zimsko razdoblje - prikazana je na sl. III-101.

Osjetnik temperature zraka u bazenu 1 djeluje preko

regulatora na regulacijski ventil tople vode, a osjetnik vlage H reducira količinu recirkulacijskog zraka pri porastu vlažnosti prostorije prekretanjem zaklopki za miješanje struja zraka ili regulacijom učinka ventilatora. Bolja varijanta je postavljanje osjetnika vlage H na vanjsku plohu građevine koji prema vla-

žnosti vanjskog zraka regulira vlažnost u prostoriji uz održavanje željene temperature prostora promjenom dobavne količine svježeg zraka i osigurava temperaturu na svim elementima

građevine iznad točke rosišta. Zaštita sustava od smrzavanja vrši se po određenom programu putem termostata TZ (isključuju se ventilatori, zatvaraju zaklopke i osigurava cirkulacija vode kroz grijač).

Za pogon zatvorenih bazena troši se velika količina energije. Stoga projektanti tih građevina nastoje stvoriti uvjete za optimalnu potrošnju energije. Gospodarski to se postiže primjenom različitih sustava povrata energije. Ugradnjom rekuperatora ili regeneratora i/ili dizalice topline potrošnja energije može se smanjiti i do 50%. Ti uređaji predaju povratnu energiju zraku ili vodi.

Sl. III-101 Regulacija plivačkog bazena

1 - termostat prostorije 2 - regulator 3 - termostat dobavnog

zraka 4 - osjetnik vlage 5 - regulator 6 - motor zaklopki 7 - grijač zraka 8 - termostat zaštite od

smrzavanja

Na sl. III-102a prikazan je energetski dijagram iz kojeg je vidljiva razdioba ukupne ulazne energije. Dovedena energija troši se na pokrivanje transmisijskih gubitaka, proces odmagljivanja, proces ventilacije i u procesu pripreme vode. Iz prikaza na sl. III-102b je vidljivo koji se udio topline primjenom rekuperatora u zimskom pogonu za proračunske uvjete vraća u proces pripreme zraka. Povrat topline iz povratnog zraka iznosi od 50-80%. U tom slučaju procesu se dovodi samo energija potrebita za transmisiju građevine i pripremu bazenske vode, a rekuperira se energija iz otpadnog zraka za proces ventilacije i ishlapljivanja. Primjenom rekuperatora i dizalice topline, sl. III-102c, postiže se znatno veći povrat ulazne energije u zimskom razdoblju. Možemo reći da se u procesu ostvaruje povrat energije odgovarajući (ekvivalentan) gotovo 100% električnoj energiji za pogon rashladnog kompresora. Takvim rješenjem osigurava se cjelokupna energija za temperiranje vode bazena i 100% energije potrebite za proces pripreme zraka, uz uvjet da je vanjska temperatura V-10C, a udio vanjskog zraka u procesu cca 20%. Pri višim temperaturama vanjskog zraka smanjuje se transmisijski učinak, dakle ukupno potrebita ulazna energija postaje manja.

Usporedbom prikaza na sl. III-102 možemo zaključiti kako se u procesu kondicioniranja natkritog plivališta, rješenjem primjenom rekuperatora i dizalice topline, ostvaruje ušteda energije od cca. 50%. To ujedno znači znatne uštede energije u pogonu.

Sl. III-102 Prikaz razdiobe energije za tri različite izvedbe QV - toplina ventilacije QG - toplina za zagrijavanje vode QT - toplina transmisije QR - toplina rekuperacije QE - električna energija za pogon rashladnog sustava

Sl. III-103 Prikaz natkrivenog bazena s postrojenjem za kondicioniranje prostora bazena

1. Osjetnik vlage povratnog zraka 2. Osjetnik temperature povratnog

zraka 3. Filtar zraka sa sklopkom razlike

tlaka 4. Ventilator povratnog zraka 5. Rekuperator 6. Isparivač 7. Sustav motornih zaklopki za

miješanje struja zraka 8. Kondenzator (zrakom hlađeni

ukapljivač) 8a. I. stupanj kondenzatora - predgrijač

zraka 9. Dogrijač-posebiti toplinski izvor 10. Osjetnik temperature 11. Ventilator dobavnog zraka 12. Termostat vode u bazenu 13. Kondenzator (vodom hlađeni

ukapljivač) 14. Kompresor 15. Termoekspanzijski ventil 16. Upravljački ormarić 17. Daljinsko upravljanje 18. Troputni ventil s motornim

pogonom

Na sl. III-103 dan je primjer natkrivenog bazena s postrojenjem klimatizacije za cjelogodišnje praćenje i održavanje temperature i relativne vlage prostora bazena s primjenom rekuperatora i dizalice topline za proces pripreme zraka i proces pripreme bazenske vode. Na slici su označeni svi sastavni elementi postrojenja.

Proračun ishlapljene količine vode s vodene površine bazena

Učinak postrojenja klimatizacije natkritog plivališta izravno zavisi o bilanci topline i tvari. Obje bilance su ravnopravno utjecajne na učinak sustava. Na primjeru proračuna količine ishlapljene vode s površine vode natkritog bazena razmotrit će se postupak za

određivanje učinka postrojenja. Za određivanje veličine postrojenja i pojedinih komponenti treba provesti proračun maksimalne i minimalne količine ishlapljene vode koju treba procesom kondicioniranja prostora bazena odvesti zrakom. Postupak proračuna provodi se prema VDI 2089. Respektirajući VDI 2089, a na temelju višego-dišnjeg iskustva, vodeće tvrtke s područja klimatizacije bazena postavile su sljedeću metodu koja se provjerom u praksi pokazala pouzdanom, pa se radi jednostavnosti, ne zanemarujući čimbenik pouzdanosti, preporuča.

Primjer*: Osnovni podaci za proračun: - vodna površina bazena A = 312,5 m2 - temperatura vode w = 28 C - temperatura zraka z = 30 C - relativna vlažnost zraka = 54 % - apsolutna vlažnost zraka x = 14,3 g/kg - koeficijent korištenja pri punom pogonu N=2,2 osoba/m2

pov. vode - koeficijent korištenja u mirovanju N=0,6 osoba/m2

(tab. III-4)

Proračun maksimalne količine ishlapljene vode - Gv max

G p pv z p

1 2,

G G N Av max v f

gdje je: Gv - količina ishlapljene vode, kg/m2h - koeficijent ishlapljivanja vode, = 0,00541 kg/mbar m2h pz - parcijalni tlak zasićenja vodene pare pri temperaturi zraka i za

100%-tnu relativnu vlažnost zraka izražen u mbar prema tablici III-3

pp - parcijalni tlak vodene pare pri temperaturi zraka za zadanu relativnu vlažnost izražen u mbar prema tablici III-3

Nf - koeficijent korištenja, osoba/m2; v. tablicu III-4 A - vodna površina bazena, m2

* Primjer preuzet iz tehničkih informacija GEA-HAPPEL Klimatechnik 1988.

Tablica III-3: Prikaz parcijalnih tlakova pp i pz u ovisnosti o temperaturi i relativnoj vlažnosti zraka, za gustoću zraka 1,2 kg/m3

Temp. Relativna vlažnost zraka, u % %

C mbar 10 20 30 40 50 60 70 80 90 mbar 100

20 pp 2,34 4,67 7,01 9,35 11,70 14,00 16,40 18,70 21,40 pz 23,40

21 pp 2,49 4,97 7,46 9,94 12,40 14,90 17,40 19,90 22,40 pz 24,90

22 pp 2,64 5,28 7,93 10,60 13,20 15,90 18,50 21,10 23,80 pz 26,40

23 pp 2,81 5,62 8,42 11,25 14,00 16,80 19,70 22,50 25,30 pz 28,10

24 pp 2,98 5,96 8,95 11,90 14,90 17,90 20,90 23,90 26,80 pz 29,80

25 pp 3,17 6,33 9,50 12,70 15,80 19,00 22,20 25,30 28,50 pz 31,70

26 pp 3,36 6,72 10,10 13,40 16,80 20,20 23,60 26,90 30,20 pz 33,60

27 pp 3,56 7,13 10,70 14,30 17,80 21,40 24,90 28,50 32,10 pz 35,80

28 pp 3,78 7,56 11,30 15,10 18,90 22,70 26,40 30,20 34,00 pz 37,80

29 pp 4,00 8,00 12,00 16,00 20,00 24,00 28,00 32,00 36,00 pz 40,00

30 pp 4,24 8,48 12,70 17,00 21,20 25,40 29,70 33,90 38,20 pz 42,40

31 pp 4,49 8,98 13,50 18,00 22,50 26,60 31,40 35,90 40,40 pz 44,90

32 pp 4,75 9,51 14,30 19,00 23,80 28,50 33,30 38,00 42,80 pz 47,50

33 pp 5,03 10,10 15,10 20,10 25,10 30,20 35,20 40,20 45,30 pz 50,30

34 pp 5,32 10,60 16,00 21,30 26,60 31,80 37,20 42,50 47,90 pz 53,20

35 pp 5,62 11,20 16,90 22,50 28,10 33,70 39,40 45,00 50,60 pz 56,20

36 pp 5,94 11,88 17,81 23,75 29,69 35,63 41,56 47,50 53,44 pz 59,38

37 pp 6,27 12,54 18,81 25,08 31,36 37,63 43,90 50,17 56,44 pz 62,71

38 pp 6,62 13,24 19,86 26,48 33,10 39,72 46,34 52,96 59,58 pz 66,21

Koeficijenti i Nf su utvrđeni eksperimentima i u praksi praćenjem izvedenih sustava.

G v2kg m h 0 00541 37,8 22 9 0 138

1 2, , ,

,

G v max kg h 0 138 2 2 312 5 95 12, , , ,

Pomoću maksimalne količine ishlapljene vode može se izračunati maksimalni volumni protok zraka postrojenja klimatizacije radi odmagljivanja prostora bazena.

Maksimalni volumni protok zraka: Gz max (m3/h)

GG

xz max

v max

1000

x=(x stanja zraka u bazenu - x stanja vanjskog zraka) (g/kg) x=14,3 g/kg - 9 g/kg = 5,3 g/kg

Prema VDI 2089 dopušta se stanje zraka u bazenu s većom apsolutnom vlažnosti, ako je prekoračena granična vrijednost stanja vanjskog zraka od x=9 g/kg. Time se udovoljava zahtjevu gospodarenja energijom, a pritom se ne ugrožavaju mikrohigijenski zahtjevi prostora.

G z max3m h

95 12 1000

5 3 1 214956

,

, ,.

Za određivanje odgovarajuće snage rashladnog kompresora dizalice topline, koja je sastavni dio razmatranog sustava klimatizacije, treba još odrediti minimalnu količinu ishlapljene vode u mirnom pogonu kako bi se odredio realno potreban rashladni učinak za sve uvjete procesa.

Gv min - minimalna količina ishlapljene vode, (kg/h)

GG N

Nv min

v max f mir

f puni pogon

kg h

95 12 0 6

2 225 95

, ,

,,

Pomoću izračunatih vrijednosti Gv max i Gv min može se odabrati učinak odgovarajućih komponenti sustava prema katalogu proizvođača. Postrojenje s komponentama prikazanim na sl. III-101 je serijski standardni proizvod.

Tablica III-4 Koeficijent korištenja Nf

osoba/m2 Opis

0,3 - mirni pogon, natkriti bazen

0,6 - mirni pogon, nenatkriti bazen

1,0 - privatno korištenje

1,5 - hotelski bazen

2,0-2,5 2,2

- javno kupalište (prema intenzitetu posjete) - puni pogon

2,7 - kupanje u uzburkanoj vodi

3,0 - vrtložni bazen

11.4.4.2 Opis rada i regulacija sustava klimatizacije bazena s dizalicom topline i rekuperatorom (prema sl. III-104)

A) BAZEN U MIROVANJU

Pripremom zraka dovodi se prostoru bazena dobavni zrak takve apsolutne vlažnosti koja osigurava odmagljivanje prostora bazena. Za vrijeme kada se bazen ne koristi, ventilatori rade s malim brojem okretaja održavajući tako određeno stanje i ventilaciju bazena prema programu štednje energije. Povratni zrak iz prostora bazena dovodi se rekuperatoru preko filtra za pročišćavanje. Zrak prolazi kroz rekupertor gdje mu se odvodi osjetna toplina, a zatim se na isparivaču hladi radi odvlaživanja na stanje koje određuje linija apsolutne vlažnosti stanja ubacivanog zraka u prostor (stanje

ubacivanja određeno je izvorom vlage u prostoru i količinom ubacivanog zraka). Sustav zaklopki je postavljen u takav položaj da omogućuje 100%-tni povrat recirkulacijskog zraka u proces. Zrak se na filtru ponovno pročišćava, u rekuperatoru dogrijava, a zatim na kondenzatoru dalje grije na stanje koje može dati učinak kondenzatora, te se prema potrebi dalje dogrijava na dogrijaču na stanje ubacivanja koje određuje bilanca topline

prostora. Ukoliko učinak za odvlaživanje kod recirkulacijskog pogona nije dostatan, moduliraju se zaklopke svježeg, recirkulacijskog i otpadnog zraka, pa se vanjski zrak u odgovarajućem omjeru miješa s recirkulacijskim zrakom i koristi za odmagljivanje. Ako

se vlažnost zraka u prostoru smanjuje, zatvara se zaklopka svježeg zraka i otvara za-klopka recirkulacijskog zraka, a ako vlažnost zraka u prostoriji i dalje pada ispod vodeće vrijednosti vlažnosti tada se pomoću ventilatora regulira dotok zraka. Npr.

Sl. III-104 Prikaz sustava regulacije postrojenja klimatizacije s primjenom rekuperatora i dizalice

topline

ventilatori se pogone s manjim brojem okretaja, a daljnja regulacija stanja prostora održava se regulacijom pomoću dizalica topline. Temperatura prostora regulira se u prvom koraku regulacijom učinka toplovodnog grijača, a ako temperatura i dalje raste skreće se automatski dio rashladnog sredstva na zagrijač vode bazena. Tijekom procesa preko sustava povrata topline aktivira se puni mogući učinak topline otpadnog zraka. U svim slučajevima je hR=qR.

B) BAZEN U POGONU

B.1 Zimsko razdoblje

U ovom režimu rada sustav radi punim kapacitetom, a proces se odvija kako je ranije opisano s time da se rabi vanjski zrak prethodno predgrijan na prvom stupnju kondenzatora dizalice topline, čime se osigurava da se kod ekstremno niskih temperatura vanjske okoline proces pripreme zraka odvija lijevo od granične linije zasićenja. Količina svje-žeg zraka se ovisno o vanjskoj temperaturi mijenja od minimalno propisane mikroklimatskim uvjetima do 100%-tne količine. Na taj način nam služi vanjska atmosfera kao toplinski spremnik i smanjuje se potro-šnja energije u procesu. Svježi zrak se nakon predgrijavanja u komori miješanja miješa s prethodno odvlaženim recirkulacijskim zrakom, filtrira, dogrijava na rekuperatoru (na rekuperatoru se cjelogodišnje crpi maksimalno mogući učinak i izmijenjena toplina je hR=qR), te dalje grije na drugom stupnju kondenzatora. Ukoliko to nije dostatno, dogrijava se na toplovodnom grijaču na stanje koje određuje trenutna toplinska bilanca građevine. U razdobljima kada nije iskorištena cjelokupna toplina kondenzatora dizalice topline u procesu pripreme zraka, radi osiguravanja procesa, vodi

se dio rashladnog sredstva kroz izmjenjivač (kondenzator K) na kojem se zagrijava voda bazena. Moduliranje rada kondenzatorskih jedinica je u funkciji učinka isparivača dizalice topline koji osigurava hlađenje radi odvlaživanja zraka.

Sl. III-104a Prikaz procesa u h-x dijagramu-bazen u

mirovanju, 100% optočni zrak - zimsko razdoblje

Sl. III-104b Prikaz procesa u h-x dijagramu - zimsko

razdoblje

Tablica III-5 Bilance količine medija i topline

I Bilanca količine

1.) Količina ishlapljene vode 2.) Količina zraka Gv = (pz-pp)

1,2NfA u kg/h Gz = Gv / x u kg/h

II Bilanca topline

Q Q Quk s TR ii 1

n

G

x

Q

TR

v uk

pc

;

GQ

zuk

p TRc

;

x

G c

Q

kg

kg

v TR

uk

p

;

Toplina ishlapljivanja: Q r Gish v u W

Temperatura ubacivanja zraka računa se prema izrazima:

a) Zimski režim

TR z

uk s z

p z

C

Q

c G;

U TRz 3 ;

U

uk s z

z

C

3

Q

c Gp

.

b) Ljetni režim

TR lj

uk s lj

p z

C

Q

c G;

U TR lj 3 ;

U

uk s lj

z

C

3

Q

c Gp

.

B.2 Ljetno razdoblje

U ljetnom razdoblju imamo dva karakteristična slučaja pogonskih uvjeta sustava klimatizacije, glede stanja zraka vanjske okoline u odnosu na održavanje željenog stanja zraka u prostoru plivališta:

1. slučaj V > P i xV < xP 2. slučaj V > P i xV > xP

Procesi pripreme zraka dani su u h-x dijagramu: za 1. slučaj na sl. III-104c, a za drugi slučaj na sl. III-104d.

Opis funkcije, odnosno rada, postrojenja u ljetnom razdoblju za proces na sl. III-104d je sljedeći:

Sve dok je temperatura vanjske okoline viša od temperature zraka u prostoru bazena, rekuperator miruje, udio svježeg zraka u procesu je minimalan i određen mikrohigijenskim zahtjevom. Nakon procesa miješanja struje svježeg zraka i struje recirkulacijskog zraka, zrak se hladi i odvlažuje, a zatim dogrijava na kondenzatoru kII na stanje ubacivanja koje je određeno trenutnom toplinskom bilancom građevine. Točka hlađenja H određena je količinom ishlapljene vode u bazenu xiz = xP - xU, odnosno:

xG

Giz

v max

z max

.

Razmotrimo tri karakteristična procesa - ljetno razdoblje:

1. Ako je ish = TRlj ; U > P odvođenje topline u građevini vrši se u potpunosti na račun procesa ishlapljivanja - proces je adijabatski

2. Ako je ish > TRlj ; U > P odvođenje topline u građevini vrši se djelomično na račun procesa ishlapljivanja - proces nije adijabatski

3. Ako je ish < TRlj ; U < P proces hlađenja, odnosno odvođenja topline iz građevine je kombiniran; hlađenje ishlapljivanjem + hlađenje pothlađenim zrakom.

Sl. III-104c Prikaz procesa u h-x dijagramu Sl. III-104d Prikaz procesa u h-x dijagramu - ljetno razdoblje za V > P i - ljetno razdoblje za V > P i xV < xP xV < xP

Napomena: Točku 3 konstruiramo da bi smo mogli odrediti točku ubacivanja U, koje stanje ovisi o toplinskom opterećenju građevine.