Расчет содержания хлора в воздушной среде залов крытых

Расчет содержания хлора в воздушной среде залов крытых аквапарков
В статье [1] сформулированы требования к чистоте и неагрессивности воздушной
среды залов крытых аквапарков, которые рекомендуется применять в проектировании
систем вентиляции при выделении свободного хлора с водных поверхностей бассейнов и
аттракционов. Эти нормативные требования характеризуются следующими значениями
концентраций хлора в залах аквапарков:
 не более 0,1 мг/м3 для воздуха «в зоне дыхания людей», соответствующих
гигиеническим требованиям к чистоте воздушной среды и обеспечивающих
комфортность для посетителей при длительном их пребывании в залах [2];
 не более 1,0 мг/м3 для воздуха «вне зоны дыхания людей», соответствующих
допустимому уроню агрессивности воздушной среды и обеспечивающих
безопасность для посетителей при продолжительности их пребывании в залах не
более 8 часов [3].
В статье [1] показана также возможность применения формул, приведенных в
работах [4,5], для оценки количества выделений свободного хлора в условиях залов
аквапарков и использования результатов этой оценки для установления его концентраций в
их воздушной среде.
В настоящее время в залах плавательных бассейнов и аквапарков получили
применение следующие расчетные схемы вентиляции: проточная – для теплого периода
года и приточно-рециркуляционная схема – для холодного периода года [6]. В этой связи
ниже излагается методика расчета содержания хлора в воздушной среде залов аквапарков и
результаты расчетов возможности обеспечения указанных допустимых уровней его
концентраций для двух отличных по степени использования наружного воздуха решений их
воздухоснабжения: при проточной и приточно-рециркуляционной схемах вентиляции.
Требуемый воздухообмен в залах аквапарков в указанные периоды годы
устанавливается, исходя из обеспечения ассимиляции влаги, испаряющейся с водных
поверхностей бассейнов и аттракционов [7], и необходимого (нормативного) для
посетителей удельного расхода наружного воздуха, регламентированного действующим
СанПиН [2]. Расчет же содержания хлора в воздушной среде залов, по-существу, является
поверочным, задача которого заключается в проверке достаточности расчетного
воздухообмена, определенного из условий удельных норм воздухоснабжения и ассимиляции
испаряющейся влаги в залах, в обеспечении требуемого уровня чистоты воздушной среды.
Для определения воздухообмена Lq (м3/ч), необходимого для ассимиляции
выделяющегося в зале аквапарка хлора, при проточной схеме работы системы вентиляции
рекомендуется применять следующие расчетные зависимости:
Lq 
Gx
;
x p. з  xпр  K q


(1)
Kq 
x ух  xпр
x р. з  xпр
,
(2)
где: Gх – суммарные выделения хлора с водных поверхностей бассейнов и
аттракционов, мг/ч;
Kq – коэффициент организации воздухообмена;
хр.з– допустимая концентрация хлора в воздухе рабочей зоны («в зоне дыхания
людей»), которая равна 0,1 мг/м3 [2];
хпр – концентрация хлора в приточном наружном воздухе, мг/м3. В нашем
случае, концентрация хлора в приточном наружном воздухе принимается хпр=0;
хух – концентрация хлора в воздухе, удаляемом из верхней зоны зала, мг/м3;
При значениях хпр=0 и хр.з=0,1 мг/м3 формулы (1) и (2) принимают следующей вид:
х ух
Gx
(3)
и
(4)
Lq 
Kq 
0,1 K q
0,1
Lq 
Тогда,
Gx
x ух
(5)
Из формулы (4) следует, что коэффициент Kq выражает отношение общего
количества выделений хлора в зале аквапарка к выделениям хлора, непосредственно
влияющих на его концентрацию в зоне дыхания людей.
Оценка возможных значений коэффициентов организации воздухообмена Kq для
залов аквапарков осуществлена на основе анализа данных, приведенных в справочнике [8].
В соответствии с этими данными на рис. 1 построены графики зависимости коэффициента
Kq от величины кратности воздухообмена n в помещении и различных условий подачи
приточного воздуха в рабочую зону: график 1 – подача воздуха непосредственно в рабочую
зону;
график
2
–
подача
воздуха
в
рабочую
зону
с
высоты
4 метров. Указанные графики экстраполированы в пределах изменения кратности
воздухообмена от 1,0 до 3,0 1/ч.
Для определения количества хлора Gх (мг/ч), выделяющегося с водных поверхностей
бассейнов и аттракционов при проточной схеме работы системы вентиляции зала аквапарка
рекомендуется принимать следующую формулу:
1
3

М в 
3

,
(6)
Gx  a 10  F
 ( Рж  Рв  М  1 
 М Cl 
2 

где: а – коэффициент, зависящий от положения водной поверхности, с которой
выделяется хлор. Для горизонтальных поверхностей (бассейны) – аг = 1.5,
для наклонных поверхностей (искусственные волны, водные горки) –
ан = 1.875, для вертикальных поверхностей (водопады) – ав = 2,25;
F – площадь водных поверхностей, выделяющих хлор (горизонтальных - Fг,
наклонных - Fн, вертикальных - Fв), м2;
Рж, Рв – парциональное давление паров хлора, соответственно, над
поверхностью воды и в воздушной среде, Па. В нашем случае, значения
Рж и Рв устанавливаются по допустимым значениям концентраций хлора,
соответственно в бассейновой воде xж =0,3-0,6 мг/л и в воздухе рабочей зоны
4
4
)3
1
D 3
4
(«в зоне дыхания людей») x р. з =0,1 мг/м3;
Мв и М Cl 2 – молекулярная масса, соответственно, воздушной среды и хлора;
D – коэффициент диффузии хлора, м2/ч.
Согласно закону Рауля парциональное давление хлора Рж, входящего в состав смеси
вода-хлор, определяется по формуле:
Рж  mCl 2  Pн ,
(7)
где: mCl2 – объемная доля хлора в смеси вода-хлор;
Рн – давление насыщенного пара хлора при заданной температуре.
Зависимость давления насыщенного пара хлора от температуры t определяется по
формуле:
В
lg Pн  А 
,
(8)
(С  t )
где: А, В и С – эмпирические коэффициенты, которые принимаются в
соответствии с данными, приведенными в [5].
2
Объемная доля хлора в смеси вода-хлор определяется по формуле:
aCl
2
mCl2 
M Cl2
,
aCl2
a H 2O

M Cl2 M H 2O
(9)
где : aCl 2 и a H 2 0 - массовая доля в смеси, соответственно, хлора и воды.
Аналогично устанавливается парциональное давление хлора Рв , входящего в состав
смеси воздух-хлор.
Суммарное количество хлора, выделяющегося с горизонтальных, наклонных и
вертикальных водных поверхностей бассейнов и аттракционов зала аквапарка в период
рабочего дня Gхр (мг/ч) равно:
(10)
Gхр  Gхг  Gхн  Gхв
Суммарное количество хлора, выделяющегося с горизонтальных водных
поверхностей (неукрытых) бассейнов зала аквапарка в нерабочее время Gхн. р (мг/ч) равно:
(11)
Gхн. р  Gхг
Пример 1. Определим достаточность расчетного воздухообмена в зале аквапарка
L=17500 м3/ч (n=2), установленного из условий ассимиляции влаговыделений и обеспечения
удельных норм воздухоснабжения, для ассимиляции хлора при работе проточной системы
вентиляции при следующих условиях:
 площади водных горизонтальных (Fг), вертикальных (Fв) и наклонных (Fн)
поверхностей бассейнов и аттракционов в зале аквапарка составляют,
соответственно, 570, 36, 125 м2;
 допустимая концентрация хлора в воздухе рабочей зоны («в зоне дыхания
людей») - х р. з =0,1 мг/м3 (Рв=0,37 Па);
 допустимая концентрация хлора в бассейновой воде
(Рж=0,93 Па);
 концентрация хлора в наружном приточном воздухе – хпр=0.
-
хж =0,3
мг/л
Решение. По формуле (6) устанавливаем выделения хлора с различных водных
поверхностей в зале, которые составили:
 для горизонтальных поверхностей G хг =2910 мг/ч;
 для наклонных поверхностей G хн =230 мг/ч;
 для вертикальных поверхностей G хв =960 мг/ч.
Суммарное количество хлора, выделяющееся со всех водных поверхностей зала
аквапарка в период рабочего дня, установленное по формуле (10), составляет
Gхр =4 100 мг/ч.
Используя формулы (4,5), а также данные рис. 1, определяем необходимый
воздухообмен Lq в зале для условий ассимиляции выделяющегося хлора и обеспечения в
воздухе рабочей зоны допустимой концентрации хлора х р. з =0,1 мг/м3 для двух случаев
организации подачи приточного воздуха в зал:
– подача приточного воздуха непосредственно в рабочую зону (коэффициент
организации воздухообмена Kq =2,4 - см. график рис. 1);
– подача приточного воздуха в рабочую зону с высоты 4 метров (Kq =1,5).
Результаты определения необходимого воздухообмена Lq в зале для ассимиляции
хлора рассматриваемых случаев организации подачи приточного воздуха приведены
в табл. 1.
3
Таблица 1
Расчетный параметр
Организация подачи приточного воздуха
Непосредственно
В рабочую зону
в рабочую зону
с высоты 4 метров
Кq
2,4
1,5
х ух  0,1  K q , мг/м3
0,24
0,15
17 100
27 300
p
Lq 
Gx
х ух
, м3/ч
Таким образом, расчетный воздухообмен в зале L=17 500 м3/ч будет достаточен для
требуемой ассимиляции хлора при условии, если будет осуществлена подача приточного
воздуха непосредственно в рабочую зону («в зону дыхания людей»).
При использовании бассейновой воды с концентрацией хлора равной хж=0,6 мг/л
выделения хлора в зале существенно возрастут и составят (при прочих равных условиях для
рассматриваемого примера)  16 200 мг/ч, а необходимое количество приточного воздуха
составит 68 000 м3/ч, которое превосходит заданный расчетный воздухообмен L в 3,5 раза.
Эти результаты указывают на необходимость надежного обеспечения
концентрации хлора в бассейновой воде не более хж=0,3 мг/л в течение всего периода
эксплуатации зала, что является основной предпосылкой для обеспечения допустимой
концентрации хлора в воздушной среде рабочей зоны зала аквапарка хв=0,1 мг/м3.
Приточно-рециркуляционная схема вентиляции в залах аквапарка может
применяться с достаточно высоким значением рециркуляции внутреннего воздуха
(nр ≥ 0,5). Не останавливаясь на основных причинах применения рециркуляции воздуха в
залах аквапарков, отметим, что она влияет на изменение интенсивности выделения хлора с
водных поверхностей их бассейнов и аттракционов. При установившемся процессе
выделения и ассимиляции хлора в зале его количество и значение концентрации хлора в
воздушной среде зала можно оценить по нижеследующим формулам.
Для определения количества выделяющегося хлора в зале используем формулу (6) в
следующем виде:
4
Gx  в  ( Рж  Рв ) 3 ,
(12)
где: в – комплекс параметров, имеющих постоянные значения для
рассматриваемых условий;
Рж –
парциональное давление хлора над водными поверхностями
бассейнов и аттракционов зала, зависящее от концентрации хлора в
бассейновой воде хж, постоянное значение которой обеспечивается
в процессе эксплуатации аквапарка;
Рв –
парциональное давление хлора в воздушной среде зала, которое
стремится к определенному предельному значению в зависимости
от коэффициента рециркуляции воздуха nр.
Средняя концентрация хлора в воздушной среде зала определяется по формуле:
G
хв  хсм  x ,
(13)
L
где: хв. – средняя концентрация хлора во всем объеме зала, мг/м3;
Lн  хн  L р  х р
хсм 
- концентрация хлора в подаваемом в зал приточном
L
воздухе (в смеси наружного и рециркуляционного воздуха), мг/м3;
4
Lн; хн – соответственно, расход наружного воздуха (м3/ч) и содержание в нем
хлора (мг/м3);
Lр; хр – соответственно, количество рециркуляционного воздуха (м3/ч) и
содержание в нем хлора (мг/м3);
L= Lр + Lн – расчетный воздухообмен, м3/ч.
Lр
Принимая,
 n p - коэффициент рециркуляции, хн=0, хр=хв, имеем:
L
хсм  n р  хв
(14)
Подставляя значения Gх и хсм в формулу (13), получаем следующую зависимость:
4
в  ( Рж  Рв ) 3
(15)
хв  n р  хв 
L
Для установления значений концентрации хлора в воздушной среде зала хв
представим формулу (15) в следующем виде:


 хв  1  n р  L 
Рв  Рж  

в


Учитывая, что (1-nр)·L=Lн, имеем:
3
4
(16)
3
х L  4
(17)
Рв  Рж   в н 
 в 
Анализ формул (15) и (16) показывает, что при условии отсутствия притока
наружного воздуха и работе только рециркуляционной системы (nр=1), предельное
(максимальное) значение парционального давления хлора в воздушное среде и значение
парционального давления хлора у поверхности бассейновой воды будут равны: Рвmax.  Рж ,
а как следствие этому Gx=0.
Используя графики рис. 2, на котором представлены изменение значений
парционального давления хлора в зависимости от его концентрации в воздухе зала
аквапарка Рв  f xв  и значения парционального давления хлора у поверхности
бассейновой воды в зависимости от концентрации хлора в воде Рж  f xж , установлены
предельные значения хвmax в зависимости от концентрации хлора в бассейновой воде:
- хвmax =0,084 мг/м3 при хж=0,1 мг/л;
- хвmax =0,25 мг/м3 при хж=0,3 мг/л;
- хвmax =0,50 мг/м3 при хж=0,6 мг/л
Таким образом, для условий отсутствия притока наружного воздуха только при
концентрации хлора в бассейновой воде хж=0,1 мг/л в воздушной среде зала его
концентрация будет меньше хв=0,1 мг/м3.
В случае приточно-рециркуляционной системы вентиляции значения парционального
давления Рв ≠ Рж (Gх ≠ 0). При этом, чем меньше коэффициент рециркуляции nр, тем
3
 х L  4
большее значение имеет комплекс  в н  и тем меньше значение Рв (хв), на которое
 в 
влияет воздухообмен в зале за счет приточного наружного воздуха L н. Учитывая, что:
хв=0,27·Рв ,
формулу (17) можно представить в следующем виде:
Рж
Рв 
3
 1  0,27  Lн  4
4


1  Рв


в


5
.
(18)
(19)
Определение значения Рв в соответствии с формулой (19) может быть осуществлено в
результате его подбора. Этот расчет можно и упростить, приняв Рв  4  1 , что на наш
взгляд допустимо (без большой погрешности) при значениях Рв равных 0,37-2,22 Па
(хв=0,1-0,6 мг/м3). Тогда:
Рж
(20)
Рв 
 0,27  Lн  34
1 

в


Пример 2. Оценим значения концентраций хлора в воздушной среде зала аквапарка
при различных значениях коэффициента рециркуляции nр для условий исходных данных и
результатов расчета примера 1:
 расчетный воздухообмен L=17500 м3/ч;
 допустимая концентрация хлора в бассейновой воде хж=0,3 мг/л (Рж=0,93 Па);
 количество выделяющегося хлора со всех водных поверхностей зала аквапарка
Gх=4100 мг/ч;
Gx
4100
 в

 8900
4
( P  Р ) 3 0,46
1
ж
в
Решение. Расчет выполняется с использованием формул (18, 20).
При nр=0:
0
,
93
Рв 
 0,57 Па ;
Lн=17 500 м3/ч;
хв=0,27·0,57=0,155 мг/м3
3
 0,27 17500  4
1 

8900


При nр=0,5:
Lн=8 750 м3/ч;
Lн=0 ;
Рв 
0,93
3
 0,69 Па ;
 0,27  8750  4
1 

 8900 
При nр=1:
0,93
Рв 
 0,93 Па ;
3
 0,27  0  4
1 

 8900 
хв=0,27·0,69=0,185 мг/м3
хв=0,27·0,93=0, 25 мг/м3
Аналогичные расчеты были выполнены при концентрации хлора в бассейновой воде
хж=0,6 мг/л и nр=0-1. Результаты расчетов концентрации хлора в воздушной среде залов хв
в зависимости от величины рециркуляции воздуха nр и концентрации хлора в бассейновой
воде хж приведены в табл. 2.
Таблица 2
Концентрация хлора в воздушной среде зала
Коэффициент
Отношение
х в (мг/м3) при концентрации хлора в
рециркуляции
бассейновой воде
хв при nр =i
nр
хж=0,3 мг/л
хж=0,6 мг/л
хв при nр =0
1,0
0,25
0,48
1,5
0,5
0,185
0,37
1,2
0
0,155
0,31
1,0
Из данных таблицы 2 следует, что при работе приточно-рециркуляционной
системы с nр =0,5 значение концентрации хлора в воздушной среде зала возрастет не более
20% по сравнению с содержанием хлора в воздушной среде зала при проточной схеме
вентиляции (nр =0).
6
1.



2.


В заключении отметим следующее:
Изложенная методика расчета позволяет:
устанавливать достаточность расчетного воздухообмена L для ассимиляции
выделяющегося в зале аквапарка хлора до допустимых его концентраций в воздушной
среде, регламентированных действующими нормативами документами [1,2];
определять возможность применения проточной и приточно-рециркуляционной схем
вентиляции в залах аквапарков для ассимиляции выделения хлора в теплый и холодный
периоды года;
прогнозировать изменение концентрации хлора в воздушной среде залов аквапарков при
изменении концентрации хлора в бассейновой воде в период рабочего дня и в нерабочее
время.
Результаты расчетов концентраций хлора в воздушной среде залов аквапарков
позволяют утверждать о возможности обеспечения:
для проточной системы вентиляции допустимой концентрации хлора в воздухе рабочей
зоны хр.з=0,1 мг/м3 при концентрации хлора в бассейновой воде не более хж=0,3 мг/л и
при подаче приточного воздуха непосредственно в зону дыхания людей;
для приточно-рециркуляционной системы вентиляции средней концентрации хлора в
воздушной среде залов не более хв=0,25 мг/м3 при концентрации хлора в бассейновой
воде не более хж=0,3 мг/л.
А. Е. Алейников, генеральный директор
ООО «Компания «Стройинженерсервис»;
А. Б. Федоров, д. т. н., главный специалист
ООО «Компания «Стройинженерсервис»
7
Литература
1. Алейников А.Е., Федоров А.Б. Требования к чистоте и неагрессивности воздушной
среды залов крытых аквапарков. Строй ПРОФИЛЬ, № 4, 2006.
2. СанПиН 2.1.2.1331-03. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и
качеству воды аквапарков.
3. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в
воздухе рабочей зоны.
4. Эльтерман В.М. Вентиляция химических производств. Изд. «Химия», М., 1980.
5. Тищенко Н.Ф. Справочник. Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания
вредных веществ и их распределение в воздухе. Изд. «Химия», М., 1991.
6. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. М., Физматлит,
2003.
7. Алейников А.Е., Федоров А.Б. Испарение влаги с водных поверхностей в условиях
крытых аквапарков. Строй ПРОФИЛЬ, № 7, 2004.
8. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч.3.
Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2. М., Стройиздат, 1992.
8