Испарение влаги с водных поверхностей в условиях крытых

1
Испарение влаги с водных поверхностей в условиях крытых аквапарков.
Генеральный директор
ООО «Компания «Стройинженерсервис»
А. Е. Алейников
Главный специалист
ООО «Компания «Стройинженерсервис»
Профессор кафедры ВИТУ
докт. техн. наук А. Б. Федоров
В условиях крытых аквапарков различные бассейны и развлекательные водные
аттракционы являются основными источниками значительных влагопоступлений,
которые необходимо учитывать при проектировании их систем вентиляции и
кондиционирования воздуха. Недостаточный учет влагопоступлений от указанных
источников может привести в период эксплуатации крытых аквапарков к постоянному
возникновению конденсации влаги из воздуха на внутренних поверхностях различных
строительных конструкций и к несоблюдению допустимого температурно-влажностного
режима воздушной среды в зоне пребывания купающихся. Наш опыт проектирования
систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых аквапарков показал, что для
оценки их влагопоступлений требуется проведение тщательного анализа:
– технологических режимов использования бассейнов и водных аттракционов;
– рекомендуемых расчетных зависимостей для оценки испарения влаги с водных
поверхностей с целью установления возможности их применения для условий
действующих крытых аквапарков.
В этой связи следует отметить, что наибольшие затруднения возникли с
установлением (обоснованным выбором) расчетных зависимостей для определения
влагопоступлений с водных поверхностей.
В настоящее время имеется множество формул, рекомендуемых для оценки
испарения влаги, которые основаны на результатах лабораторных экспериментов.
Возникло сомнение, что лабораторные эксперименты учитывают всю полноту условий,
при которых происходит испарение влаги с водных поверхностей бассейнов и
аттракционов в условиях крытых аквапарков. Поэтому было решено проанализировать
расчетные зависимости для определения интенсивности испарения влаги с водных
поверхностей, рекомендуемые различными нормативными документами, существующими
в отечественной и зарубежной практике. При проведении анализа особое внимание было
обращено на условия получения и возможные области применения рекомендуемых
расчетных зависимостей для оценки испарения с водных поверхностей.
В отечественной практике для расчета количества влаги, испаряющейся с
открытой водной поверхности, широкое применение получила зависимость,
предложенная сушильной лабораторией Всесоюзного Теплотехнического Института
(г. Москва), которая базируется на результатах обширных опытов, проведенных при
следующих условиях:
– температура воздуха – t=40÷225 0С;
– влагосодержание воздуха – d=10÷25 г/кг;
– скорость движения воздуха – υ=1÷7,5 м/с.
В опытах обеспечивались условия испарения близкие к адиабатическому процессу.
Разработанная при этом зависимость была включена в «Указания по проектированию
отопления и вентиляции» (СН 7-57), а затем в «Справочник проектировщика. Вентиляция
и кондиционирование воздуха» кн. 1, изд. 1992 г. (СПВ) в следующем виде:
G=7,4(аt+0.017∙υ)∙(Pн-Рв)∙
101,3
∙F ,
Рбар
(1)
2
где
G – количество испаряющейся влаги с открытой водной поверхности
площадью F (м2), кг/ч;
υ – относительная скорость движения воздуха над водной поверхностью, м/с. Для
залов бассейнов, согласно СНиП 2.08.02-89*, можно рекомендовать не более
0,2 м/с;
аt – коэффициент, зависящий от температуры воды в бассейне (0,022÷0,028 при
tводы=28-40 0С);
Pв – парциальное давление водяного пара в воздухе рабочей зоны помещения, кПа;
Pн – давление насыщенного водяного пара в воздухе при температуре, равной
температуре воды, кПа;
Рбар – барометрическое давление, кПа.
Как отмечает проф. Н. С. Сорокин в книге «Вентиляция, увлажнение и отопление
на текстильных фабриках» (изд. 1953г.) формула (1) представляет собой
модифицированную формулу Дальтона, которая имеет следующий вид:
G=
45,6  С  ( Рн  Рв )  F
,
Рбар
(2)
где
С – коэффициент испарения (0,86 – при сильном движении воздуха; 0,71 – при
умеренном движении воздуха; 0,55 – при спокойном состоянии воздуха).
Эта зависимость была получена Дальтоном в результате проведения им
многочисленных опытов по испарению воды, которая подогревалась в круглых чашах
ø8,25 и ø15,24 см на жаровнях до различной температуры. При этом в опытах скорость
движения воздуха над поверхностью испарения изменялась произвольно. Поэтому в
формуле Дальтона не указывается количественные характеристики скорости движения
воздуха над поверхностью испарения. В книге «Вентиляция» (изд. 1959 г.) проф. П. Н.
Каменева дана оценка возможных скоростей движения воздуха в опытах Дальтона:
– при сильном движении воздуха скорость воздуха могла составлять 1,57 м/с;
– при умеренном движении воздуха - 1,13 м/с;
– при спокойном состоянии воздуха - 0,58 м/с.
На основании этих данных было установлено значение коэффициента испарения
С=0,4 при скорости движения воздуха над поверхностью испарения равной 0,2 м/с.
В зарубежной практике для расчета испаряющейся влаги с водной поверхности
бассейнов применяются формулы, приведенные в «Руководстве по проектированию»
фирмы Dantherm, которые дают возможность учитывать влияние занятости бассейна
купающимися и их активности на испарение влаги. В Руководстве отмечается, что в
Германии используется для расчета испарения воды с водяной поверхности крытых
плавательных бассейнов формула стандарта VDI 2086, разработанная обществом
немецких инженеров:
G=ε∙F ∙(Pн-Рв)∙10-3 ,
(3)
где ε – эмпирический коэффициент испарения воды с водной поверхности бассейна,
г/м2∙ч∙мбар, зависящий от подвижности водной поверхности, количества
купающихся и их активности.
Рекомендуется принимать следующие значения коэффициента :
=35 – для бассейнов с горками и значительным волнообразованием;
=28 – при средней подвижности водной поверхности для общественных бассейнов
и нормальной активности купающихся (бассейны для отдыха и
развлечений);
3
=13 – при малоподвижной водной поверхности для небольших плавательных
бассейнов с ограниченным количеством купающихся;
=5,0 – для неподвижной воды в бассейнах;
=0,5 – закрытая поверхность воды в бассейнах.
Следует отметить, что формула (3) является также модификацией формулы
Дальтона, а ее эмпирический коэффициент  отражает влияние на процесс испарения
влаги, как скорости движения водной поверхности, так и скорости движения воздуха
ввиде относительной скорости движения указанных сред.
В Великобритании для расчета количества испаряющейся влаги с водной
поверхности бассейнов, как отмечается в «Руководстве по проектированию» фирмы
Dantherm, чаще используются формулы Бязина-Крумме, которые установлены на основе
натурных измерений интенсивности испарения влаги, проведенных в действующих
бассейнах. Для дневного периода (период использования бассейна) рекомендуется
формула Бязина-Крумме в следующем виде:
Р
G= [0,118+0,01995∙А∙
]∙F ,
(4)
1,333
где А – коэффициент занятости бассейна купающихся, зависящий от количества
купающихся n (чел) и от площади бассейна F (м2);
Р – разность между давлением водяных паров насыщенного воздуха при
температуре воды в бассейне и парциальным давлением водяных паров в
воздушной среде бассейна, мбар.
Для ночного периода (в период бездействия бассейна) рекомендуемая формула
Бязина-Крумме имеет вид:
Р
G= [-0,059+0,0105∙
]∙F
(5)
1,333
Нами были выполнены расчеты интенсивности испарения влаги с водной
поверхности бассейнов в период их использования (в дневное время) по формулам (1÷4).
При этом были рассмотрены три типа бассейнов и водных аттракционов в зависимости от
температуры применяемой воды:
тип 1 – общие бассейны водных аттракционов, tводы=30 0С;
тип 2 – детские бассейны, tводы=35 0С;
тип 3 – бассейны «Джакузи», tводы=40 0С.
В качестве исходных данных в расчетах интенсивности испарения влаги при
использовании бассейнов были приняты:
Рн – давление насыщенных водяных паров в воздухе при температуре воды в
бассейнах (для бассейнов 1 типа - 37,8 мбар; 2 типа - 42,4 мбар; 3 типа 73,7 мбар);
Рв – парциальное водяного пара при допустимых параметрах воздуха для всех
типов бассейнов. В теплый период года Рв=25,4 мбар (tдоп=30 0С и доп=60%),
в холодный период года Рв=20,1 мбар (tдоп=29 0С и доп=50%).
Таким образом, расчетные значения Р=( Рн- Рв) для различных типов бассейнов
составляют для бассейнов 1 типа от 12 до 18 мбар; 2 типа - от 18 до 23 мбар; 3 типа - от 48
до 54 мбар.
При расчетах интенсивности испарения влаги были приняты:
– в формуле (1) среднее значение коэффициента аt=0,025 при скоростях движения
воздуха υ=0,2 ; 0,9 ; 1,5 м/с и Рбар=101,3кПа;
– в формуле (2) скорости движения воздуха υ=0,2 ; 0,9 ; 1,5 м/с, а значение
Рбар=760 мм. рт. ст.;
– в формуле (3) значения коэффициента =35 ; 28 и 19;
– в формуле (4) значения занятости бассейнов купающимися: А=0,5 ; 1,0.
4
Результаты расчетов интенсивности испарения влаги с водных поверхностей по
формулам (1÷4) представлены на графиках рис. 1, сопоставление которых позволяет
отметить следующее.
Результаты расчетов испарения влаги с водной поверхности по формулам
стандартаVDI (при =35; 28 и 19) и СПВ (при скорости движения воздуха над водной
поверхностью υ=1,5; 0,9 и 0,2 м/с) совпадают с результатами расчетов по формуле
Дальтона (при скоростях движения воздуха υ=1,5; 0,9 и 0,2 м/с). Это свидетельствует о
том, что указанные формулы получены на основании результатов лабораторных опытов,
аналогичных опытам Дальтона. Для этих лабораторных опытов характерны следующие
условия:
– спокойная гладкая (без волнообразования) водная поверхность испарения, над
которой при движении воздуха постоянно существует неразрушаемый пограничный слой
воздуха с давлением насыщенного водяного пара при температуре поверхности воды;
– температура поверхности воды ниже температуры основной массы воды на несколько
градусов, т. е. процесс тепломассообмена между водной поверхностью и движущемся над
ней воздухом «стремиться» к адиабатическому процессу.
Область результатов расчетов интенсивности испарения влаги с водной
поверхности по формуле Бязина-Крумме (при значениях коэффициента занятости
бассейна купающимися А от 0,5 до 1,0) «лежит» ниже области результатов интенсивности
испарения влаги, установленных по формулам Дальтона, СПВ и стандарта VDI. Это
указывает на наличие принципиальных отличий процесса тепломассообмена между
водной поверхностью и воздушной средой действующих бассейнов от процесса
тепломассообмена при проведении опытов в лабораторных условиях. К этим
принципиальным отличиям процесса тепломассообмена в действующих бассейнах и
водных аттракционах следует отнести:
– постоянное разрушение водной поверхности (образование волн, брызг и капель),
интенсивность которого зависит от занятости бассейнов купающимися и их активности;
– постоянное разрушение над водной поверхностью пограничного слоя воздуха с
давлением насыщенного водяного пара при температуре, равной температуре воды в
бассейне, которая устанавливается в результате ее перемешивания купающимися.
Поэтому процесс тепломассообмена между водной поверхностью и движущимся над ней
воздухом в этом случае не «стремится» к адиабатическому процессу, а по существу
является некоторым политропическим процессом, «направленным» на температуру воды,
устанавливающуюся во всей ее массе в бассейне.
Результаты расчетов интенсивности испарения влаги, полученные по формулам
Дальтона, СПВ и стандарта VDI при скорости движения воздуха υ=0,2 м/с, пересекают
область результатов расчетов интенсивности испарения влаги, полученных по формуле
Бязина-Крумме при значениях коэффициента занятости бассейна купающимися А от 0,5
до 1,0. Характер пересечения этих результатов подчеркивает отмеченное выше
принципиальное отличие условий испарения влаги при проведении лабораторных опытов
от условий испарения влаги в действующих бассейнах.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что наиболее объективные
данные об интенсивности испарения влаги с водных поверхностей бассейнов и
аттракционов аквапарков в период их использования можно получить при их оценке по
формуле Бязина-Крумме (формула 4). При этом необходимо принимать значения
занятости бассейнов купающимися А, исходя из существующих норм их использования. В
соответствии с данными «Руководства по проектированию» фирмы Dantherm значения
занятости бассейнов купающимися А определяются по формуле:
А=
6,0
n ,
F
(6)
5
где 6,0 – нормативное значение площади бассейна, приходящейся на одного купающегося,
(м2/чел) при коэффициенте занятости А=1.
Для большинства общественных бассейнов в качестве расчетной величины
рекомендуется принимать значение коэффициента занятости бассейна А=0,5.
Нами были произведены расчеты интенсивности испарения влаги с водной
поверхности бассейнов в период их бездействия (в ночное время) по формулам (1÷3 и 5).
В этом случае исходные данные были приняты те же, что и для периода использования
бассейнов. При этом при в расчетах интенсивности испарения влаги были приняты:
– в формуле (1) скорость движения воздуха υ=0;
– в формуле (2) при скорости движения воздуха υ=0 коэффициент испарения С=0,3;
– в формуле (3) значение коэффициента испарения =5,0.
Результаты расчетов интенсивности испарения влаги с водной поверхности по
формулам (1÷3 и5) представлены на графиках рис. 2, сопоставление которых позволяет
отметить следующее.
Результаты расчетов интенсивности испарения влаги с водной поверхности по
формулам Дальтона и СПВ значительно превосходят результаты расчетов интенсивности
испарения влаги с водных поверхностей бассейнов по формулам стандарта VDI и БязинаКрумме. Это обстоятельство можно объяснить тем, что формулы стандарта VDI и БязинаКрумме более строго учитывают реальные температурно-влажностные условия
взаимодействия воздуха с поверхностью воды в период бездействия бассейнов, тогда как
формулы Дальтона и СПВ, основанные на результатах лабораторных опытов, эти условия
не отражают. Поэтому для расчетов интенсивности испарения влаги с водных
поверхностей бассейнов в период их бездействия следует отдавать предпочтение
последним формулам и, прежде всего, формуле Бязина-Крумме.
Выводы:
1. Для крытых аквапарков не могут быть рекомендованы зависимости
«Справочника проектировщика. Вентиляция и кондиционирование воздуха» по
определению интенсивности испарения влаги с водных поверхностей, основанные на
результатах опытов, которые не учитывают условия эксплуатации действующих
бассейнов и водных аттракционов.
2. При проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых
аквапарков для определения влагопоступлений от водных поверхностей бассейнов и
водных аттракционов (в период их использования и бездействия) целесообразно
применять формулы Бязина-Крумме, как наиболее полно отражающие процессы
испарения влаги в условиях действующих бассейнов.