Ekonomika stosowania najnowszych technologii odzysku ciepła w krytych pływalniach

Kryta pływalnia to obiekt o intensywnej wymianie masy wody i powietrza oraz przekazywania ciepła pomiędzy wodą, powietrzem oraz otoczeniem. Zadaniem układów energooszczędnych jest zminimalizowanie utraty ciepła do otoczenia przez minimalizację strat wentylacyjnych oraz odzysk ciepła ze ścieków. Istotne jest przy tym odpowiednie gospodarowanie ciepłem wewnątrz obiektu i przekazywanie go tam, gdzie jest aktualnie potrzebne.

Powietrze w obiektach basenowych odznacza się energetycznością znacznie większą niż w typowej klimatyzacji komfortu. Jest to wynikiem dużej zawartości wilgoci i wyższej temperatury. Obieg powietrza wykazuje się przy tym relatywnie małą inercją, a sprawne systemy wentylacyjne są w stanie w krótkim czasie uzyskać wymagane parametry powietrza. Przy umiarkowanej temperaturze zewnętrznej powietrze nawiewane do hali nie wymaga intensywnego dogrzewania, a ciepło odzyskane można przekazać do obiegów wodnych, które mają znacznie większą pojemność cieplną. Centrala klimatyzacyjna do hal basenowych ThermoCond® 37 produkcji MENERGA® [1] służy do zarządzania ciepłem zarówno po stronie powietrza, wody basenowej, jak i wody wodociągowej. Odzyskując ciepło z wilgotnego powietrza usuwanego, przekazuje je do powietrza nawiewanego do hali basenu, do wody w basenie lub też do wody świeżej uzupełniającej ubytki wody w basenie.

Rys. 1. Centrala klimatyzacyjna ThermoCond® 37 z asymetrycznym krzyżowym wymiennikiem ciepła, pompą ciepła i układem podgrzewania wody świeżej i basenowej
Minimalizacja strat wentylacyjnych Proces osuszania w oparciu o wykorzystanie powietrza zewnętrznego jest szczególnie kosztowny w chłodnej części roku i zależy od sprawności układu odzysku ciepła. Straty wentylacyjne można ograniczyć zwiększając sprawność układu odzysku ciepła (wymiennika płytowego oraz pompy ciepła) oraz ograniczając strumień powietrza zewnętrznego. Oba te rozwiązania znalazły zastosowanie w centrali ThermoCond® 37. Centrala wyposażona jest w wewnętrzny układ pomiarowy i regulacyjny, pozwalający na określenie rzeczywistego procentowego udziału powietrza zewnętrznego, przez co może być on w okresie zimowym zminimalizowany do wymagań normatywnych, to jest 10% strumienia powietrza.

Rys. 2. Centrala klimatyzacyjna do hal basenowych ThermoCond® 37: jednoczesne zarządzanie parametrami powietrza i wody
Układ pompy ciepła wspartej asymetrycznym krzyżowym wymiennikiem ciepła wykazuje się bardzo dużą wydajnością. W wypadku pracy w recyrkulacji współczynnik wydajności grzewczej wynosi około 11, przy czy sam układ sprężarkowy wykazuje się wydajnością rzędu 6,5. Tak wysokie wartości uzyskuje się między innymi dzięki zastosowaniu specjalnego asymetrycznego krzyżowego wymiennika ciepła, którego średnioroczna sprawność temperaturowa wynosi około 70%, natomiast w zimowych warunkach przekracza 80%. Wymiennik wykonany jest z polipropylenu, który w przeciwieństwie do aluminium jest całkowicie odporny na agresywne powietrze basenowe. Oszczędność energii elektrycznej Hale basenowe wymagają ciągłej wentylacji, a koszty energii elektrycznej stanowią istotny element nakładów na eksploatację obiektu. Skłania to do poszukiwania energooszczędnych układów wentylacyjnych. Centrala ThermoCond® 37 wyposażona jest w wentylatory z napędem bezpośrednim bez obudowy, z prędkością obrotową regulowaną falownikami oraz pomiarem i kontrolą rzeczywistej wielkości strumienia powietrza. W okresie nocnym wentylatory pracują ze zmniejszoną wydajnością, co pozwala na 70% zmniejszenie zużycia prądu. W okresie użytkowania basenu centrala pracuje z nominalnym wydatkiem powietrza, jednak po osiągnięciu komfortu na hali wydatek powietrza jest płynnie regulowany i redukowany. Również układ pompy ciepła wyposażony jest w płynną regulację mocy, co pozwala dopasować zużycie energii elektrycznej do rzeczywistego zapotrzebowania na ciepło. Ciepłe ścieki - niedoceniane źródło ciepła Kryta pływalnia produkuje ciepłe "szare" ścieki z natrysków oraz z wody popłucznej z filtrów basenowych. Ścieki te stanowią bardzo dobre źródło ciepła w instalacjach dogrzewających wodę świeżą. Centrala odzysku ciepła ze ścieków AquaCond® 44 produkcji MENERGA® [1] pozwala na odzysk ciepła w oparciu o pompę ciepła oraz przeciwprądowy koaksjalny wymiennik ciepła. Wymiennik ten zapewnia min. 75% sprawność odzysku ciepła, a jeśli współpracuje z pompą ciepła, to uzyskuje się współczynnik wydajności grzewczej (COP) o wartościach przekraczających 11 (z 1 kW energii elektrycznej do napędu pomp i sprężarki uzyskuje się 11 kW ciepła).

Rys. 3. Centrala odzysku ciepła ze ścieków AquaCond® 44 z koaksjalnym przeciwprądowym wymiennikiem ciepła, pompą ciepła i układem automatycznego czyszczenia wymiennika ciepła.
Rozwiązania techniczne Zużyta woda z natrysków niesie ze sobą zawiesiny złożone z tłuszczów, rozpuszczonych mydeł, włosów i innych drobnych zanieczyszczeń, które w krótkim czasie mogą spowodować zarośnięcie wymiennika oraz ograniczenie wymiany ciepła. Centrala AquaCond® 44 jest wyposażona w układ z kulkami czyszczącymi, które w określonych odstępach czasu są przetłaczane przez wymiennik ciepła usuwając jednocześnie tworzące się osady. Dzięki temu urządzenie działa bezobsługowo i nie wymaga stałego nadzoru konserwacyjnego. Na układ odzysku ciepła składa się również zbiornik wody zużytej pozwalający na zgromadzenie nadmiaru wody w okresie największego zrzutu ścieków oraz zbiornik wstępnie ogrzanej wody świeżej. Ze zbiornika ogrzanej wody świeżej można zasilać zarówno instalację c.w.u., jak i wody basenowej. Ważną zaletą układu odzysku ciepła ze ścieków z centralę AquaCond® 44 jest niezależność dostarczanego ciepła od pory roku, gdyż układ bazuje na wewnętrznym źródle ciepła. Centrala dostarcza ciepło w okresie letnim, jak i zimowym. Tej zalety nie posiadają inne niekonwencjonalne metody ogrzewania, na przykład kolektory słoneczne, gdyż ich znaczenie w okresie zimowym jest marginalne.

Rys. 4. Schemat przepływów wody świeżej i ścieków w centrali odzysku ciepła ze ścieków AquaCond® 44 z układem automatycznego czyszczenia wymiennika ciepła.
Zagadnienie energetyczne i ekonomiczne Efekty zastosowania nowoczesnego i oszczędnego systemu gospodarowania ciepłem w obiegach powietrznych i wodnych przestawiono na przykładzie krytej pływalni z basenem pływackim o wymiarach 25 x 12,5 m. Obliczenia nie obejmują strat ciepła przez przegrody budynku, których poziom nie zależy od rodzaju zastosowanej metody odzysku ciepła. Dla krytej pływalni przyjęto [2]:
czas pracy krytej pływalni (dzień) 16 godz/dobę
przerwa w pracy krytej pływalni (noc) 8 godz/dobę
korzystanie jednorazowo z krytej pływalni w czasie 1 godz. 70 osób
stopień wykorzystania obiektu (średni) 50 %
temperatura powietrza w hali basenu 28-30 °C
wilgotność powietrza w hali basenu 55-60 %
temperatura wody basenowej 26-28 °C
temperatura wody w natryskach 39-41 °C
temperatura ścieków 26-41 °C
W czasie użytkowania krytej pływalni należy dostarczyć do hali basenu powietrze zewnętrzne w zależności od ilości osób na hali basenowej i aktualnego stopnia parowania wody. Temperatura powietrza w hali basenu powinna być utrzymywana na poziomie około 30 °C. Oznacza to, że powietrze zewnętrzne należy podgrzać od temperatury powietrza zewnętrznego do temperatury powietrza w hali basenu. Zapotrzebowanie na powietrze zewnętrzne, ze względu na właściwą asymilację zysków wilgoci z basenu, wymiany i ujednolicenia parametrów powietrza zapewniających wymagane warunki klimatyczne oraz przyjmując 4 wymiany powietrza w hali basenu czasie 1 godziny wyniesie 15 800 m³/godz. Ilość ciepła potrzebna do podgrzania powietrza zewnętrznego dostarczanego do hali basenu jest różna i zależy od rozkładu czasowego temperatur powietrza zewnętrznego w czasie roku. W czasie roku wyniesie ok. 3 500 GJ/rok. Przyjmując cenę dostarczonego ciepła 56 PLN za 1 GJ [3] to kwota za dostarczane ciepło do podgrzania powietrza zewnętrznego w czasie roku wyniesie ok. 196 000 PLN/rok [4]. Jest to koszt ciepła dostarczanego do powietrza zewnętrznego w celu zapewnienia wymaganych parametrów powietrza w hali basenu. W układach wentylacji mechanicznej nawiewno - wywiewnej bez odzysku ciepła, ciepło to jest tracone bezpowrotnie w postaci ciepłego powietrza wywiewanego z hali basenu (strat wentylacyjnych). Jedna osoba korzystając z natrysku zużyje ok. 60 l wody ciepłej o temperaturze ok. 41 °C. Oznacza to, że średnie zapotrzebowanie na wodę do natrysków w czasie roku wyniesie ok. 11 760 m³/rok. Do ogrzania wody świeżej o temperaturze 10 °C do temperatury wody dostarczanej do natrysków 41 °C zapotrzebowanie ciepła w skali roku wyniesie ok. 1 530 GJ/rok. Korzystanie przez kąpiących się z basenu wymaga uzupełnienia świeżej wody w ilości 30 l/osobę. Stąd też należy odprowadzić z basenu wodę zużytą do kanalizacji (z reguły w czasie płukania filtrów basenowych) w ilości ok. 5 880 m³/rok. Do utrzymania wody w basenie o temperaturze 26-28 °C należy dostarczaną wodę podgrzać do temperatury 29 °C, przez co zapotrzebowanie ciepła w skali roku wyniesie ok. 470 GJ/rok. Łączna ilość ścieków z natrysków oraz z basenu, która jest odprowadzana do kanalizacji wynosi ok. 17 640 m³/rok, a ilość ciepła potrzebna do podgrzania dostarczanej wody do natrysków oraz basenu w krytej pływalni wynosi ok. 2 000 GJ/rok. Przyjmując cenę dostarczonego ciepła 56 PLN za 1 GJ to kwota za dostarczane ciepło skali roku wynosi ok. 112 000 PLN/rok [5]. Jest to koszt ciepła traconego bezpowrotnie w czasie roku w postaci ciepłych ścieków odprowadzanych do kanalizacji. Dla krytej pływalni o założonym programie (basen pływacki o wymiarach 25x12,5 m) koszty ciepła stanowią ok. 60 % całkowitych kosztów utrzymania pływalni. Ciepło to można zaoszczędzić i wykorzystać do podgrzewania powietrza zewnętrznego do klimatyzacji hali basenu oraz wstępnego podgrzania wody świeżej przeznaczonej do natrysków lub uzupełniania w basenie. : a - odzysku ciepła ze ścieków z centralą AquaCond®, b - wentylacji mechanicznej nawiewno - wywiewnej z centralą klimatyzacyjną ThermoCond® 37 " ]

Rys. 5. Zwrot kosztów inwestycji układu [4, 5]: a - odzysku ciepła ze ścieków z centralą AquaCond®, b - wentylacji mechanicznej nawiewno - wywiewnej z centralą klimatyzacyjną ThermoCond® 37
Podsumowanie Inwestycję w wydajny i nowoczesny system zarządzania ciepłem w pływalniach krytych można porównać do zainwestowania w dobry i oszczędny samochód o niskim zużyciu paliwa. Wysokie koszty początkowe zwracają się w krótkim okresie czasu, a decyzja zakupu droższego systemu okazuje się rozwiązaniem najtańszym. Koszt modernizowanego układu wentylacji mechanicznej nawiewno - wywiewnej z odzyskiem ciepła z centralą klimatyzacyjną z asymetrycznym krzyżowym wymiennikiem ciepła i pompą ciepła o wydatku 15 800 m³/godz wynosi ok. 330 000 PLN, a koszt układu odzysku ciepła ze ścieków o wydatku 1,8 m³/godz z centralą odzysku ciepła z koaksjalnym wymiennikiem ciepła i pompą ciepła wynosi ok. 150 000 PLN. Otrzymany czas zwrotu inwestycji dla modernizowanych układów wentylacji mechanicznej nawiewno - wywiewnej z centralą klimatyzacyjną z odzyskiem ciepła, czy odzysku ciepła ze ścieków wynosi mniej niż 3 lata [4, 5]. Kwalifikuje to tego typu rozwiązania modernizacyjne do realizacji inwestycji, w których finansowanie i zwrot poniesionych kosztów na termomodernizację następuje z pieniędzy uzyskanych z odzyskanego ciepła z powietrza wywiewanego oraz ze ścieków. Bibliografia: [1] KATALOG MENERGA.: MENERGA® Apparatebau GmbH, Niemcy [2] SOKOŁOWSKI C.: Wymagania sanitarno - higieniczne dla krytych pływalni, MZiOS, 1998 [3] KRYTA PŁYWALNIA, Dane Użytkownika CSiR, Konstantynów Łódzki, 2002 [4] KOLASZEWSKI A.: Ekonomika odzysku ciepła z powietrza hali basenu w krytej pływalni, V Sympozjum Naukowo -Techniczne, Instalacje Basenowe, Ustroń 2005 [5] KOLASZEWSKI A.: Ekonomika odzysku ciepła ze ścieków w krytej pływalni, INSTAL 5, 2004 Autorzy: dr inż. Andrzej Kolaszewski mgr inż. Kamil Więcek Źródło: MENERGA Polska Sp. z o.o.