Nawiew powietrza przez szyny szczelinowe w halach basenowych

Nawiew powietrza do hali basenowej realizowany jest przez nawiewne szyny szczelinowe, które powinny być zabudowane przy chłodnych przegrodach (zewnętrznych oknach, drzwiach, czy ścianach szczytowych). Badania przeprowadzono dla nawiewnej szyny szczelinowej o szerokości szczeliny 8 mm. Pomiary wykonano dla prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny 2 - 10 m/s. Mierzono prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny bez przegrody i dla przegrody umieszczonej w odległości 20 i 40 cm od szczeliny. Określono optymalną prędkość wylotową strumienia powietrza ze szczeliny oraz optymalną odległość nawiewnej szyny szczelinowej od przegrody.

1. Wstęp
Klimatyzacja hali basenu wymaga odpowiedniej wymiany i dystrybucji powietrza, która jest kształtowana przez nawiew oraz wywiew. Efektywność występujących zjawisk związanych z przemieszczaniem oraz wymianą powietrza i ciepła bardziej zależy od nawiewu niż wywiewu. Ważnym elementem systemu klimatyzacyjnego jest także usytuowanie elementów nawiewu doprowadzających powietrze do hali basenowej. Elementy te powinny być umieszczone w okolicy niecki basenu przed przegrodami chłodnymi, którymi są okna, szklane drzwi zewnętrzne, czy ściany szczytowe.
Projektując sposób dystrybucji powietrza w hali basenu należy wykorzystywać w nawiewie konwekcyjny ruch powietrza z nad powierzchni posadzki, czy niecki basenu. Elementy nawiewu powinny być umieszczone tak, aby powietrze nawiewane było skierowane pionowo do góry wzdłuż powierzchni chłodnych przegród [1] tworząc kurtynę powietrzną pomiędzy chłodną przegrodą, a powietrzem hali basenowej. Powoduje to osuszanie przegrody oraz tworzy barierę między chłodną powierzchnią przegrody, a ciepłym powietrzem hali basenowej
Dla zapewnienia wymaganej temperatury powietrza w hali basenowej, temperatura powietrza nawiewnego może wynosić nawet 48ºC. Powietrze nawiewane, jako cieplejsze od powietrza hali basenowej o temperaturze 28-30ºC, maksymalnie 32ºC w sposób naturalny unosi się do góry wzdłuż chłodnych powierzchni przegród. Wymuszany nawiew powietrza z nawiewów powinien powodować powolny, ale stały ruch powietrza w hali basenowej tak, aby każda część powietrza w hali była poruszona i wymieniona [2]. Umożliwia to wyrównanie parametrów, odbiór wilgoci i wymianę powietrza w całej kubaturze hali basenowej.
Skuteczny nawiew oraz dystrybucję powietrza zapewniają odpowiednio rozmieszczone w hali basenu nawiewne szyny szczelinowe. W zależności od ilości wpływającego powietrza stosowane są szyny z jedną (rys. 1), dwoma, trzema, czy z większa ilością szczelin [3]. W obiektach publicznych, ze względów bezpieczeństwa, szerokość pojedynczej szczeliny powinna być nie większa niż 8 mm [4]. W przypadku stosowania nawiewnych szyn szczelinowych z większą ilością szczelin, powinna to być wielokrotność maksymalnej szerokości 8 mm.

Rys. 1. Nawiewna szyna szczelinowa o szerokości szczeliny 8 mm i skrzynce rozprężnej 40 x 88 mm
2. Badania
Celem wykonanych badań było dobranie optymalnej prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny oraz odległości szczeliny nawiewnej szyny szczelinowej od powierzchni chłodnych przegród.
Badania wykonano dla nawiewnej szyny szczelinowej o długości 1 m, szerokości szczeliny 8 mm i skrzynce rozprężnej 40 x 88 mm.
Badano:
- prędkość strumienia powietrza na zewnątrz w osi szczeliny w zakresie prędkości wylotowej ze szczeliny 2-10 m/s,
- rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny dla prędkości wylotowej ze szczeliny 4 i 5 m/s,
- ciśnienia statyczne powietrza w szczelinie i skrzynce rozprężnej nawiewnej szyny szczelinowej.
Wykonano badania dla braku przegrody oraz przy zastosowaniu przegrody o wysokości 3 m i szerokości 1 m w odległości 20 i 40 cm od szczeliny.
3. Pomiary
W badanym zakresie prędkości wylotowej powietrza 2-10 m/s ciśnienie statyczne w szczelinie nawiewnej szyny szczelinowej (rys. 2) w przybliżeniu wzrasta liniowo w funkcji zmian prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny. Natomiast ciśnienie statyczne w skrzynce rozprężnej nawiewnej szyny szczelinowej dla prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny powyżej prędkości 5 m/s zaczyna ulegać zmianom nieliniowym spowodowanymi wzrostem oporu przepływu. Podobnie pomiary prędkości strumienia powietrza w osi na zewnątrz szczeliny nawiewnej szyny szczelinowej dla różnych wysokości od szczeliny w zależności od prędkości wylotowej powietrza (rys. 3) potwierdzają, że dla prędkości wylotowej powietrza do 5 m/s następuje prawie równomierny spadek prędkości strumienia powietrza w funkcji wysokości. Powyżej wartości 5 m/s charakterystyki ulegają zagęszczeniu co oznacza, że wraz ze wzrostem prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny następuje wzrost oporów związanych z wypływem oraz przepływem w otaczającym szczelinę powietrzu. Dla prędkości wylotowych powietrza poniżej 4 m/s następuje gwałtowne zmniejszenie zasięgu wypływającego strumienia powietrza. Optymalna prędkość wylotowa powietrza dla badanego typu nawiewnej szyny szczelinowej wynosi 4–5 m/s. Dalsze pomiary wykonano dla prędkości wylotowej powietrza 4 i 5 m/s.

Rys. 2. Rozkład ciśnień statycznych w szczelinie oraz skrzynce rozprężnej nawiewnej szyny szczelinowej w zależności od prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny
Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny w funkcji odległości od osi szczeliny dla różnych wysokości przy prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny 4 m/s przedstawiono na rys. 4, a dla 5 m/s na rys. 5. Dla prędkości wylotowej 4 m/s ze wzrostem wysokości następuje spadek prędkości strumienia powietrza. Natomiast zwiększa się obszar oddziaływania strumienia w funkcji odległości od szczeliny. Dla prędkości wylotowej powietrza 5 m/s ze wzrostem wysokości następuje hamowanie strumienia powietrza w osi szczeliny oraz zwiększenie prędkości przepływu strumienia powietrza w odległości 10-20 cm od osi szczeliny. W osi szczeliny ze wzrostem prędkości wylotowej nawiewu następuje hamowanie strumienia powietrza. Należy więc stosować prędkość wylotową powietrza do 5 m/s.

Rys. 3. Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz w osi szczeliny dla prędkości wylotowej powietrza 2 – 10 m/s w zależności od wysokości od szczeliny
Rozkład prędkości strumienia powietrza w funkcji odległości od osi szczeliny dla różnych wysokości przy zastosowaniu przegrody w odległości 20 cm od szczeliny dla prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny 4 m/s przedstawiono na rys. 6, a dla 5 m/s na rys. 7, dla przegrody w odległości 40 cm od szczeliny dla 4 m/s na rys. 8, a dla 5 m/s na rys. 9. W obecności przegrody występuje niesymetryczny przepływ strumienia powietrza z odchyleniem pierwotnej osi w stronę w stronę przegrody. Występuje wyraźnie efekt przylegania strugi powietrza do przegrody. Maksymalne wartości prędkości przesuwają się od osi pierwotnej strumienia powietrza w stronę przegrody.

Rys. 4. Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny dla różnych wysokości od szczeliny 10 – 120 cm, prędkości wylotowej powietrza 4 m/s w zależności od odległości od osi szczeliny
Efekt ten znacznie się zwiększa dla prędkości wylotowej 5 m/s oraz przegrody w odległości 20 cm. Potwierdza to wniosek o stosowaniu prędkości wylotowej powietrza ze szczeliny do 5 m/s.

Rys. 5. Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny dla różnych wysokości od szczeliny 10 – 140 cm, prędkości wylotowej powietrza 5 m/s w zależności od odległości od osi szczeliny
Zjawisko przylegania strumienia powietrza do przegrody jest wynikiem powstawania podciśnienia pomiędzy przegrodą, a strumieniem wypływającego powietrza ze szczeliny i maleje dla odległości przegrody 40 cm od osi szczeliny w stosunku do przegrody umieszczonej w odległości 20 cm. Dla odległości 40 cm wytworzona kurtyna powietrzna nie odbiera gromadzącej się wilgoci na przegrodzie.

Rys. 6. Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny dla różnych wysokości od szczeliny 10 – 120 cm, prędkości wylotowej powietrza 4 m/s, przegrody umieszczonej w odległości 20 cm od szczeliny w zależności od odległości od osi szczeliny
Nawiew powietrza z nawiewnej szyny szczelinowej umieszczonej w odległości 40 cm od przegrody jest mniej skuteczny w odbiorze wilgoci z przegrody niż w wypadku umieszczenia nawiewnej szyny szczelinowej w odległości 20 cm od przegrody.

Rys. 7. Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny dla różnych wysokości od szczeliny 10 – 140 cm, prędkości wylotowej powietrza 5 m/s, przegrody umieszczonej w odległości 20 cm od szczeliny w zależności od odległości od osi szczeliny

Umieszczenie szczeliny w odległości większej niż 40 cm od przegrody zmniejsza rolę osuszającą utworzonej kurtyny powietrznej w odbiorze wilgoci

Rys. 8. Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny dla różnych wysokości od szczeliny 10 – 120 cm, prędkości wylotowej powietrza 4 m/s, przegrody umieszczonej w odległości 40 cm od szczeliny w zależności od odległości od osi szczeliny
z przegrody. Natomiast umieszczenie szczeliny w odległości mniejszej niż 20 cm powoduje znaczny poślizg i przyleganie strumienia powietrza do przegrody, polepszenie warunków odbioru wilgoci z przegrody, ale następuje wzrost strat

Rys. 9. Rozkład prędkości strumienia powietrza na zewnątrz szczeliny dla różnych wysokości od szczeliny 10 – 140 cm, prędkości wylotowej powietrza 5 m/s, przegrody umieszczonej w odległości 40 cm od szczeliny w zależności od odległości od osi szczeliny
ciepła na ogrzewanie przegrody. Odległość szczeliny od przegrody powinna wynosić 20 - 30 cm.
Biorąc pod uwagę wypływ powietrza ze szczeliny przy prędkości wylotowej 4 oraz 5 m/s wykonano obliczenia ilości strumienia powietrza w zależności od wysokości od szczeliny bez obecności przegrody (rys. 10).

Rys. 10. Strumień powietrza dla prędkości wylotowej 4 i 5 m/s
w zależności od wysokości od szczeliny

Dla badanej szczeliny o szerokości 8 mm, przyjmując jednostkową długość szczeliny 1 m, dla prędkości wylotowej 4 m/s jednostkowy strumień wylotowy powietrza wynosi 115,2 m3/h, a dla 5 m/s 144 m3/h. Wraz ze wzrostem wysokości następuje przyrost strumienia powietrza. Oznacza to, że występuje zjawisko zasysania (indukcji) otaczającego powietrza hali basenowej przez strumień wypływającego powietrza ze szczeliny nawiewnej szyny szczelinowej oraz mieszania się wypływającego strumienia powietrza z powietrzem otoczenia. Powietrze w pobliżu utworzonej przez nawiewną szynę szczelinową kurtyny powietrznej jest zasysane do strumienia kurtyny, przez co zwiększa się ilość powietrza wprawianego w ruch w hali basenowej [5]. Następuje cyrkulacja powietrza przemieszczającego się z nad posadzki, czy niecki basenu. W ten sposób tworzy się w hali basenu stała cyrkulacja powodując wyrównanie parametrów powietrza, odbiór wilgoci i wymianę powietrza w całej kubaturze hali basenowej.
4. Podsumowanie
Nawiew powietrza do hali basenowej powinien odbywać się przy pomocy nawiewnych szyn szczelinowych.
Nawiewne szyny szczelinowe:
- należy stosować wszędzie tam, gdzie występują przegrody okienne i drzwiowe między powietrzem zewnętrznym, a halą basenu oraz ściany szczytowe o stosunkowo dużym współczynniku oddawania ciepła,
- zapewniają w halach basenowych efektywne, optymalne i równomierne rozprowadzenie powietrza oraz ciepła,
- należy projektować tak, aby prędkość wylotowa strumienia powietrza ze szczeliny wynosiła 4-5 m/s,
- należy instalować w odległości 20–30 cm od przegrody. Zalecana odległość osi szczeliny od przegrody wynosi 25 cm.
Zjawisko odchylenia kierunku strugi wypływającego powietrza z nawiewnej szyny szczelinowej w stronę przegrody oraz poślizgu i przylegania strumienia powietrza do istniejącej przegrody (efekt Coandy [6]) należy uwzględniać w czasie projektowania nawiewu powietrza do hali basenowej.
Zastosowanie nawiewnej szyny szczelinowej zbyt blisko przegrody spowoduje powstawanie strumienia przyściennego, który posiada zmniejszenie zdolności mieszania z otaczającym powietrzem, a więc i wymiany ciepła w hali basenowej oraz zwiększony zasięg strumienia w porównaniu ze swobodnym strumieniem powietrza. Poślizg i przyleganie strumienia powietrza wzdłuż chłodnej przegrody powoduje znaczne straty ciepła oraz niepotrzebne ogrzewanie przegrody.
Zastosowanie nawiewnej szyny szczelinowej zbyt daleko od przegrody spowoduje powstawanie strumienia swobodnego, a powstała kurtyna powietrzna nie spełni warunków odbioru wilgoci z przegrody w hali basenowej.
Dopuszczalne prędkości przepływu powietrza w strefie przebywania ludzi wynoszą 0,6 - 0,8 m/s. Prędkość wylotowa powietrza 4-5 m/s z nawiewnej szyny szczelinowej jest dużo większa od dopuszczalnych prędkości, które mogą występować w strefie przebywania ludzi w hali basenowej. Stąd też nawiewne szyny szczelinowe należy stosować w miejscach, które są trudno dostępne oraz mało uczęszczane przez użytkowników basenu. Są to miejsca wzdłuż zewnętrznych okien, drzwi, czy ścian szczytowych [7].

Andrzej KOLASZEWSKI
MENERGA Polska Sp. z o.o.


BIBLIOGRAFIA
[1] PRZYDRÓŻNY E, NAKONECZNY E., SOMPOLIŃSKI M.: Organizacja wymiany powietrza w basenach, II Sympozjum Naukowo – Techniczne, Instalacje Basenowe, Ustroń 1999
[2] GRÜNIGER E.: Klimat w hali basenowej, I Sympozjum Naukowo – Techniczne, Instalacje Basenowe, Ustroń 1997
[3] KATALOG: MENERGA® Apparatebau GmbH, D - 45473 Mülheim an der Ruhr, Gutenbergstraße 51, Niemcy
[4] KOLASZEWSKI A.: Nawiewne szyny szczelinowe w hali basenowej, III Sympozjum Naukowo – Techniczne, Instalacje Basenowe, Ustroń 2001
[5] SZYMAŃSKI T., WASILUK W.: Wentylacja użytkowa, MASTA, Gdańsk 1999
[6] KATZ P.: Der Coanda Effekt, Gesundheitz Ingenieur 94, Nr 6, 1973
[7] KOLASZEWSKI A., TARAS P.: Ogólne zasady sporządzania bilansu cieplnego oraz wymiarowania instalacji cieplnych w obiektach basenowych, II Sympozjum Naukowo – Techniczne, Instalacje Basenowe, Ustroń 1999