Бассейн с подогревом и предысторией

Д. Лейнов

Продолжая рассмотрение ранее опубликованных вариантов схемных решений, которые позволяют добиться очень хороших результатов по энергоэффективности, в данной статье рассматривается техническое решение для бассейна с подогревом

Несколько замечаний об объекте, с предысторией. В районном центре Баштанка, Николаевской области, решили построить бассейн. Бассейн не большой (стандарт 20 × 25 метров), открытый и работающий круглогодично, т. е. с подогревом. Техническое задание постоянно менялось и очень зависело от местных «политических» моментов. Когда ТЗ почти окончательно сформировалось, к бассейну «прикрепились» детско-юношеская спортивная школа (реконструкция здания с термосанацией) на 2500 м², большое футбольное поле с подогревом (для проведения соревнований общенационального уровня), трибуны на 2980 мест, одно тренировочное (малое) поле с подогревом, одно – без подогрева, теннисный корт и баскетбольно-волейбольная площадка, тоже с подогревом. Общая схема потребителей тепла и холода на данном объекте приведена на рис. 1.

Рис. 1. Общая схема расположения потребителей и источников тепловой энергии (включая охлаждение)

В процессе предпроектных работ было решено добавить на трибуны СЭС. (Отдельный проект СЭС не входил в нашу компетенцию и потому здесь не описывается). Анализ эксплуатационных режимов СЭС показал, что в летний период на данной географической локации над головами зрителей будет образовываться «печка» с температурой около 60-80°С, что никак не повысит комфортность просмотра матчей (соревнований), проводимых на стадионе. Поэтому было решено сделать трибуны с минимальным кондиционированием. Также было принято решение снабдить трибуны подогревом.

В административном здании бассейна предполагалось установить два маленьких (8 × 3 м) бассейна – мелкий детский «лягушатник» и глубокий «взрослый», с противотоком. Так же в административном здании бассейна предполагалось организовать мини-гостиницу для возможности проведения спортивных сборов.

В результате было согласовано следующее ТЗ (техническое задание). Подогревать и отапливать в зимний период нужно было:

Три малых площадки – тренировочное футбольное поле, теннисный корт и баскетбольно-волейбольную площадку.
Большое футбольное поле.
Трибуны на 2980 мест.
Административное здание бассейна на 2100 м² (три этажа, не считая подвального технического помещения).Техническое помещение не отапливалось, в этом не было необходимости.
Детско-юношеская спортивная школа – 2500 м².

Приготовление горячей воды и кондиционирование в летний период для следующих объектов:

Административное здание бассейна.
ДЮСШ.
Трибуны стадиона. Особенность проекта – открытый бассейн.

Предполагалось, что его нужно нагревать и в зимний, и в осенне-весенний период. Режим эксплуатации бассейна предполагал, что его посетителями должны были быть дети средних и старших классов Баштанского района и ближайших прилегающих, а «детская» часть бассейна – для детских садов и младших классов района. Бассейн с противотоком должен был использоваться для занятий спортсменов местных секций плавания и для проведения малых тренировочных сборов.

Концепция объекта

Предварительные оценочные расчеты показали, что потребляемая мощность по нагреву должна составлять порядка 1,7 МВт. То есть при текущей цене на газ в 2019 г. затраты (только нагаз) составили бы около 7,4 млн. грн. в год. Эта цифра была неприемлема для бюджета района. В предложенном же впоследствии техническом решении годовые эксплуатационные затраты были даже снижены c 7,4 млн до 26 000 гривен.

В сумму затрат на отопление входили средства на:

отопление и подогрев бассейна (дорожек вокруг открытого бассейна);
подогрев двух «малых» чаш («лягушатника» и противотока). Осушители воздуха в энергетический баланс не входят;
подогрев полей (большого и малых) и трибун стадионного комплекса;
отопление и кондиционирование административного здания бассейна и детско-юношеской спортивной школы;
кондиционирование трибун бассейна (зимой в открытой чаше соревнования проводить не предполагалось, потому трибуны не имели подогрева зимой, а только охлаждение летом), и трибун стадиона.

В эксплуатационные расходы не вошли: освещение объекта и осветительных мачт большого поля, затраты на проведения больших спортивных мероприятий с привлечением ТВ и т. п.

На данном графике даны показатели энергопотребления и энергогенерации объекта. Пожалуй стоит уделить пару слов тому, как этот график составлялся. Поскольку основная тепловая нагрузка – это открытый бассейн – был произведён расчёт теплопотерь. Консервативно принималось, что температура зимняя, в соответствии с данной климатической зоной, но вот ветер (а, как известно, он вносит максимальный вклад в составляющую испарения (то есть теплопотерь) открытого водоёма) принимался и по значению, и по силе – с полуторакратным запасом. Нагрузки по подогреву полей и обогреву трибун были взяты из расчёта тренировок 3 раза в неделю на малом поле, проведения игр на большом поле – 3 раза в месяц за отопительный период. Потому на графике и образовались «провалы» по потреблению. Но по результирующей видно, что эти «провалы» вполне компенсируемы.

Энергетический баланс объекта

I. На кровле бассейна и спортивной школы устанавливается система из 286 шт. солнечных коллекторов (тепловой КПД – 95%, оптический – 93%), которые дают «львиную долю» всей энергии за годичный период эксплуатации объекта. На графике (см. рис. 2) представлена результирующая по энергопотреблению и генерации тепловой энергии.

Рис. 2. Результирующий график энергопотребления и генерации тепловой энергии

Основная генерация – солнечные коллекторы. На рис. 3 приведена расстановка солнечных коллекторов на кровле админздания бассейна и кровле ДЮСШ (малая и большая крыши).

Рис. 3. Схема расположения солнечных панелей на крыше объекта

ДЮСШ ранее отапливалась небольшой местной котельной, работающей на газовых котлах. Проектный лимит подачи газа – 37 м³ /час. Этого было явно недостаточно. Поэтому котельную было решено демонтировать и вместо неё поставить дополнительный (высокотемпературный) источник – когенерационную установку на 285 кВт электрической энергии и, соответственно, на 428 кВт тепловой. На объекте также была предусмотрена установка тепловых насосов (3 х 80 кВт). Источник тепла для них – грунтовые скважины с «U»- образным зондом. Они располагаются под основным футбольным полем. На схеме можно видеть шаг расположения скважин. Некоторые из них (с учётом массива) имеют двойной U-образный зонд, то есть несут большую тепловую нагрузку. Их расположение было выбрано таким образом, чтоб между скважинами с 4-мя трубами было по 2 скважины с двумя. В случае замораживания скважин их тепловая регенерация должна была производиться за счёт системы пассивного охлаждения в летний период. То есть – если бы в какой-то год не хватило запаса тепла, накопленного в тепловом аккумуляторе, и приходится включать тепловые насосы на «сверхпроектное» время, то «в запасе» имеется ещё один источник.

Тут стоит уточнить, что на этом объекте довольно изменчивые грунтовые воды. То есть существует вероятность в результате весенних паводков, сильного обводнения массива, в котором расположены скважины тепловых насосов, что возможно приведёт к появлению локальных участков замерзания грунта по массиву скважин. Тепловая регенерация грунта будет производиться (при возникновении такой необходимости) «отбором холода» в летний период именно от этих скважин без включения теплового насоса на режим холода. То есть – охлаждение будет производиться без дополнительных расходов на электричество, – без включения самих компрессоров тепловых насосов. Из-за «отбора холода» будет происходить тепловая регенерация грунта.

Из приведенного выше видно, что схемное решение выполнено таким образом, что всегда существует запас тепла (холода) даже при сверхпроектных режимах эксплуатации объекта, и всё это обеспечивается без дополнительных капиталовложений.

II. Оказалось, что при таком сочетании цены газа и электрической энергии «газовое» электроснабжение было дешевле сетевого. Плюс ещё и выработка тепла, которое можно хранить. То есть – стоимость 1 кВт/часа электрической энергии, отпускаемой через сеть, была выше стоимости газа, затраченного на производство этого киловатт-часа и затрат на эксплуатацию и амортизацию когенерационной установки. При этом тепловая энергия, которая вырабатывалась при производстве электрической энергии, не просто потреблялась (для зимнего периода, это как бы – естественно), но и в летний период она (тепловая энергия) не была бросовой, а «складировалась» в «большой бочке».

III. «Хранение» тепловой энергии предполагалось осуществить в тепловом аккумуляторе (см. рис. 4). Это накрытый и утеплённый резервуар с водой на 3147 м³. Такой объём при стандартной теплоёмкости воды способен запасать достаточно большое количество тепловой энергии. Технически эта емкость (рис. 4) была вписана в генеральный план объекта таким образом, что на её крыше располагалась баскетбольно-волейбольная площадка. Пару слов о строительной части данного резервуара. Предварительно подготовленная площадка, с выемкой грунта и утрамбованным дном выстилалась специальной тканью для искусственных водоёмов, которая служила, как бы, нижней частью опалубки для заливки бетона. Укладывалась армирующая сетка и производилась заливка бетоном. Когда застывал бетон, производились опалубочные работы для возведения боковых стенок бассейна. При этом до высоты 2,5 метра внешней частью опалубки служил грунт. После этого предполагалось выполнить теплоизоляционные работы днища ёмкости, и только после этого – устанавливать опорные конструкции для несущих балок перекрытия. В днище и боковых стенах не предусматривались никакие проходки для труб или кабелей. Все внутренние опоры выполнялись из металла, покрытого водостойким антикоррозионным покрытием.Для этого накопительного резервуара была придумана система сопел подачи и отбора рабочей среды – 27 сопел на трёх уровнях, которые крепятся к опорным конструкциям внутри чаши. Это даёт возможность выполнять подачу и отбор среды «послойно» и «позонно». Придонный слой воды в этом резервуаре должен был всегда оставаться с температурой ниже, чем средний и верхний слои. Это служило дополнительной тепловой изоляцией той части ёмкости, которая была в грунте и остывала быстрее всего. К слову – толщина пенополиуретанового напыления составляла 500 мм, и стоимость этой изоляции составляла почти 65% всей стоимости этого «резервуара».

Рис. 4. Тепловой аккумулятор

IV. Реверсивные тепловые насосы. В летнее время для функционирования объекта необходимо хладоснабжение. Мощность «по холоду» составляет 240 кВт·ч. Исходя из этого параметра, была выбрана комплектация и схемная компоновка с 3-мя тепловыми насосами «рассол-вода». Основной массив скважин располагался под главным (большим) футбольным полем. Режим работы этих тепловых насосов был рассчитан для повышения теплового потенциала резервуара с водой («большой бочки») при недостаточном уровне нагрева в случае очень дождливого и малосолнечного лета – то есть, для погодных условий, не типичных, но случающихся в данном регионе. (Формат статьи не предполагает размещения массива данных по погодным условиям данного региона. Но статистический анализ этих данных проводился).

Если погода летом дождливая (что крайне маловероятно для данного региона), то и использование бассейна пропорционально снижается, соответственно уменьшается и потребление горячей воды. Расчёт энергопотребления открытого бассейна производился с учётом отсутствия накрытия, т. е. при наибольших возможных теплопотерях. Но зимой бассейн предполагалось накрывать. А 70% времени эксплуатации бассейна использовать не всю его поверхность, а открывать всего 2-3-4 дорожки.

Система накрытия бассейна представляла собой довольно интересную конструкцию. Дорожки отделялись друг от друга надувными понтонами в виде длинного цилиндра. На эти цилиндры крепилось полотно (по ширине дорожки), которое и накрывало сверху плавательную дорожку. Диаметр цилиндра – 200 мм. Примерно 50 мм притапливалось в воде из-за троса, на которые крепились цилиндры.

Таким образом, над дорожкой образовывалось некое покрытие с воздушной прослойкой. В ночной период, когда бассейн должен быть накрыт полностью (а это предполагалось проектом, как энергосберегающее мероприятие) туда подавался воздух вдоль дорожки, с температурой чуть выше, чем температура воды. Такой воздух служил бы дополнительным «тепловым» экраном, препятствующим охлаждению бассейна. А когда пользуются дорожками, такой «воздушный» купол над плавательной дорожкой создавал бы дополнительные условия безопасности.

Если бы накрытие бассейна лежало на водной поверхности и какой-то ребёнок по неосторожности «поднырнул» под него – у него бы не было вариантов при всплытии под таким покрытием вдохнуть воздуха. А при данном решении, даже если ребёнок попадёт на накрытую дорожку, у него есть возможность отдышаться, сориентироваться и вернуться на свою дорожку.

V. Таким образом, тепловой баланс объекта выполнялся с учётом максимально консервативных условий. Такой подход был выбран не случайно. Он даёт возможность нивелировать температурные и погодные колебания, отличающиеся от среднестатистических. Мне кажется, что есть смысл более подробно ознакомить читателя с теми резонами, которыми пользовался автор при разработке концепта. На сегодняшний день самым экономически выгодным источником тепла являются солнечные коллекторы. («Тепло» – в понятии «бытового» нагрева для отопления). Регион, в котором проектировался объект – имеет достаточно высокую степень инсоляции, что увеличивает экономические плюсы применения солнечных коллекторов. То есть самым простым вариантом решения проблемы отопления можно считать систему солнечных коллекторов плюс накопительная ёмкость. Но на данном объекте полностью покрыть все расходы по тепловой энергии за счёт такого решения было невозможно (см. диаграмму). Не хватало площадей для установки солнечных коллекторов (напоминаем, что на трибунах предполагалось установить солнечные батареи – СЭС). Поэтому и пришлось прибегнуть к установке тепловых насосов и когенерационной установке. У читателя может появиться резонный вопрос – а как же кондиционирование? Ведь «холод» на объекте всё равно нужен. Так вот – системы, потребляющие холод работают на довольно «высоких», для холода, температурных режимах – 10-15 градусов Цельсия. А такой тепловой режим вполне позволяет использовать грунтовые скважины для, так называемого, «пассивного» охлаждения без использования холодильных машин или другого аналогичного оборудования.

Описание общей схемы

Основа схемы (рис. 4) – тепловой аккумулятор и система солнечных коллекторов. Коллекторы располагаются на крыше бассейна (административного здания) и крыше ДЮСШ (230 на школе и 56 на бассейне). Их ориентация – строго на юг. Угол наклона – 38°. Такой угол будет давать максимальную тепловую генерацию именно в летний период. Коллекторы отдают тепло непосредственно в контур с «котловой» водой, но могут и сразу греть воду системы ГВС. Это даёт возможность в каждый момент времени соблюсти баланс между тепловой энергией, которая потребляется в текущий момент, и той, которая «отправляется на хранение» в тепловой аккумулятор.

Схема «раздачи» и «сбора» тепла выполнена по схеме трёх колец (см. рис. 1). Одно кольцо – большая предварительно изолированная труба (Ду 300), которая выходит из «бочки» (теплоаккумулятора) и заходит в него обратно через систему распределения потоков (рис. 5). Такое решение выбрано не случайно. Оно позволяет контролировать температуру (читай запас тепла) в «бочке» по зонам и по слоям. При этом будут включаться те или иные насосы. Каждое сопло (не профилированное) имеет возможность и подавать теплоноситель в «свою» зону, и отбирать его оттуда. Такая возможность была получена благодаря особой системе распределения потоков.

Рис. 5. Схема распределения потоков

Как видно из рис. 5, каждый из 27 насосов (по числу сопел) может работать в реверсивном режиме, подавая или всасывая теплоноситель в строго определённую зону строго определённого слоя. Естественно, что в «бочке» постоянно должен вестись мониторинг температурного режима. Эту задачу должны выполнять установленные у каждого сопла датчики температуры. При этом всас или подача насоса тоже должна осуществляться в «свой» коллектор – или на подогрев от когенерационной установки, или на подогрев от системы солнечных коллекторов, или на отдачу тепла потребителям, как в «высокотемпературной» зоне (ГВС и нагрев бассейна), так и в «низкотемпературной» зоне: на подогрев полей, подогрев трибун, подогрев малых бассейнов, отопление ДЮСШ и админздания бассейна.

Как работает система

По мере продвижения теплоносителя из этой трубы производится отбор тепла для мелких потребителей – тепловые пункты под трибунами – и, не теряя принципиально значимое количество тепла, поток следует дальше. То есть, при таком схемном решении (см. рис. 6) нет классической «подачи» и «обратки». Просто за счёт большого количества теплоносителя и малого «точечного» отбора это «кольцо» служит, как бы, продолжением теплового аккумулятора – «большой бочки». В летний же период «большая бочка» и «большое кольцо» отделены друг от друга. Бочка продолжает греться, а по кольцу начинает циркулировать теплоноситель, предназначенный для охлаждения админздания бассейна, ДЮСШ и трибун. В момент, когда температура «большого кольца» начинает расти (т.е. не справляется с холодильной нагрузкой система пассивного охлаждения), включаются тепловые насосы на холод. Как видно из схемы – три тепловых насоса расположены на равных «плечах» кольца. Что даёт возможность их более равномерной нагрузке по мощности и по моточасам. Довольно большой объём воды в «кольце» позволяет полностью обойтись без буферизации теплоносителя для тепловых насосов. (Не забываем, что вода постоянно движется, т.е. её температурный потенциал меняется.)

Рис. 6. Принципиальная схема теплового узла трибуны

Данное схемное решение позволяет равномерно распределять тепловую энергию по пути следования теплоносителя по всему кольцу. И таким образом по всей длине следования потока не происходит значительного снижения температуры. «Вход» и «Выход» отличаются по температуре не более, чем на 3-5°С – в режиме отбора тепла из аккумулятора. И на значительную величину (до 45°) при т. н. режиме заполнения теплового аккумулятора. При этом есть возможность управлять процессом таким образом, чтобы увеличить эффективность работы солнечных коллекторов и их теплообменников, забирая воду из придонной области (где она самая холодная), и сбрасывая её в верхний или нижний слой.

Для увеличения комфорта зрителей при просмотре футбольных матчей или иных соревнований, проектом было предусмотрено охлаждение трибун летом (все трибуны, футбольного поля и бассейна), а также подогрев трибун футбольного поля зимой (зимой трибуны бассейна не работают).

Расчёт тепловой нагрузки для обогрева и охлаждения трибун производился исходя из «рекомендаций главного санитарного врача Украины» от 1998 года, то есть 60 Вт на человека. Данное тепло предполагалось распределять на два регистра – под сидениями и под ногами. На рис. 7 изображён данный регистр, на рис. 8 – схема трибуны стадиона, а на рис. 9 – схема охлаждения для трибун и зрительских мест бассейна.

Рис. 7. Схема регистра обогрева / охлаждения на трибунах

Трибуны для поля и для бассейна аналогичны, просто система подогрева на трибунах бассейна отсутствует. В проекте также были учтены и мероприятия по созданию дополнительного комфорта для лиц с ограниченными физическими возможностями. Поскольку подниматься на трибуну им было бы неудобно – проектом предусматривался передний ряд для передвижных кресел. Подогрев в этом случае осуществлялся бы за счёт инфракрасных электрических нагревателей. А охлаждение – подачей предварительно охлаждённого воздуха в систему воздухораспределителя, вмонтированного в перила-ограждения, отделяющие ряды кресел.

Рис. 8. Схема системы подогрева / охлаждения трибун

Также рассматривался ещё и дополнительный вариант (рис. 9). Это подача так называемого «настилающего слоя» предварительно охлаждённого воздуха. (На рисунке 9 показано расположение трибун бассейна и футбольного поля). В этом варианте – перила с инфракрасными обогревателями также предусматривались, но на рисунке не приведены.

Рис. 9. Подача «настилающего слоя» охлажденного воздуха на трибуны стадиона и бассейна

Давайте так же рассмотрим, как будет работать схема в части управления тепловыми потоками.

Рассмотрим это на примере бассейна, так как тут присутствует наиболее сложный режим поддержания баланса – генерация – потребление. Как только солнечные коллекторы начинают работать – они отдают тепло в высокотемпературную часть системы. Допустим, что температурный потенциал теплоносителя в «бочке» недостаточен. Тогда мы забираем верхними соплами самый горячий теплоноситель и подаём его на теплообменник когенерационной установки. При этом включаются тепловые насосы, которые забирают воду из придонного слоя (или из среднего – зависит от температуры) и подают (предварительно нагрев) на более высокий. При этом – если температура на солнечных коллекторах выше температуры подаваемого теплоносителя – мы даём её в этот теплоноситель. Если ниже – мы подаём «сброс» тепла уже «за» потребитель (соответственно и забираем – «за» потребителем). Если температура на солнечных коллекторах ниже «обратки» высокотемпературной (как вы понимаете – высокотемпературной относительно данного объекта) части, то мы можем греть само «большое кольцо» – то есть низкотемпературную часть.

Высокотемпературная часть – это ГВС, и нагрев бассейна. Но есть же и система отопления админ здания, система подогрева дорожек вокруг бассейна, ДЮСШ.

Аналогичным образом работает группа коллекторов, расположенных на крыше школы. С той лишь разницей, что там, конечно, мощность коллекторов побольше, а потребление «высокомпературное» – поменьше. В ДЮСШ высокомпературный потребитель – только ГВС. И то – количество горячей воды не сравнимо с потреблением ГВС бассейна. К слову сказать, теплообменники на нагрев бассейна подбирались исходя из низкотемпературного режима подачи греющей воды. Но у них есть возможность подключения и к высокотемпературной нитке. Так, что называется, «на всякий случай», чтобы иметь возможность быстро поднять температуру в бассейне. (Быстро – это 6,34°С за сутки).

Ну и тем, кто не знаком с предыдущими статьями – резервирование циркуляционного насоса для системы солнечных коллекторов. Расчёты показали, что при наличии больших полей коллекторов и отказе циркуляционного насоса может произойти серьёзный сбой в работе системы с выводом какого-то участка довольно на длительный срок, что, в свою очередь, приведёт к недостаточной выработке энергии, которую необходимо накопить. Чтобы этого не произошло на каждые 10 насосов – ставится резерв. Некоторые специалисты считают, что такое схемное решение приводит к увеличению капиталовложений в оборудование. Но мы при этом выигрываем в гидравлике и в эффективности самих солнечных коллекторов. Распределение на «маленькие» поля в случае монтажа больших массивов солнечных коллекторов очень недооценённый способ повысить эффективность системы для географических областей севернее 43-45 параллелей… Но, как говорится, это уже совсем другая история.

В данной статье приведены лишь некоторые «изюминки» рассмотренного проекта. Тем не менее, общий вывод можно сделать следующий: лишь благодаря тщательному рассмотрению локальных климатических условий и особенностей эксплуатации объекта при выработке варианта технической реализации инженерной системы отопления, охлаждения и ГВС, удалось достичь существенной экономии затрат на покупные энергоресурсы, в т. ч. за счет возобновляемых источников энергии, при этом собственно капитальные затраты, выделенные на реализацию данного объекта, не выросли.

Понятно, что на страницах периодического издания невозможно опубликовать весь проект. Показать все проектные решения, которыми вполне можно гордиться. Целью данной статьи было – помочь начинающим (и не только начинающим) инженерам проектантам правильно сориентироваться в современных тенденциях энергоэффективных проектов. Весь цивилизованный мир переходит на 6 технологический уклад. Это ставит перед государством довольно сложные задачи – перейти с 4-го технологического уклада, в котором мы застряли, сразу на 6-й. Но это задача специалистов. Ни парламент, ни президент этого делать не могут, да и не должны! И только от нас – от думающих инженеров – зависит благосостояние страны и уровень технологий, в которых нам жить. Потому смелее давайте дерзать. Всем успехов! Ну и конечно же – продолжение полемики – на электронных страницах журнала.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!