Distribuce vzduchu v bazénových halách – část 1
Mezi hlavní požadavky při návrhu systému vzduchotechniky patří odvod vodní páry a odvodu trichloraminu (NCl3) z oblasti výskytu plavců. Cílem článku je poukázat na problém s uvolňujícím se trichloraminem z vodní hladiny a na možnosti stanovení množství odpařené vodní páry z vodní hladiny. V závěru článku je poukázáno na protichůdné požadavky spojené s odvodem trichloraminu a zvýšeným odparem vodní páry z mezní vrstvy nad hladinou bazénu.
Úvod
Cílem článku je seznámit čtenáře s důležitostí distribuce vzduchu, a tím vytvořeného obrazu na charakter a tvorbu vnitřního mikroklima v bazénových halách. Mezi hlavní požadavky při návrhu patří odvod odpařující se vodní páry a odvod trichloraminu (NCl3) z oblasti výskytu plavců. Jak vyplývá z fyzikální diferenciální rovnice přenosu hmoty nad vodní hladinou, s rostoucí rychlostí nad vodní hladinou roste odpar vodní páry, což je z hlediska požadavku na udržování vlhkosti vzduchu pod horní hranici doporučovaných limitů. Velmi důležitou součástí článku je poukázat na problém s uvolňujícím se trichloraminem z vodní hladiny a v závislosti na zvolené distribuci nabídnout možnosti stanovení množství odpařené vodní páry z vodní hladiny.
Současný stav problematiky
Vzduchotechnika v bazénových halách vytváří umělé vnitřní prostředí, jež svými vlastnostmi musí odpovídat požadavkům na tepelnou pohodu člověka a zároveň musí odpovídat stavebnímu řešení objektu. Jedná se zejména o vlhkost vzduchu, jež může negativně ovlivnit zdraví uživatelů budov, jak přímo aktuální nízkou nebo vysokou relativní vlhkostí, tak nepřímo vytvořením podmínek pro bujení mikroorganismu a plísní. Není to pouze člověk, který, když pomineme požadavky na komfort, snese velký rozptyl této veličiny. Vyšší vliv má však vlhkost na některé stavební konstrukce, jejichž citlivost na tuto složku mikroklimatu se s variantou použitých materiálů různí.
Problematika zvýšené vlhkosti a výskytu agresivních chemických látek, vypařujících se z bazénové vody, je projektanty podceňována, mimo jiné i z důvodu její náročnosti (stanovení odparu z vodní hladiny), což vede k jejímu nesprávnému pochopení. Neznalost problematiky a složitost problému vede k chybám v návrhu typu a dispozice koncových elementů. Typickou chybou při návrhu systému vzduchotechniky je odvod vlhkosti generované v zázemí bazénové haly již nasyceným vzduchem přiváděným do prostoru bazénové haly a přetlakem transportovaným do zázemí. Úhrada vzduchu je tedy tvořena pouze nasyceným vzduchem, suchý vzduch není do prostoru přiváděn. Na obr. 1 je uveden detail vzniku plísně v zázemí sprch bazénové haly, na obr. 2 je naznačena původně navržená distribuce vzduchu s úhradou vzduchu z bazénové haly. Ve většině případů se vlhkost následně šíří celým objektem.
Obr. 1 – Příklad nevyhovující distribuce v zázemí bazénu vedoucí ke vzniku plísně
Obr. 2 – Ukázka distribuce vzduchu v bazénové hale a zázemí – přívod vzduchu pro odvod vlhkosti v prostoru zázemí bazénové haly (sprchy) již nasyceného vzduchu
Trichloramin
Z důvodu znečišťování vody desítkami tisíci mikroorganizmů, vnášených do vody plavci, je nutné vodu dezinfikovat. Nejpoužívanější dezinfekční látkou používanou při bazénové chemii je chlor, a to jak z důvodu cenové dostupnosti, tak z důvodu existující možnosti monitorování jeho koncentrací. Rozpouštěním chlorových přípravků vzniká ve vodě volný chlor, jež má nejvyšší dezinfekční účinek. Reakcí volného chloru s organickými nečistotami, zejména takovými, které v sobě obsahují dusík (pot, moč) vzniká chlor vázaný. Trichloramin je pak plyn, jež je spolu s monochloraminem a dichloraminem produktem vázaného chloru. Nicméně vzhledem ke špatné rozpustnosti trichloraminu ve vodě se z vodní hladiny odpařuje obdobně jako vodní pára.
![Obr. 3 – Ukázka molekuly trichloraminu [2]](/docu/clanky/0113/011319o3.jpg)
Obr. 3 – Ukázka molekuly trichloraminu [2]
Hlídání jeho koncentrace je motivováno zjištěním belgických vědců, již ohlásili možné spojení mezi trichloraminem a vzestupem počtu případů astmatu u dětí, což nazvali hypotézou bazénového chlóru, jakožto alternativu k hygienické hypotéze s těsnější příčinnou vazbou [2]. Problémem s vázaným chlórem, který trápí většinu provozovatelů veřejných bazénů, je také riziko pro návštěvníky trpící astmatem, alergiemi, průduškovým záněty nebo kožními nemocemi.
Doporučená limitní hodnota trichloraminu v ovzduší je dle vyhlášky č. 238/2011 Sb. [4] 0,5 mg/m3. Tato hodnota je doporučená, ale provozovatel by měl usilovat o dosažení co nejnižší hodnoty. Odběr vzorku se provádí 20 cm nad hladinou vody v bazénu; pokud to není technicky možné, tak ve výšce 150 cm nad hladinou vody. Pro účel ověření této koncentrace je doporučováno provádět měření za nejhorších podmínek, tj. zejména na rizikových místech (vířivky, vodní atrakce, bazény s vyšší teplotou vody atd.) [3].
Četnost sledování si volí provozovatel bazénu podle potřeby na základě místních podmínek (výsledky předchozích stanovení, měřené hodnoty vázaného chloru, roční období apod.).
Obr. 4 – Schéma rozkladu vázaného chloru s jeho konečnou expozicí do vnitřního vzduchu bazénu
Vznikající koncentraci plynu nad hladinou bazénu je možné technicky řešit pouze vzduchotechnikou a s tím spojenou optimální distribucí vzduchu. Optimální distribuci autoři článku chápou jako rozumný kompromis mezi zvýšením rychlosti proudícího vzduchu nad vodní hladinou, a tím zvýšeným množstvím opařené vody, a ředěním koncentrace trichloraminu.
Odpar z vodní hladiny
Problematika odparu z vodní hladiny spadá do kategorie přenosových jevů. Konkrétně přenosu vlhkosti. Ten je jedním z druhů přenosových jevů, kde je přenášená látka součást vzduchu – vodní pára. Protože odpar vodní hladiny silně závisí na provozu haly, osvědčují se při výpočtech experimentálně zjištěné hodnoty součinitele přenosu vlhkosti. Tento výpočet odparu představují čtyři níže uvedené metody.
Výpočet dle VDI 2089 (starší vydání) – Technické vybavení budov plováren, kryté bazény:
Množství odpařené vody se stanoví dle vztahu:
(1)
[g‧s−1]
kde je
- ε
- – součinitel přenosu hmoty (viz tab. 1) [g/ (m2‧s‧Pa)]
- Sh
- – plocha volné hladiny [m2]
- – tlak syté páry při teplotě vzduchu rovné teplotě vody [Pa]
- – tlak páry při teplotě vnitřního vzduchu [Pa]
| Charakter provozu | ε [g/(m2·s·Pa)] |
|---|---|
| Soukromý bazén | 3,6‧10−5 |
| Veřejný bazén | 7,8‧10−5 |
| Bazén s umělými vlnami | 9,7‧10−5 |
Výpočet dle VDI 2089 (nové vydání):
Množství odpařené vody se stanoví dle vztahu:
(8)
[g‧s−1]
kde je
- ß
- – součinitel přenosu hmoty (viz tab. 2) [m/h]
- Rv
- – plynová konstanta pro vodní páru;
Rv = 461,52 J/(kg‧K) 
- – aritmetický průměr teploty vody a vzduchu [K]
- Sh
- – plocha volné hladiny [m2]
- – tlak syté páry při teplotě vzduchu rovné teplotě vody [Pa]
- – tlak páry při teplotě vnitřního vzduchu [Pa]
| Charakter provozu | nepoužívaný bazén n [m/h] | používaný bazén p [m/h] |
|---|---|---|
| Zakrytý bazén (odpar pouze z přetokového žlábku) | 0,7 | – |
| Soukromý bazén | 7 | 21 |
| Veřejný bazén (hloubka vody > 1,35 m) | 7 | 28 |
| Veřejný bazén (hloubka vody < 1,35 m) | 7 | 40 |
| Bazén s umělými vlnami | 7 | 50 |
Zjednodušený výpočet odpařené vody využívající empirických závislostí
Množství odpařené vody se stanoví dle vztahu (6). Součinitel přenosu vlhkosti ßx zjistíme ze vztahů pro [2]:
a) odpařování z klidné hladiny vyhřívané vody při rychlosti vzduchu nad hladinou
- w ≤ 1 m/s:
- w > 1 m/s:
kde je
xu = (xi +
) / 2
b) odpařování ze zvlněné hladiny vyhřívané vody
kde je
- ti, th
- – teploty vnitř. vzduchu a vodní hladiny [°C]
- xi
- – měrná vlhkost vnitř. vzduchu a nasyceného vzduchu při teplotě th [kg/kg]
- w
- – rychlost vzduchu nad hladinou [m/s]
Odpařování z volné hladiny podle L. Oppla
Tok odpařované vody z volné hladiny průmyslových van nebo bazénů závisí silně na parciálních tlacích par na hladině a v okolním vzduchu a na rychlosti proudění vzduchu.
I v klidném vzduchu bez nuceného větrání vzniká nad hladinou pohyb vyvolaný volnou konvekcí. Velmi proto záleží na představě o obrazech proudění v prostoru s vodní hladinou a na správném odhadu rychlosti pohybu vzduchu kolem hladiny. Podle L. Oppla je hustota toku odpařované vody [1]:
(5)
[g‧s−1]
Obr. 5 – Tok vypařované vody podle L. Oppla
kde
- M
- – při teplotě vody (nikoliv povrchu) a při teplotě rosného bodu okolního vzduchu lze hodnoty odečíst z grafu v obr. 5
- pb
- – barometrický tlak [kPa]
Porovnání výsledků množství odpařené vody pro jednotlivé varianty
Závislost množství opařené vody na teplotě interiéru
![Obr. 6 – Graf závislosti množství opařené vody na teplotě interiéru [6]](/docu/clanky/0113/011319o15.png)
Obr. 6 – Graf závislosti množství opařené vody na teplotě interiéru [6]
Pro modelování závislosti odparu na teplotě interiéru byly zvoleny okrajové podmínky tak, aby vyhovovaly fyziologickému vnímání tepelně vlhkostní mikroklima člověkem v uzavřeném prostoru (teplo, bez dusna). Jako relativní vlhkost interiéru byla zvolena vlhkost 55 %, proudění vzduchu nad hladinou 0,15 m/s. Jedná se o rychlost vzduchu, která vzniká při pohybu plavající osoby. Teplota vody byla zvolena 26 °C. Výsledky jsou zobrazeny v grafu na obr. 6.
Z grafu je patrný menší odpar při vyšších teplotách vzduchu, kdy je teplota mokrého teploměru a měrná vlhkost již natolik vysoká, že difuze vodní páry neprobíhá tak intenzivně, jak při nižších teplotách, kdy je vzduch interiéru sušší a pojme větší množství vodní páry. Za předpokladu udržování konstantní relativní vlhkosti je tedy účelné volit vyšší teplotu vzduchu, neboť s rostoucí teplotou se snižuje množství odpařené vody, a tím nároky na odvlhčování.
Výše uvedené výstupy naznačují, že výběr metody výpočtu odparu má výrazný vliv na určení množství odpařené vodní páry. Například, přestože norma VDI 2089 ve svém novějším vydání nabízí nejvíce možností, jak přizpůsobit výpočet zadaným okrajovým podmínkám, v porovnání s ostatními metodami vykazuje pro navrženou situaci nejvyšší hodnoty odparu. Zatímco hodnotám blížícím se průměru všech metod se nejvíce blíží výstupy metody výpočtu fyzikální závislosti některých empirických vztahů.
Závěr
Článek poukazuje na složitost fyzikálního problému zkoumajícího tvorbu mikroklimatu v bazénových halách. Samotné řešení návrhu vzduchotechniky, jež má zajistit splnění limitních hodnot mikroklimatu předepsaného českou legislativou, závisí na dílčích výpočtech specifických pro vyšetřovaný prostor. V případě bazénu jsou jako hlavní prvky ovlivňující návrh distribuce vzduchotechnického systému určeny odvod trichloraminu a zjištění množství odpařené vodní páry z odkryté vodní plochy. Pro zajištění odvodu tichloraminu je potřeba navrhnout přívod a odvod vzduchu tak, aby vznikající obrazy proudění zajistily výměnu vzduchu ve všech místech bazénové haly a nevznikaly místa stagnace, zejména pak nad vodní hladinou. Pro určení množství odpařované vodní je možné využít v článku uvedené čtyři metody výpočtu. Samotný výběr metody výpočtu odparu má výrazný vliv na určení množství odpařené vodní páry. Pochopením dějů probíhajících při odvodu škodlivin z vodní hladiny a navržením odpovídající distribuce vzduchu je pak možné zajistit optimální postup při zpracování technických návrhů daných vzduchotechnických zařízení obsluhující tyto prostory.
Článek jako celek je úvodem do problematiky distribuce vzduchu v bazénových halách. Z textu je patrné, že pro zajištění kvalitního zdravotně nezávadného mikroklima je nutné při návrhu distribuce vzduchu řešit dva protichůdné požadavky. Ve výsledku se jedná a optimalizaci rychlosti vzduchu v mezní vrstvě nad vodní hladinou tak, aby bylo dosaženo kompromisu mezi ředěním koncentrace trichloraminu a odparu vodní páry. Technické rozvahy distribuce vzduchu budou součástí dalšího článku.
Literatura
- [1] SZÉKYOVÁ, M., FERSTL, K. a NOVÝ, R. Větrání a klimatizace. 1. české vyd. Bratislava: JAGA, 2006. 359 s. ISBN 80-8076-037-3.
- [2] Chlorid dusitý [online]. 2010, 7. 1. 2014 [cit. 2014-01-07]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Chlorid_dusit%C3%BD
- [3] TRICHLORAMIN V OVZDUŠÍ PLAVECKÝCH BAZÉNŮ [online]. 2012 [cit. 2014-01-07]. Dostupné z:
http://www.orlab.cz/aktuality/trichloramin-v-ovdusi-plaveckych-bazenu-i12/ - [4] Vyhláška č. 238/2011 Sb. o stanovení hygienických požadavků na koupaliště, sauny a hygienické limity písku v pískovištích venkovních hracích ploch. In: 238/2011 Sb. 2011.
- [5] Bazénová chemie – Čistý Bazén. Bazénová chemie [online]. 2013 [cit. 2014-01-20]. Dostupné z:
http://www.cistybazen.cz/pages/cz/cisty-bazen.php - [6] RUBINA, A.; BLASINSKI, P.; TESAŘ, Z. Software for the Design of Swimming Pool Dehumidifiers Units. Journal of Civil Engineering, 2013, roč. 2013, č. 1, s. 35-42. ISSN: 1338–7278.
- [7] RUBINA, A.; MĚRKA, V. Bazénová vzduchotechnika – efektivní a provozně úsporné navrhování. TZB-info, 2012, roč. 2012, č. 11, s. 1–4. ISSN: 1801-4399.
The main requirements in the design of the HVAC system include removal of water vapor and flue trichloramine (NCl3) from an area where swimmers. This article aims to point out the problem with the releasing trichloramines from the water and the possibility of determining the amount of evaporated water vapor from the water. In conclusion, the article points out the conflicting requirements associated with removal trichloramine and increased evaporation of water vapor from the boundary layer above the surface of the pool.