Нагрів басейнів для плавання з використанням енергії сонця та сонячних колекторів
При проектуванні басейну будь-якого типу необхідно наперед продумати систему підігріву води. Температура води, так само як і температура повітря, залежить від можливої активності людей. При однаковій температурі води та повітря в басейні, охолодження в воді відбувається приблизно в 20 разів швидше, ніж на повітрі. Тому в стандартних та великих басейнах для плавання з довжиною доріжки 25-50 м достатньою є температура воді близько 22°С, а в навчальних басейнах для плавання з довжиною доріжки 8-16 м температура води повинна бути 23-26°С. При використанні плавання в медичних цілях (для розвантаження хребта) температура води повинна перевищувати 26°С, а в краще всього бути рівною 28°С (при температурі нижче 25°С можуть з’являтися судороги). У зв’язку з цим в індивідуальних критих басейнах рекомендується температура води 24-28°С, а у ваннах басейнів для маленьких дітей – 28-30°С. В цілому в індивідуальних закритих басейнах повинні бути наступні параметри мікроклімату: температура води 24-28°С; температура повітря на 2-3°С вища температури води (26-31°С), так як при випаровуванні вологи з водяної плівки, котра покриває тіло людини після виходу з ванни басейну, відбувається відвід тепла та виникає відчуття холоду при надто низькій температурі повітря в приміщення.
У відкритих басейнах рухомість людей зазвичай вища, ніж в закритих. Звідси випливає, що температура повітря тут часто нижча та складає 21-25°С, а температура випромінювання – вища, у всякому разі за наявності сонячної інсоляції. До цього слід добавити благотворний вплив свіжого повітря, що зберігає комфортність відчуттів також й при більш низьких температурах та високих швидкостях руху повітря. Для покращення мікроклімату та створення додаткового комфорту, особливо при довготривалому купальному сезоні чи використання басейну в зимовий час рекомендується здійснювати підігрів підлоги.
Довгий час відкриті басейни обігрівалися від системи опалення будинку з використанням протитечійного теплообмінника. Проте в останні роки з’явилося багато нових варіантів обігріву басейнів з використанням агрегатів, котрі серійно випускаються промисловістю: обігрів від опалювального котла, прямоточні паливні нагрівачі, прямоточні нагрівачі з електричним приводом, теплові насоси, теплові насоси, обігрів за допомогою сонячних колекторів.
Для власників басейнів для плавання як відкритого, так і закритого типу, дуже вигідно використовувати сонячну енергію для нагріву та підтримання комфортної температури води. Переваги подібного способу опалення будуть суттєвіші, якщо система нагріву води в басейні пов’язана з сонячною системою опалення всього будинку, так як це дозволяє використовувати надлишок тепла в період максимальної інсоляції, що в кінцевому результаті зменшує термін окупності геліосистеми. Крім того, наявність басейну дозволяє уникнути перегрів теплоносія в контурі геліосистеми в літній період. Єдиною вимогою для ефективної роботи сонячної системи є необхідність розміщення басейну таким чином, щоб сонячні промені потрапляли на неї протягом чотирьох-п’яти годин в день. В такому випадку можна підняти температуру води на 25-30°C вище температури зовнішнього повітря. Сонячне випромінювання може повністю замінити традиційне джерело енергії (в літній період) та продовжити купальний сезон у відкритих басейнах для плавання на 1,5...2 місяці в рік, що зекономить витрати на паливо.
Механізм дії сонячного нагріву басейнів
Будь-яка сонячна система опалення басейну складається з трьох основних елементів: сонячний колектор, фільтр насоса та клапан керування. Механізм дії дуже простий. Вода, котра підігрівається з басейну направляється через фільтр в теплообмінник геліосистеми. В деяких випадках може знадобитися додатковий насос чи більш потужний насос для системи фільтрування. Найбільш ефективні з сучасних систем включають в себе автоматичний обвідний клапан. Система фільтрування басейну налаштовується на роботу під час найбільш інтенсивного сонячного випромінювання. Протягом цього часу, якщо датчики визначають, що на сонячний колектор потрапляє достатня кількість тепла, вони дають автоматичному обвідному клапану команду направити потік води з басейну через теплообмінник сонячного колектора, де вона нагрівається. (коли температура води досягла заданої в програмі нагріву, вона просто буде проходити повз теплообмінник та потрапляти назад в басейн з водою нагрітою до потрібної температури). Всередині теплообмінника вода нагрівається завдяки впливу на неї теплоносія, котрий циркулює в замкнутій системі підключення сонячних колекторів. Нагріта таким чином вода, повертається в басейн. Коли сонячний колектор охолоджується, вода через нього не прокачується.
Сонячний колектор частіше за все розміщується на даху, проте при цьому потрібно зберігати основні проектні норми. Місце розміщення повинне бути рівним чи мати невеликий кут нахилу (не більше 30 градусів до горизонту), зворотний трубопровід повинен розміщуватися вище, ніж труби подачі води, а всі труби – поступово підніматися по відношенню один до одного, щоб під час роботи з них видалялося повітря.
При встановленні сонячного колектора на похилих дахах він не повинен відхилятися від напрямку на південь більше ніж на 45°, але для встановлення придатний і дах, похилі якого направлені на схід чи захід, але при цьому використовуються сонячні колектори з відповідно збільшеною площею. При встановленні вакуумного трубчастого сонячного колектора на плоскому даху під кутом <15°, напрям геліоколектора на сторони горизонту завдяки високому сонцестоянню в літні місяці має другорядне значення. При встановленні комбінованих систем для підтримання системи опалення в першу чергу необхідно враховувати можливість на лаштування системи під умови, що визначають потребу будівлі в тепловій енергії. Для ефективного відведення тепла від геліосистеми до води в басейні потрібні мати систему з великою пропускною спроможністю при відносно невеликому підвищенні температури. При пропускній можливості 70-100 літрів за год/м2площі поверхні абсорбера при інтенсивності сонячного випромінювання 800 Вт/м2виникає розбіжність між температурами в подаючому та зворотному трубопроводах в межах приблизно 6-8 К.
Відносно догляду та експлуатації сонячних систем для нагріву басейнів потрібно сказати, що вони відрізняються простотою. Фактично, в більшості випадках не потрібно ніяких додаткових заходів, окрім звичайного чищення фільтрів та підготовки до зими. На зиму з системи зливають воду; проте деколи й цього не потрібно робити, якщо система робить це автоматично. При використанні вакуумних трубчастих сонячних колекторів від Прогрес-ХХІ геліосистема не потребує в сезонному обслуговуванні, так як теплоносієм є антифриз, котрий стійкий до низьких температур. Обладнання для сонячного нагріву басейну служить мінімум 20 років, при цьому гарантійний термін – 5-10 років.
а - одноконтурна схема; б - схема сонячної теплонасосної установки;
1 - басейн; 2 - насос; 3 - фільтр; 4 - зворотний клапан; 5 – сонячний колектор; 6 - повітровипускник; 7 – байпас з краном; 8 - тепловий насос; 9 - теплообмінник; 10 – трьохходовий клапан.
Рисунок 1 - Схеми сонячних установок для нагріву басейнів для плавання
Існує безліч схем використання сонячних колекторів для нагрівання води. Одна з можливих схем геліоустановок для нагріву води в басейні для плавання показана на рисунку 1а. В схемі передбачені:
- зворотний клапан;
- повітряний клапан;
- байпасна лінія з краном;
- спеціальні датчики.
Як зворотний клапан, так і повітряний клапан повинні розміщуватися на висоті більше 1 метра над рівнем води в басейні, для перешкоджання зворотного протоку води в басейн та стискування трубопроводів, коли сонячний колектор в кінці кожного робочого циклу скидає воду. Всі комунікації до системи фільтрації басейну повинні підключатися після фільтру, але перед будь-яким існуючим традиційним нагрівачем, щоб уникнути надлишкового тиску в системі.
Схема комбінованої сонячно-теплонасосної установки для нагріву води в басейні для плавання зображена на рисунку 1, б. Влітку в басейні підтримується температура не нижче 20°C. Це забезпечується за допомогою сонячного колектора. При несприятливих погодних умовах вмикається тепловий насос, котрий використовує сонячний колектор в якості випарника.
Для нагріву води в басейні для плавання можуть використовуватися наступні типи сонячних колекторів:
- вакуумні трубчасті сонячні колектори;
- пласкі чи високоселективні пласкі сонячні колектори;
- абсорбери.З метою наглядного порівняння характеристик теплової ефективності різних типів сонячних колекторів, приведемо графік коефіцієнтів корисної дії для трьох розглянутих типів геліоколекторів при потужності сонячного випромінювання в 600 Вт/м2.
1 – вакуумний трубчастий сонячний колектор; 2 – плаский сонячний колектор з селективним покриттям; 3 – відкритий сонячний колектор/абсорбер
Вибір розміру геліоколектора для нагріву басейну
Розрахунок системи сонячних колекторів для нагріву води в басейні для плавання залежить від інтенсивності сонячного випромінювання площі колекторів та від потреб в тепловій енергії для нагріву води в басейні. На розміри сонячного колектора впливають наступні фактори:
- місце розміщення сонячного колектора, тип колектора, орієнтація та кут його нахилу;
- тип плавального басейну (відкритий чи закритий);
- параметри басейну (об’єм, площа поверхні., глибина, колір басейну, тип накриття);
- відвідуваність басейну;
- час зняття укриття;
- подача свіжої води в басейн;
- потрібна та допустима максимальна температура воді в басейні.
Поверхня сонячних колекторів для нагріву води в плавальному басейні повинна складати:
- у випадку закритого басейну – близько 50-70% площі поверхні води;
- у випадку відкритого басейну – близько 70-100% цієї площі.
В умовах середньої смуги та південної частини України геліоустановки можуть давати не менше 250...300 кВт*год корисного тепла з 1 м2площі сонячного колектора, що підтримує температуру води в плавальному басейні на рівні 20...24°C. Для порівняння, річна питома теплопродуктивність:
- геліосистеми гарячого водопостачання – 300...500 кВт*год/ м2в рік;
- геліоустановки для опалення (30...70°C) - 150...300 кВт*год/м2в рік.
Потрібно наголосити, що інтенсивність сонячного випромінювання – величина не постійна, вона змінюється як протягом дня, так і протягом всього року, крім того вона хаотично коливається при змінах погодних умов.
Відкритий сонячний колектор (абсорбер) повинен бути виготовлений з корозійностійких матеріалів, щоб не підпадати під агресивний вплив води з басейну. Крім того, матеріал повинен:
- витримувати температуру від – 30 до 70°C;
- володіти хорошою поглинальною здатністю;
- володіти високим коефіцієнтом теплопровідності.
Через геліоколектор прокачується велика кількість води, та повинен бути забезпечений такий поперечний переріз каналів, щоб гідравлічний опір був мінімальний. Найбільш придатними матеріалами є пофарбовані в чорний колір:
- поліетилен;
- поліпропілен;
- синтетичний каучук.
Перші два матеріали дешеві, а каучук значно дорожчий, але більш стійкий. При річному надходженні 1050 кВт*год/м2сонячної енергії на горизонтальну поверхню та площі колектора 800 м2за сезон геліоустановка може дати 170 МВт*год тепла, а потреба в теплі складає 270 МВт*год. В даному випадку сонячний колектор для басейнів не має засклення, вода в ньому нагрівається на 3,5°C та середня теплова потужність установки за сезон складає 270 кВт, а її ККД – 38,3%. Довгі оребрені труби виготовлені з поліпропілену, а прямий та зворотний з’єднувальні трубопроводи – з поліетиленових труб.
Боротьба з тепловими втратами басейну
Перед вибором системи нагріву рекомендується визначити пов’язані з нею затрати. Для цього потрібно знати середні тепловтрати басейну та вартість тепла, яке виробляє система.
Басейн втрачає тепло при:
- випаровуванні води та нагріванні підживлюючої води;
- природна конвекція та випромінюванні в навколишнє середовище;
- переливанні через краї та розприскуванні при виході людей з басейну;
- первинному підігріві води;
- заповненні басейну теплою водою для промивки фільтрів;
- теплопровідності від дна до ґрунту.
Втрати тепла залежать також і від звичок користувачів басейну.
У відкритих басейнах без опалення температура води збільшується чи залишається постійною в денний час, а вночі значно знижується. Облаштування накриття над ванною басейну значно знижує випаровування, істотно зменшує випромінювання та в деякій мірі знижує теплові втрати за рахунок конвекції. За допомогою встановлення укриття в період найбільших тепловтрат можна досягти їх зниження у відкритих басейнах на 80%. При цьому потрібно мати на увазі, що у зв’язку з великою питомою масою випромінювання в сумарних тепловтратах суттєве значення має теплоізоляційні властивості накриття. Економія від використання накриттів без теплоізоляції складає лише 30-40% в порівнянні з теплоізоляційним накриттям. Для використання сонячної радіації накриття потрібно зняти в денний час. З поверхні накриття повинна бути видалена вода, так як накопичення дощової води на поверхні накриття сприяє втратам тепла при випаровуванні. Накриття у вигляді сонячного колектора може залишатися над басейном та в денний період, коли басейн не використовується. Таке накриття з світло прозорого теплоізолюючого верхнього шару та прилягаючого до води абсорбуючого шару значно покращує поглинання сонячних променів. Як показали дослідження, при сприятливих погодних умовах використання накриття у вигляді сонячного колектора дозволяє експлуатувати басейн з температурою води 23°С без додаткового опалення.
Накриті басейни для плавання мають три істотних відмінності в порівнянні з відкритими плавальними басейнами:
1. Вони використовуються переважно в зимовий період, коли інтенсивність сонячного випромінювання мала;
2. Рівень температури в них істотно віщий (26-30) °C);
3. Частою є необхідність в кондиціонуванні повітря (в крайньому разі, в громадських плавальних басейнах).
Якщо глибина басейну не перевищує 1 м, то його дно та стіни повинні бути пофарбовані фарбою з високою поглинальною здатністю, а дно, крім того, повинне мати шерхаву поверхню. Для промивання фільтрів використовується тепла вода (норма витрати на одне промивання – 0,9 м3на 1 м2поверхні басейну). Тепло води після промивання необхідно утилізувати, поставивши після фільтрів теплообмінник.
При реалізації всіх вказаних способів енергозбереження потреба в теплі знижується до 260 кВт*год/м2за сезон, що складає всього 40 % від першого значення. При цьому площа сонячного колектора, яка потрібна зменшується до 0,4 м2(замість 1 м2) на 1 м2площі поверхні води в басейні. Річне споживання тепла басейном складає 700...800 МВт*год, середньодобова теплопровідність геліоустановки за період травень-вересень 2,5 квт*год/м2в день (максимум 6 кВт*год/м2) при площі поверхні води 1500 м2, температура води на вході в сонячний колектор 20...27°C, а на виході 24...36°C при витраті 10...90 м3/год.
Світовий досвід використання гелиосистем для нагріву басейнів
Тибет – сама близька до Сонця частина нашої планети – не даремно рахує сонячну енергію своїм багатством. На сьогоднішній день в Тибетському автономному районі Китаю побудовано вже більше 50 тис. геліоустановок. За допомогою сонячної енергії опалюють житлові приміщення загальною площею більше 150 тис. м2. В США експлуатують сонячні колектори площею 10 млн. м2, що забезпечує річну економію палива 1,5 млн. т. В Німеччині діє закон, згідно якого кожен громадянин має право отримати безпроцентний кредит в банку для купівлю сонячних колекторів потужністю від 3 до 5 кВт. Абсолютний лідер у використанні сонячної енергії для нагріву води – Кіпр, на якому 90 % будинків обладнані сонячними колекторами. Департамент енергетики США з’ясував, що плавальні басейни по всій країні споживають колосальну кількість енергії, та визнав нагрів басейнів одним з найбільш економічно вигідних шляхів зниження споживання енергії. В США та Європі сонячні нагрівачі для басейнів використовуються практично скрізь. Лише в Сполучених Штатах більше 200000 басейнів нагріваються з використанням сонячної енергії. Найстаріші з цих систем знаходяться в експлуатації вже більше 25 років та показали себе економічними, високо надійними та такими, що потребують мінімального догляду. Важливо відмітити, що вони добре працюють та економлять гроші протягом купального сезону навіть в умовах північного клімату.
При використанні матеріалів з сайту, посилання на www.progress21.com.ua є обов'язковим.