Как подогреть открытый бассейн / Строительство / Cтроительство и ремонт

Такую задачу поставил перед нами владелец большого комплекса отдыха «Шепельский», который находится в Львовской области.

Речь идет о продолжении купального сезона с мая по сентябрь. Это дало бы возможность повысить рентабельность комплекса за счет удовлетворения потребностей отдыхающих в мае и сентябре.

Итак, технические параметры бассейна следующие:

ширина бассейна (рис. 1) – 22 м;
длина бассейна – 65 м;
периметр бассейна – 170 м;
площадь зеркала воды – 1400 м2;
объем бассейна – 2200 м3 воды.
Бассейн постоянно пополняется лечебной водой (6-8ºС) из источника – за сутки поступает 100 м3 и почти столько же отводится наружу (рис. 1).
Суточные затраты тепла бассейна за счет поступления 100 м3 холодной ключевой воды существены и летом могут составлять до 1600 кВт/час. Поэтому желательно использовать альтернативные источники энергии для подогрева и стабилизации температуры воды бассейна.
Логично допустить, что подогрев воды следует начать во второй половине апреля, чтобы в начале мая открыть бассейн для посетителей. Для уточненного расчета следует иметь хотя бы среднесуточные температуры воздуха и воды бассейна за апрель. Согласно метеорологическим данным, температура в середине апреля составляет не меньше 14ºС. Теперь можно точнее прогнозировать процессы накопления и отбора тепла из бассейна.
Количество тепла, необходимое для повышения и поддержания температуры воды внешнего бассейна, можно определить по формуле:
Hs=Hp+Hn+Ha (1),
где Hs – общее количество тепла;
Hp – тепловая нагрузка, необходимая для компенсации тепловых затрат за счет испарения теплой воды с поверхности;
Hn – тепловая нагрузка, необходимая для повышения температуры воды бассейна;
Ha – тепловая нагрузка, необходимая для подогрева ключевой воды.

Тепловая нагрузка для подогрева воды бассейна

Массу воды бассейна определяют по формуле:
m=IWD (2), где
I – длина бассейна;
W – ширина бассейна;
D – глубина толщи воды.
Тогда суточную тепловую нагрузку можно определить:
Hn=m•C•1,163•V•dTw/dT (3),
где m – масса воды бассейна;
C – теплоемкость воды;
V – объем воды;
dTw – разность начальной и конечной температуры воды бассейна;
dT – количество дней, необходимых для нагревания бассейна.

Затраты тепла поверхности бассейна

Тепловую нагрузку, способную покрыть потери тепла с поверхности бассейна, определяют по формуле:
Hp=Ks•dTaw•A (4),
где Ks – фактор тепловых затрат, который определяют скоростью ветра и защищенностью бассейна (ограды, земляные насыпи, живая изгородь);
dTaw – разность температур воздуха и поверхности воды;
А – площадь зеркала воды.
Следует отметить, что основная часть теплозатрат бассейна определяется испарением воды с его поверхности.
Но одновременно на водяное зеркало бассейна падают солнечные лучи, которые существенно прогревают толщу воды (1 м2 поверхности воды поглощает в апреле 3,3 кВт/час солнечной энергии).
Учитывая, что с обеих сторон бассейн окружен земляными насыпями, то достаточно с обеих других сторон насадить живую изгородь, чтобы уменьшить скорость ветра, а, следовательно, и отведение тепла с поверхности воды. Другим фактором экономии тепла является использование прозрачной пленки на поверхности бассейна, которая пропускает солнечные лучи, но блокирует отведение тепла с поверхности воды. Эта пленка должна лежать на поверхности воды круглосуточно (с 15.04 до 30.04) вплоть до открытия купального сезона. В мае ее также целесообразно использовать каждую ночь, чтобы уменьшить затраты тепла в майские холода.

Таким образом, можно считать, что на протяжении купального сезона теплозатраты бассейна существенно уменьшаются и компенсируются за счет солнечного излучения и блокирования теплозатрат с поверхности воды.

Тогда значение Hp в формуле (1) можем проигнорировать, и количество тепла, необходимого для поддержания и повышения температуры, определим как:
Hs=Hn+Ha (5).
Рассмотрим влияние фактора Hn на подогрев бассейна.
При температуре +14ºС в 2200 м3 воды содержится 34 541 кВт•час тепловой энергии, а при температуре +20ºС – 49 892 кВт•час. Следовательно, согласно формуле (3), суточный подогрев бассейна будет составлять (49892-34541)/15 = 1023,4 кВт•час.
Средняя температура воздуха второй половины апреля не ниже 15ºС. При этой температуре коэффициент эффективности тепловой помпы «воздух-вода» составляет не менее 4. Это означает, что на 1 кВт/час затраченной электроэнергии получаем 4 кВт/час тепловой. За один час можем получить 1023,4/24=42,7 кВт/час. Таким требованиям отвечает тепловая помпа «воздух-вода» мощностью 36 кВт, которая поглощает 11 кВт электроэнергии. При +15ºС ее исходящая мощность составляет 44 кВт.

Влияние фактора Ha можно минимизировать двумя способами. Первый способ заключается в уменьшении количества проточной ключевой воды. Согласно общепринятым рекомендациям, суммарная масса проточной воды, использованной за сезон (150 дней), должна соответствовать массе бассейна. Следовательно, суточная затрата проточной воды должна была бы составлять 2200/150=14,7 м3. Для уверенности увеличим количество проточной воды вдвое. Тогда суточные затраты проточной воды будут составлять 30 м3.
Если температура воды в бассейне составляет 20ºС, то на протяжении суток для нагревания 30 м3 воды следует затратить 30•1,163•(20-6) = 488 кВт/час тепловой энергии. Поскольку использование другой тепловой помпы не является рациональным, то рассмотрим возможность использования других устройств.

Для подогрева ключевой воды можно использовать солнечные водонагревательные коллекторы, которые не требуют электроэнергии. Но минимальная площадь таких коллекторов для подогрева 30 м3 воды должна была бы составлять не менее 150 м2. С точки зрения финансовых затрат, этот вариант является не очень привлекательным.

К счастью, есть более простые варианты отбора тепла окружающей среды. На рис. 2 изображено два устройства отбора тепла окружающей среды для подогрева ключевой воды.

Первое устройство является концентратором солнечной энергии. Это выгнутый никелированный или хромированный металлический лист, который фокусирует солнечные лучи на поверхность зачерненной трубы. Труба должна быть покрыта селективной краской, которая не выпускает тепло наружу.

Концентратор солнечной энергии обеспечит сравнительно небольшое количество дневной тепловой энергии (40-50 кВт/час), поскольку его площадь будет составлять всего несколько квадратных метров.

Другим вариантом является установка над бортиками бассейна металлической дорожки, длина которой 170 м. Металлический лист должен иметь минимальный наклон (2 см/м для обеспечения протекания ключевой воды). Собственно вода течет по небольшим углублениям и отбирает тепло металлического темно-коричневого листа, который нагревается солнцем. Если дорожка имеет ширину 1 м, то ее общая площадь будет составлять 170 м2. В мае 1 м2 поверхности дорожки поглощает 4 кВт/час солнечной энергии. Таким образом, на протяжении дня бассейн получит не менее чем 680 кВт/час тепловой энергии. Это означает, что количество подогретой ключевой воды можно увеличить до 40 м3 в сутки.

С точки зрения финансовых затрат использование тепловой помпы и надстройка дорожек над бортиками бассейна для подогрева ключевой воды обойдется владельцу приблизительно в 11 500 евро.
Ежегодные затраты электроэнергии на подогрев воды бассейна будут составлять:
Апрель – 15 суток•24 часа•11кВт•1 грн/( кВт/час)=3600 грн.
Сентябрь – 15 суток•24часа•11кВт•1 грн/(кВт/час)=3600 грн.
В перспективе эти затраты можно уменьшить, последовательно применяя другие типы солнечных водонагревательных коллекторов.

Конструкция дешевого солнечного коллектора