Приведены экспериментальные значения теплофизических характеристик различных теплоизоляционных материалов. Предложена методика расчета, позволяющая определить энергозатраты в открытых бассейнах и, в конечном итоге, их энергоэффективность при различных вариантах утепления. Бассейны, климат, теплопотери, конвекция, излучение, эксперимент, утепление, энергоэффективность.

В последние годы резко возросло количество открытых бассейнов не только в зарубежных странах, но и на территории России. Одним из перспективных направлений в том плане следует считать применение композитных бассейнов.

В то же время, в отличие от развитых стран Европы и Америки, особенности климата в России требуют учета более суровых условий эксплуатации. Так, например, глубина промерзания грунта в отдельных районах только Европейской части России колеблется от 0,8 до 2,4 м. Температура наружного воздуха также существенно ниже и может достигать сорока с лишним градусов ниже 0°C. Продолжительность отопительного периода (период со средней суточной температурой воздуха ?8°С) в некоторых населенных пунктах достигает 300 суток.

Конструкция бассейна заглублена в землю до 1,5-2м. Известно, что температура грунта на этой глубине даже в самые жаркие дни не поднимается выше 11°С, поэтому вода в бассейне непрерывно охлаждается от почвы. С учетом возможного промерзания в зимний период температура грунта может опускаться до 0°С.

Бассейн по понятиям термодинамики – это открытая система, обменивающаяся со средой (с окружающем воздухом и грунтом) энергией (теплообмен). Суммарные теплопотери в бассейнах определяются, в общем виде, тепловым балансом с учетом потерь и экономии тепла при его эксплуатации. Основные потери тепла в открытом бассейне складываются из:

• потерь тепла через стенки и днище в грунт;
• потерь тепла при конвекции над зеркалом воды;
• потерь тепла при излучении с поверхности воды.

К потерям можно также отнести потери тепла при выходе купающихся из бассейна, и связанное с этим разбрызгивание воды. Однако данными потерями можно в практических расчетах пренебречь, так как они уравновешиваются экономией тепла за счет теплоотдачи от купающихся. Потери тепла при доливе свежей воды с более низкой температурой чем в бассейне, также можно проигнорировать, так как они имеют значение только для расчета эксплуатационных затрат.

Потерям тепла противопоставлена экономия за счет тепла, поступающего от суммарной (прямой + рассеянной) солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Так для условий города Краснодара, например, среднесуточное количество тепла за теплый период (апрель – октябрь) составляет 215 Вт/м². В течение холодного (отопительного) периода средний показатель радиации равен 73Вт/м² [2].

В строительной физике различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и излучение. Большинство строительных материалов к которым относятся стенки и днище бассейна, в частности, представляют собой капиллярно – пористые тела, в которых возможны все виды теплопередачи. Однако для практических расчетов можно считать, что теплопередача в них основном происходит по законам теплопроводности. В то же время у поверхности воды, на границе с наружным воздухом, происходит теплопередача конвекцией и излучением.

Количество тепла, теряемого через ограждения бассейна в грунт, теплопроводностью можно определить на основании закона Фурье по формуле:

Q, Вт/м² (1)

где: ?_в, ?_н – температуры на внутренней и наружной поверхностях стенок и днища бассейна. Для практических расчетов можно условно принять, как температуру воды в бассейне и температуру грунта, °С;

F – площадь стенок и днища бассейна, м²;

Z – время передачи тепла, ч.;

R – термическое сопротивление стенок и днища бассейна, м²?°С/Вт.

Различают два вида конвекции: естественную, при которой движение частиц среды обуславливаются разностью температур, а следовательно, и неодинаковой плотностью среды, и вынужденную, при которой движение частиц вызывается внешними воздействиями (перемешивание среды, продувание воздуха вентилятором или ветром и пр.). С учетом изложенного, для определения теплового потока, передаваемого при конвективном теплообмене между водой и наружным воздухом можно воспользоваться формулой:

Q, Вт/м², (2)

где: ?_к – коэффициент теплоотдачи конвекций, Вт/(м²?°С);

F – площадь зеркала воды, м²;

t_в,t_н – температураводы и воздуха, °С.

Коэффициент теплоотдачи конвекций определяется по эмпирическому выражению:

 Вт/(м²?°С) , (3)

где: v – скорость ветра ,м/с;

e – основание натурального логарифма (e = 2,718).

Первый член в данной формуле представляет собой величину теплового потока при вынужденной конвекции. Второй член дает величину отдачи теплоты естественной конвекцией. За расчетную скорость ветра для зимних условий принимается средняя скорость из тех румбов за январь, повторяемость которых составляет 16% и более. Для условий города Краснодара, например, она составляет, 3 м/с.

Для летних условий принимается, соответственно, средняя скорость ветра за июль и для города Краснодара она равна 2,1 м/с.

Интенсивность теплового излучения зависит от состояния небосвода. Для инженерных расчетов достаточно определить градиент температур между водой и воздухом (1).

Потери тепла при излучении поверхностью воды выражаются формулой:

Q, Вт/м², (4)

где: F – площадь зеркала воды, м²;

с – коэффициент излучения (для воды с = 5,56), Вт/м²?К⁴;

? – температурный коэффициент (коэффициент температурного расширения воздуха), 1К³;

– разница температур воды бассейна и воздуха над его поверхностью, °С.

Если в теплый период года в большинстве случаев не возникает особых проблем с эксплуатацией бассейнов и энергопотреблением для нагревания воды, то использование бассейнов в холодный период требует решения специальных вопросов связанных как с промерзанием грунта, так и с большими энергозатратами вызванными увеличением теплопотерь.

Известно, что вода обладает большой теплоемкостью в связи с чем долго сохраняет тепло. С учетом этого явления, одним из технических решений сведения теплопотерь в бассейне к минимуму, является утепление стенок и днища полимерными теплоизоляционными материалами создающими «эффект термоса».

С целью определения эффективности применения различных утепляющих материалов, на кафедре архитектуры инженерно-строительного факультета КубГАУ были проведены соответствующие исследования в процессе которых решались следующие задачи:

• определение теплофизических характеристик различных теплоизоляционных материалов;

• расчет теплопотерь через стенки и днище бассейна при различных вариантах утепления как в летний, так и в зимний периоды года;

• расчет потерь тепла при конвекции и излучении с поверхности воды;

• расчет экономии тепла за счет солнечной радиации;

• определение теплового баланса с учетом теплообмена и расчет стоимости энергии на восполнение теплопотерь в бассейне с различными вариантами утепления.

В качестве экспериментальных образцов были рассмотрены следующие фрагменты стенок бассейна:

• без утепления;

• с утеплением материалом «керамофлекс»;

• с утеплением пенополиуретаном толщиной 1,5 см.

• с утеплением пенополиуретаном толщиной 3 и 5 см;

Исследования проводились в лаборатории строительной физики кафедры архитектуры с использованием измерителя тепловых потоков ИТП – МГ4 «250». Полученные результаты (средние по трем образцам каждого варианта ограждения) представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Термическое сопротивление стенок и днища бассейна

с различными вариантами утепления

Наименование показателя	Обозначение	Единица измерения	Тип конструкции
			Стандартный без утепления	Стандартный с утеплением
				керамофлекс	ППУ 1,5 см	ППУ 3 см	ППУ 5 см
Тип конструкции			1	2	3	4	5
Толщина образца	?	м	0,0085	0,011	0,021	0,04	0,060
Плотность теплового потока	q	Вт	264,9	181,7	33,9	15,5	10,14
Коэффициент теплопроницания	?		0,141	0,125	0,042	0,034	0,034
Термическое сопротивление	R		0,06	0,088	0,507	1,161	1,78

 

Ниже приводятся результаты расчета теплопотерь через ограждения бассейна (с различными вариантами утепления) в грунт. Расчеты выполнены для климатических условий города Краснодара. В качестве исходных приняты следующие параметры:

• температура воды в бассейне -24°С;

• температура грунта для летнего периода принята 11°С, для зимнего 0°С.

К летнему отнесен период с апреля по октябрь, к зимнему – период с ноября по март включительно. Зимним, для упрощения, можно считать отопительный период года, который для города Краснодара составляет 168 суток при средней температуре данного периода равной 2°С. Летний период соответственно составляет 197 суток со средней температурой 17,6°С.

Результаты расчетов, выполненных в соответствии с формулой (1) приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Количество тепла теряемого через 1м² ограждения

бассейна в грунт

Наименование показателя	Обозначение	Единица измерения	Тип конструкции
			1	2	3	4	5
Теплопотери в грунт в летний период		Вт/м2	106,6	72,7	7,2	5,79	3,62
Теплопотери при конвекции в летний период			76,8
Теплопотери при излучении в летний период			35,58
Теплопотери в грунт в зимний период		Вт/м2	366,0	250,0	24,1	19,50	12,61
Теплопотери при конвекции в зимний период			332,0
Теплопотери при излучении в зимний период			122,32

Тепловой поток при конвективном теплообмене между водой и наружным воздухом рассчитан по формуле (2). Коэффициент теплоотдачи, входящий в формулу (2), рассчитан по формуле (3). Как было сказано выше, средняя скорость ветра в данной формуле принята для летнего периода равной 2,1 м/с, для зимнего периода – 3 м/с.

Для летнего периода:

Вт/(м²?°С).

Для зимнего периода:

Вт/(м²?°С).

Подставив найденные значения коэффициентов в формулу (2) получим величины теплопотерь при конвектном теплообмене.

Для летнего периода:

Q Вт/м².

Для зимнего периода:

Q Вт/м².

Величина теплового излучения для летнего периода по формуле (4) составляет:

Q Вт/м².

В зимний период соответственно:

Q Вт/м².

Суммарные теплопотери на 1 м² плоскости зеркала воды при конвекции и излучении составляют:

• в летний период:

Q Вт/м².

• в зимний период:

Q Вт/м².

В качестве примера для расчета теплового баланса использован открытый композитный бассейн производства компании «Аркадия» по технологии французской фирмы «Franmer».

Основные технические характеристики бассейна марки «Марсель»:

• длина 7,86м; ширина 3,66 м; глубина от 1,25 до 1,72 м (средняя 1,485 м);

• площадь зеркала воды 28,76 м²;

• площадь стенок и днища соприкасающиеся с грунтом 63 м².

Результаты расчетов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Общие теплопотери в открытом бассейне марки «Марсель» с различными вариантами утепления

Наименование показателя	Период года	Обозначение	Ед. изм.	Тип конструкции
				1	2	3	4	5
Потери тепла	Летний период, 197 сут.		кВт	6,71	4,58	0,457	0,34	0,20
				3,23
Экономия тепла				6,18
Тепловой баланс:		в час		3,76	1,85	+2,51	+2,61	+2,89
		в сутки		90,24	44,40	+60,24	+62,64	+69,36
		за весь период		17777	8746	+11867	+12340	+13663
Потери тепла	Зимний период, 168 сут.		кВт	23,09	15,75	1,58	1,18	0,78
				13,06
Экономия тепла				2,10
Тепловой баланс:	Зимний период, 168 сут.	в час	кВт	34,05	26,46	12,54	12,14	11,74
		в сутки		817,2	653,04	300,96	291,36	281,76
		за весь период		137289	106686	50561	48948	47335

Энергоэффективность бассейна, в конечном итоге, определяется стоимостью затрат на восполнение теплопотерь. Целью настоящей работы было определить эффективность различных вариантов утепления бассейнов, поэтому при расчете стоимости электроэнергии на восполнение теплопотерь, как пример, рассматривалось среднесуточное энергопотребление. Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Энергоэффективность утепления открытых бассейнов

Наименование показателя	Тариф	Ед. изм.	Тип конструкций
			1	2	3	4	5
Стоимость эл/энергии на восполнение теплопотерь в летний период	1кВт = 3,06 руб.	руб.	276,13	135,86	потерь нет	потерь нет	потерь нет
Стоимость эл/энергии на восполнение теплопотерь в зимний период	1кВт = 3,06 руб.	руб.	2500,63	1943,22	921,48	890,40	857,20

На основании результатов проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Лучшими теплозащитными свойствами обладает монолитный пенополиуретан. Так термическое сопротивление образца с пенополиуретановым слоем толщиной 3 см больше чем у стандартного образца без утепления в 18 раз.

Увеличение толщины утеплителя до 5 см дает повышение термического сопротивления, в сравнении со стандартным образцом, в 20 раз.

2. Применение теплоизоляции конструкций бассейна позволяет существенно сократить теплопотери в грунт. Как в летний, так и в зимний периоды различные виды утепления приводят к сокращению теплопотерь от 1,5 до 29 раз.

3. Суммарные теплопотери при конвективном теплообмене и при излучении с поверхности воды в летний период в два раза меньше чем потери тепла в грунт у неутепленного бассейна. В то же время повышение термического сопротивления стенок и днища бассейна приводят к уменьшению теплопотерь в грунт в сравнении с потерями тепла с поверхности воды в 14 раз.

Надо отметить, что в летний период поступление тепла от солнечной радиации достаточно велико и почти в 2 раза превышает теплопотери при конвекции и излучении. Так при расчете теплового баланса отмечено, что в бассейне с утеплением из пенополистирола и пенополиуретана поступление тепла превышает его потери через грунт.

В зимний период солнечная радиации существенно меньше и , соответственно, теплопотери за счет конвекции и излучения почти в 6 раз превышает поступление тепла от солнца. В неутепленном бассейне теплопотери в грунт почти в 2 раза больше чем от зеркала воды. В то же время с повышением термического сопротивления стенок и днища бассейна теплопотери в грунт сокращаются до 16 раз.

4. Анализируя среднесуточное энергопотребление на восполнение теплопотерь, можно отметить, что в летний период затраты наблюдаются в основном для неутепленных или малоутепленных бассейнов. При надежной теплозащите потери тепла практически отсутствуют, в связи с чем затрат энергии не требуется.

5. Основные затраты энергии происходят в зимнее время. В то же время повышение уровня тепловой защиты стенок и днища бассейнов позволяют снизить эти затраты до 3 раз.