Климатический комфорт в фитнес-центрах

Адиабатическое охлаждение с регенерацией теплоты

Фитнес-центры представляют собой отдельные заведения либо входят в состав различных многофункциональных комплексов (плавательных бассейнов, гостиниц и т. д.). В последние годы все чаще под фитнес-центры отводятся достаточно большие площади (до 5 000 м²). В состав фитнес-центров входят не только тренажерные залы, но и бассейны, зоны релаксации с гидромассажными установками, солярии, сауны, турецкие бани, а также рестораны и бары.

Очевидно, что даже в рамках только одной зоны, где люди занимаются физическими упражнениями, системы кондиционирования должны проектироваться с учетом того, что в пределах такой зоны для различных видов физической деятельности выделяются отдельные участки и воздухоподготовка для них должна быть организована особым образом.

Обычно такое деление осуществляется уже на этапе составления общего плана объекта, поскольку некоторые виды физических упражнений просто не совместимы: например, аэробика, где много людей в относительно небольшом помещении, и занятия на спортивных тренажерах, которые проходят в более просторных залах, поскольку, помимо места для занимающихся, требуются площади для размещения самих тренажеров. Еще один специфический вид упражнений – это занятия на велотренажерах, где основную проблему составляет влаго-удаление с учетом большого объема скрытой теплоты от спортсменов.

Проектные данные

Для каждой зоны финтес-центра характерны различные показатели заполняемости и видов физических упражнений, что влияет на расчетные параметры микроклимата. На рис. 1 представлена динамика колебаний температуры воздуха в зависимости от вида физической деятельности и одежды спортсменов с индексом теплоизоляции 0,1 clo (очень легкая), 0,5 (легкая) и 0,9 (тяжелая) (сокр. clo – единица теплоизоляции одежды).

Рисунок 1. Значения температуры воздуха в зависимости от различных видов выполняемых физических упражнений и типа теплоизоляции, обеспечиваемой используемой спортсменами одеждой

Выполняемыми физическими упражнениями обусловлена и тепловая нагрузка, создаваемая человеком. В таблице приведены параметры среднего метаболического индекса (Met) (тепловыделения человека) во время различных видов физических упражнений. Значение 1 Met соответствует 58 Вт/м². Помимо вида физических упражнений тепловыделение определяется также степенью интенсивности этих упражнений. У людей нетренированных и не привыкших к большим нагрузкам тепловыделение обычно приближается к максимуму – организм выделяет наибольшее количество теплоты, большей частью в скрытой форме (в виде потоотделения), что является тепловой компенсацией и утилизацией повышения температуры, вызванной мышечным напряжением. Как правило, упражнения, требующие предельного напряжения, не бывают продолжительными и должны соответствующим образом чередоваться на всем протяжении занятий. Если взять, к примеру, зал велотренажеров, где средняя продолжительность занятий колеблется от 20 до 40 мин, то период максимального напряжения, когда выделяется наибольшее количество теплоты, длится не более 5–10 мин.

Эффективность физического отвода теплоты, в частности скрытой, в значительной степени определяется уровнем относительной влажности воздуха в помещении. Вследствие этого при равном физическом напряжении меньше потеет человек, находящийся в помещении, где относительная влажность воздуха ниже, нежели тот, что занимается в зале с более высокой влажностью воздуха, поскольку в первом случае воздух менее насыщен и в большей степени расположен к поглощению водяного пара, выделямого кожными покровами человека.

В этих обстоятельствах особое значение приобретает регулирование уровня влажности в помещении спортивного зала.

Другой важный фактор, который следует обязательно учитывать, – это скорость воздуха, поскольку она определяет скорость теплообмена между телом человека и воздухом в помещении с учетом вида физической нагрузки. В этой связи целесообразно воспользоваться критерием оценки, предложенным профессором Датского технического университета П. Фангером (P. Ole Fanger), который, в частности, отмечает: «Состояние комфорта напрямую зависит от средней температуры кожных покровов и тепловой мощности, отдаваемой организмом в форме выделения жидкости, происходящей главным образом при помощи механизма потоотделения».

Общее теплообразование человека, занимающегося спортом в соответствующей спортивной одежде, составляет 390 Вт, из которых 135 Вт составляет явная теплота и 255 Вт – скрытая теплота (рис. 2). Учитывая, что испарительная теплота составляет 2 501 Дж/г, значению 255 Вт соответствует выделение водяного пара в объеме 367 г/ч на человека.

Рисунок 2. Объемы явной и скрытой теплоты, выделяемой человеком во время спортивных занятий

Расчетные параметры

На основании вышесказанного и с учетом назначения отдельных залов, выделенных для различных видов спорта, можно определить минимальные расчетные параметры объемного расхода воздуха для отдельных помещений. При расчете воздухообмена следует учитывать количество водяного пара, создаваемого потоотделением, количество занимающихся людей и конкретный вид физических упражнений. Расчета объемного расхода только на основании данных о требуемом воздухообмене (обычно от 60 до 120 м²/ч на человека) здесь недостаточно, поскольку необходимы поправки на влагоудаление и тепловую потребность. После определения общего объема влаговыделений в помещении (q_mv, выраженный в г/ч) объемный расход воздуха, требующийся для удаления влаги из воздуха, определяется разницей между абсолютной влажностью внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

q_ma = q_mu/ x_а – x_m, кг/ч,

V_a = q_ma / p_а, м³/ч.

Количество воздуха, необходимого для нейтрализации физической тепловой нагрузки (q_s), определяется разницей между температурой внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

V_a = q_s (физическая тепловая нагрузка) / 0,34 • ∆t, м³/ч.

Следует отметить (кстати, очень часто это обстоятельство упускается из виду), что тело человека во время продолжительных физических упражнений в заметных объемах потребляет кислород из воздуха. Таким образом, чем интенсивней вид спорта, для которого предназначено помещение, тем важнее обеспечить требуемый воздухообмен независимо от того, насколько фактические тепловлажностные параметры помещения удовлетворяют нормативным требованиям или расчетным данным. Для того чтобы обеспечить необходимый комфорт, помещения финтес-центров в рабочем режиме должны непрерывно обеспечиваться постоянным притоком наружного воздуха.

Специальное оборудование

Для кондиционирования фитнес-центров особый интерес представляют специально разработанные системы воздухоподготовки. Это оборудование имеет ряд отличительных конструктивных особенностей:

• обеспечивается холодильная мощность и влагоудаление в объемах, необходимых для конкретного вида физических упражнений;

• предоставляется возможность точной регулировки параметров микроклимата в зависимости от выполняемых физических упражнений, когда значения объемного расхода воздуха и тепловлажностные параметры приточного воздуха устанавливаются в зависимости от явной и скрытой теплоты, подлежащей отводу.

Для данного оборудования характерно пониженное потребление энергии благодаря двум современным технологиям:

• регенерация теплоты вытяжного воздуха при помощи двух теплообменников с перекрестными потоками, которые установлены в линию и функционируют в противотоке;

• система адиабатического охлаждения в сочетании с системой охлаждения на базе холодильного цикла.

Значение расхода воздуха данного оборудования меняется в диапазоне от 1 200 до 27 000 м²/ч, общая холодильная нагрузка (адиабатическая система плюс холодильная установка) составляет от 6,6 до 159 кВт.

Речь идет о полностью независимых системах, поставляемых в комплекте с электрооборудованием и системой автоматического регулирования. Приточные и вытяжные вентиляторы имеют высокопроизводительный свободно вращающийся импеллер с загнутыми лопастями, установленный напрямую на вал электродвигателя, скорость вращения которого регулируется отдельным инвертером. Работа системы в целом регулируется специальными вибрационными датчиками. Рукавные фильтры (класса EU4) устанавливаются на всасывание (наружный воздух и вытяжной воздух), легко снимаются, интервалы техобслуживания соблюдаются по показаниям датчика дифференциального давления, выведенного на главный электрический щит.

Система регенерации теплоты вытяжного воздуха построена на основе двух пластинчатых теплообменников с перекрестными потоками, монтируемых в линию.

Блок регенерации позволяет обеспечить чрезвычайно низкую потерю нагрузки при росте коэффициента теплообмена и КПД энергетической регенерации до 75 %. Поддон сбора конденсата с принудительным сливом выполнен из полипропилена. Адиабатическое охлаждение воздуха происходит путем разбрызгивания воды по поверхности водяных обменников и дает понижение температуры порядка 10 °С. Установка комплектуется форсунками, системой регулировки уровня воды, клапаном подачи и отвода воды, рециркуляционным насосом, фильтром, системой смены воды, циклом автоматической мойки.

Режимы работы

На рис. 3–7 показаны режимы работы данного оборудования в различное время года. На рис. 3 показан режим с полной регенерацией теплоты, обеспечивающий летнее охлаждение или зимний нагрев воздуха в помещении. В переходный период установку можно запускать в режиме с частичной регенерацией теплоты путем перепускания (байпасирования) с теплообменника определенного объема воздуха (рис. 4) либо в режиме полного естественного охлаждения в переходный или ночной период посредством полного байпасирования (без регенерации теплоты) при росте наибольшего объемного расхода воздуха до 10 % (рис. 5).

В летний период используется система адиабатического охлаждения (рис. 6), которая при высокой температуре наружного воздуха может интегрироваться с системой охлаждения и влагоудаления посредством холодильного цикла (рис. 7).

Рисунок 3. Охлаждение/обогрев воздуха в помещении посредством регенерации теплоты путем теплообмена с наружным воздухом как в зимний (отопление), так и летний (охлаждение) периоды

Рисунок 4. Функционирование системы в переходный период с частичной регенерацией теплоты путем перепускания (байпасирования) определенного объема воздуха из теплообменника

Рисунок 5. Функционирование системы в режиме полного естественного охлаждения в переходный или ночной период посредством полного байпасирования (без регенерации теплоты) при росте наибольшего объемного расхода воздуха до 10 %

Рисунок 6. Вентиляция с адиабатическим охлаждением воздуха в летний период

Рисунок 7. Вентиляция с адиабатическим охлаждением и охлаждением/влагоудалением посредством холодильного цикла в летний период при высокой температуре воздуха с последующим подогревом

Переведено с сокращениями из журнала «RCI».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.