Расчёт теплопотерь и подбор водонагревателя для водоёма.

Расчёт теплопотерь водоёма

Для комфортного использования бассейнов, живых бассейнов и плавательных водоёмов зачастую хочется, чтобы вода в них была теплее. Ясно, что теплоту воды в водоёме надо как-то повысить. Но как это сделать? Сколько понадобиться энергии и каким прибором воспользоваться.

Попробуем разобраться вэтом водпросе.

Теплоснабжение открытых (летних) бассейнов, плавательных вододёмов

Теплозатраты для нагрева воды Q определяются как разность потерь Q₁ и поступления теплоты Q₂ в процессе эксплуатации, т. е.

Q=Q₁-Q₂.

Для летних бассейнов – открытых, частично защищенных и полностью защищенных – потери и поступление теплоты разные. Потерями в грунт можно пренебречь, так как он прогревается в первые дни эксплуатации и затем хорошо удерживает тепло. Основные потери, Вт/м², вызываются следующими факторами:

Излучение теплоты с поверхности воды

Q_1изл = F * C * β * Δt;

испарение воды с поверхности

Q_1исп = V_в * r;

V_в = (25*19v) * (x-X);

конвекцией с поверхности воды

Q_1кон = F* a * Δt;

где

F – площадь поверхности воды, м²;

С – коэффициент теплоотдачи, равный 5,56 Вт/(м²⁰С),

β – температурный фактор – 1,0 – 1, 2;

Δt – разность температуры воды в бассейне t_вод и воздуха tвозд над поверхностью воды, ⁰С;

V_в – объём испарившейся воды, кг/(м²ч);

V – скорость ветра (4 м/с – незащищенная ванна, 2 м/с – частично защищенная, 1 м/с – защищенная);

Х – влагосодержание насыщенного воздуха у поверхности воды при температуре воды в бассейне, кг/кг;

x – влагосодержание насыщенного воздуха у поверхности воды при температуре воды в бассейне, кг/кг;

а – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²⁰С) (в открытом бассейне – 12,79, в частично защищенном – 6,98, в защищенном – 4,07);

r – теплота парообразования при температуре воды в бассейне, Вт*ч/кг (при 24⁰С r=680).

Сумма потерь для открытых ванн равна

Q₁ = Q_1изл + Q_1исп + Q_1кон

Поступление теплоты в воду происходит вследствие теплоотдачи купающихся Q_2куп около 90-140 Вт/ч на человека и за счёт инсоляции – Q_2инс = 70-150 Вт/м², которая зависит от времени суток, облачности, географического положения, сезона. Если температура наружного воздуха выше, чем воды, то потерями за счёт конвекции Q_2кон можно пренебречь. Таким образом, поступление теплоты Q₂ = Q_2куп + Q_2инс.

Пример расчёта.

Исходные данные: размер бассейна в плане – 8*4 м; температура воды в бассейне 24⁰С; средняя температура воздуха (с мая по сентябрь) +15,8⁰С.

Потери теплоты с 1 м² площади бассейна:

При излучении теплоты с поверхности воды

Q_1изл = F  *C * β * Δt = 1*5,56*1*(24-15,8) = 45,59 Вт/м²;

При испарении воды с поверхности при средней относительной влажности воздуха 73%

Q_1исп = 1*V_в*r = (25+19*1)(0.0186 – 0.0082)*680 = 311 Вт/м²,

V_в = (25 +19* v)*(x-X) = 0,46 кг/(м²*ч);

При конвекции с поверхности воды

Q_1кон = F*a* Δt = 1*4,07*(24-15,8) = 33,37 Вт/м².

Общие теплопотери Q₁ = Q_1изл + Q_1исп + Q_1кон = 45,59 + 311 + 33,37 = 390 Вт/м².

Поступление теплоты: Q₂ = Q_2куп + Q_2инс = 0+116 = 116 Вт/м².

Поступление теплоты с купающимися можно приравнять к уносу теплоты ими же при выходе из бассейна.

Суммарные теплозатраты в течение 1 ч: Q = Q₁ – Q₂ = 390 – 116 = 274 Вт/м²*ч, а средние суточные теплозатраты открытого бассейна с размерами 8*4 м составляют: потери*площадь*время = 274*32*24 = 210432 Вт = 210,4 кВт.

На теплопотери существенное значение оказывает скорость ветра. Так, для того же бассейна увеличение скорости ветра над поверхностью воды до 4 м/с приведет к увеличению затрат теплоты до 575 кВт в сутки.

Теплопотери в крытом бассейне

Расчёт тепловых потерь и поступления теплоты для крытого бассейна (ванны) выполняется аналогично выше приведенному расчёту. Основные потери теплоты для крытого бассейна будут составлять потери на испарение, так как температуру воздуха в помещении бассейна рекомендуется поддерживать на 2-3⁰С выше температуры воды, а поступление теплоты за счёт конвекции:

Q₁ = Q_1исп

Q₂ = Q_2кон = a * (t_возд – t_вод)

где t_возд – температура воздуха в помещении, ⁰С; t_вод – температура воды в бассейне, ⁰С.

Пример расчёта.

Крытый бассейн с размерами ванны 8*4 м, температура воды +27⁰C, воздуха +30⁰С.

Потери: Q_1исп = V_в*r = (25+19*0,2)*(0.027 – 0.016)*677 = 130,7 Вт/м².

Поступление за счёт конвекции: Q_2кон = 4,1*(30-27) = 12,3 Вт/м².

Баланс теплоты в течение 1 ч: Q = Q_1исп – Q_2кон = 118,4 Вт/м²*ч.

Суточные затраты теплоты со всей площади бассейна: Q = (Q_1исп + Q_2кон)*F*24, Вт = 118,4*32*24 = 90931 Вт = 91 кВт.

Расчёт и подбор водоподогревателя

Тепловая мощность нагревателя воды для бассейна по существу будет определяться периодом нагрева. Он составляет для небольших частных бассейнов 2-3 суток. При этом необходимо учитывать продолжительность непрерывной работы нагревателя.

Полезная мощность водоподогревателя определяется по формуле:

Q = V_в * C * (t_в – t_хол) * T_н + Q_кп, Вт,

где

V_в – объём воды в бассейне, л;

t_в – температура воды в бассейне, ⁰C;

t_хол – температура воды в водопроводе, ⁰С;

T_н – период нагрева воды, ч;

С – удельная теплоёмкость – 1,163 Вт/кг*⁰С;

Q_кп – компенсация потерь теплоты во время нагрева: 120, 750, 433, 280 Вт/м² для крытого, открытого, частично и полностью защищенного летнего бассейна.

Пример расчёта мощности нагревателя для крытого плавательного бассейна.

Размер ванны в плане 8 * 4 м, глубина 1.35 м, объем бассейна 42700 л; температура воды в бассейне 27⁰С; температура подпиточной воды 10⁰С; период нагрева воды в бассейне 60 ч (2,5 сут).

Количество теплоты для компенсации теплопотерь в период нагрева воды в бассейне (см. расчёт, приведенный выше) составит:

Q_кп = 120 * 8 * 4 = 3840 Вт, а Q = 42700*1,163*17 / 60 + 3840 = 17900 Вт, 17,9 кВт.

Таким образом, необходимо подбирать водонагреватель мощностью 18 кВт. Технические характеристики некоторых водонагревателей приведены в приложении.

При ограниченном времени нагрева, например, Т₀ = 14 ч, мощность нагревателя составит:

Q₀ = Q * 24 / T₀ = 17900 * 24 / 14 = 30700 Вт = 30,7 кВт.

Зная необходимую мощность, можно прикинуть, каким источником энергии воспользоваться для нагрева воды - тепловая от системы отопления, электрическая и т.п. И после этого выбрать вид водонагревателя: водо-водяной или электрический.

По материалам: Кедорв В. С., Кедров Ю. В., Чухин В. А. Плавательные бассейны.

Рекомендуем ознакомиться:

Циркуляция воды в плавательной чаше
Плавательная чаша плавательного водоёма - опыт "Гидрологии"