Instalacje wentylacyjne w obiektach sportowych – teoria a praktyka

Specyfika wymagań stawianych instalacjom wentylacyjnym, klimatyzacyjnym oraz grzewczym w obiektach sportowych uzależniona jest między innymi od dyscypliny uprawianego w nich sportu. Inne wymagania będzie miał obiekt sportowy wielkokubaturowy przeznaczony do gier zespołowych (koszykówka, siatkówka czy piłka nożna halowa), inne wymagania będą miały np. korty do squash, a jeszcze inne baseny sportowe, pływackie czy rekreacyjne. W każdym z tych obiektów nieco inne są wymagania co do parametrów powietrza wewnętrznego, a także inna droga do ich osiągnięcia. Ponadto coraz istotniejszym aspektem rozważanym zarówno na etapie projektowania, jak i późniejszej eksploatacji są koszty ciepła i energii dostarczane do obiektu.
W artykule pokrótce omówione zostaną nowoczesne systemy instalacyjne najczęściej stosowane w obiektach sportowych ze szczególnym naciskiem na ich dostosowanie do specyficznych wymagań obiektu.
Zarówno w odniesieniu do wentylacji i klimatyzacji, jak i ogrzewania jednym z najważniejszych aspektów projektowania jest właściwe zdefiniowanie wymaganych parametrów powietrza wewnętrznego w rozpatrywanych obiektach, a następnie określenie poprawnego sposobu ich utrzymania. Jest to szczególnie istotne w odniesieniu do obiektów sportowych, gdzie niedotrzymanie wymaganych warunków bądź ich błędne określenie jest najbardziej odczuwalne, a tym samym i najszybciej wykrywane. Do podstawowych parametrów powietrza zaliczamy [2, 3, 4]:
 

• temperaturę,
• wilgotność,
• prędkość,
• średnią temperaturę promieniowania przegród,
• stężenie zanieczyszczeń.

Odpowiednie ukształtowanie wymienionych wartości zapewni utrzymanie komfortu cieplnego użytkowników, a także umożliwi im wykonywanie danego rodzaju czynności, z maksymalną wydajnością (możliwą do otrzymania przez daną osobę). Parametry powietrza należy rozpatrywać łącznie, ponieważ są one ze sobą ściśle związane, np. przez entalpię [2].
Komfort termiczny [4] jest to takie ukształtowanie parametrów powietrza wewnętrznego, przy których użytkownicy nie będą odczuwać dyskomfortu termicznego (nie będzie im ani za ciepło, ani za zimno, nie będą narażeni na zjawisko przeciągu, asymetrii promieniowania przegród itp.). Dyskomfort termiczny może być odczuwany również w sytuacji, gdy tylko część ciała jest narażona na ww. czynnik. Gdy temperatura ciała jest zbyt niska (spada poniżej 33^oC), odczuwamy dreszcze, które mają pobudzić ciało do pracy, a tym samym wytwarzania ciepła. Gdy temperatura ciała jest zbyt wysoka (przekracza 37^oC), organizm ludzki się chłodzi przez pocenie się [6]. Aby uniknąć negatywnych odczuć u osób użytkujących dane pomieszczenie, lub obiekt, należy umożliwić prawidłowe działanie układu termoregulacji człowieka [2], który jest odpowiedzialny za utrzymanie stałej temperatury ciała (zachowanie równowagi pomiędzy ciepłem wytwarzanym w organizmie oraz wymienianym z otoczeniem).
W odniesieniu do obiektów sportowych przy określaniu wymaganych parametrów powietrza wewnętrznego należy wziąć pod uwagę rodzaj uprawianego sportu, a co za tym idzie:
 

• aktywność fizyczną – zyski ciepła jawnego i utajonego,
• rodzaj stroju  (izolacyjność cieplna odzieży, stopień odkrycia ciała),
• stężenie zanieczyszczeń w wydychanym powietrzu,
• wyposażenie pomieszczeń – zyski ciepła od urządzeń, zyski wilgoci (np. tafla wody w basenie),
• liczbę osób,
• czas uprawiania sportu itp.

Skutki niedotrzymania któregoś z podstawowych parametrów powietrza wewnętrznego:
 

• temperatura – powinna zapewnić odprowadzenie ciepła wytworzonego w organizmie podczas uprawiania sportu do otoczenia bez wytworzenia negatywnych odczuć, tj. chłód, gorąco; zgodnie z badaniami [2] przy zbyt dużej temperaturze powietrza oraz podwyższonej wilgotności powietrze jest odczuwane jako nieświeże i duszne; dodatkowo zbyt wysoka temperatura zmniejsza ilość ciepła, jaką organizm może oddać do otoczenia;
• wilgotność – powinna zawierać się w granicach 30–70%, a dynamika jej zmian nie powinna przekraczać 20% na godzinę [6]; gdy wilgotność jest zbyt mała, wysuszeniu ulega błona śluzowa górnych dróg oddechowych, wzrasta emisja kurzu z powierzchni płaskich itp.; w przypadku zbyt wysokiej wilgotności powietrza może dochodzić do jej wykraplania na powierzchniach, rozwoju pleśni oraz niszczenia konstrukcji budynku;
• prędkość – wprowadzanie powietrza w ruch usuwa zanieczyszczenia, zapewnia dobre samopoczucie użytkowników [2]; zbyt niska prędkość powietrza nie zapewnia skutecznego doprowadzenia powietrza świeżego, usuwania zanieczyszczeń, odprowadzania ciepła z organizmu człowieka, a co za tym idzie powoduje odczucie gorąca i duszności; zbyt wysoka prędkość powietrza powoduje zbytnie ochłodzenie powierzchni ciała, odczucie dyskomfortu czy przeziębienia.

Kolejnym aspektem, który jest ważny z punktu widzenia prawidłowego kształtowania mikroklimatu w obiektach sportowych, jest prawidłowe określenie strumienia nawiewanego powietrza oraz jego rozdział [3, 4]. Strumień nawiewanego powietrza powinien zapewniać:
 

• doprowadzenie wymaganej ilości powietrza świeżego dostosowanej do liczby osób i ich aktywności fizycznej,
• wymaganą krotność wymian,
• odprowadzanie zanieczyszczeń znajdujących się w powietrzu wewnętrznym wskutek uprawiania sportu,
• utrzymanie odpowiedniej temperatury oraz wilgotności powietrza.

Fot. 1 Wielofunkcyjna hala sportowa. Nawiew powietrza na trybuny
Źródło: archiwum autorów

W odniesieniu do obiektów sportowych szczególną uwagę należy zwrócić na emisję zanieczyszczeń oraz wilgoci podczas uprawianego sportu. Przy wysiłku fizycznym wielkości te dość szybko wzrastają, znacznie pogarszając jakość powietrza wewnętrznego, a tym samym odczucia użytkowników.

Szczególną uwagę należy zwrócić na zyski wilgoci w obiektach basenowych. W obiektach tych jej źródłami są zarówno ludzie, powietrze nawiewane, jak i sama powierzchnia tafli wody. Strumień nawiewanego powietrza powinien być tak kształtowany, aby zapewniał utrzymanie wilgotności na wymaganym poziomie, a tym samym skutecznie usuwał jej nadmiar z pomieszczenia. Szczególnie trudna jest do określenia ilość emisji wilgoci z powierzchni wody [1, 7], ponieważ należy wziąć pod uwagę nie tylko taflę wody w basenie, ale także wodę zbierającą się na posadzce, zjeżdżalnie, bicze wodne i inne atrakcje, które powodują dostawanie się kropel wody do powietrza. Dodatkowo zyski wilgoci mają miejsce zarówno w trakcie użytkowania obiektu, jak i w czasie braku użytkowników. Tafla wody wzburzona ruchem ludzi będzie powodować znacznie większą emisję wody do powietrza otaczającego. Dzieje się tak, ponieważ każdy ruch człowieka w wodzie czy korzystanie z atrakcji wodnych powoduje wzrost powierzchni wody, z której dochodzi do parowania, oraz emisję kropel wody bezpośrednio do powietrza. Określając emisję wilgoci, należy przeanalizować również stosunek temperatury powierzchni wody (t_w) do temperatury termometru suchego otaczającego powietrza (tp), gdyż zachodząca na granicy styku powietrza i wody wymiana ciepła i masy jest wynikiem różnicy potencjałów temperatury i ciśnienia cząstkowego [5]. Zgodnie z literaturą, aby zminimalizować zjawisko parowania z powierzchni wody, temperatura powietrza powinna być o 1–2 K [8], 1–4 K [6] wyższa od temperatury wody. W tym miejscu należy zwrócić uwagę na obniżenie utrzymywanych parametrów powietrza w okresie braku użytkowania, np. nocą, co ma na celu zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych. Ponieważ basen emituje wilgoć przez całą dobę, należy określić stosunek temperatury wody i powietrza w tym okresie. Jeśli nie będzie on korzystny, nastąpi wzmożone parowanie z powierzchni wody, koszty związane z utrzymaniem wilgotności na wymaganym poziomie mogą przewyższyć oszczędności związane z obniżeniem utrzymywanej temperatury. Błędne określenie zysków wilgoci w obiektach basenowych skutkuje nie tylko brakiem komfortu termicznego użytkowników, ale także oddziałuje niszcząco na konstrukcję budynku, np. zawilgocenie przegród, rozwój pleśni, grzybów, korozja materiałów.

Kolejnym aspektem ważnym w odniesieniu do obiektów sportowych jest prawidłowy rozdział powietrza, przez który należy rozumieć takie rozmieszczenie elementów nawiewnych i wyciągowych, które zapewni skuteczny obieg powietrza w pomieszczeniu bez powstawania obszarów, gdzie powietrze jest w bezruchu. Przy lokalizacji elementów nawiewnych/wyciągowych należy wziąć pod uwagę geometrię sali/hali, występowanie trybun czy też specyfikę uprawianego sportu. Elementy wentylacyjne nie powinny utrudniać gier, np. zbyt nisko sprowadzony nawiewnik nad boisko do siatkówki, ani też strumień nawiewanego powietrza nie powinien wchodzić do strefy przebywania ludzi ze zbyt dużą prędkością.

Należy tak kształtować strumienie powietrza, aby:
 

• powietrze było nawiewane bezpośrednio do strefy, w której przebywają ludzie – w zależności od specyfiki uprawianej dyscypliny sportu i geometrii sali może się to odbywać przez nawiewniki umieszczone pod stropem (np. siłownie, fitness), dysze dalekiego zasięgu (np. hale sportowe), nawiewniki szczelinowe (np. baseny);
• w przypadku basenów strumień nawiewanego powietrza był tak kształtowany, żeby oddzielał zimne powierzchnie przegród od ciepłego i wilgotnego powietrza basenowego, np. nawiewniki szczelinowe umieszczone w posadzce, przy ścianach zewnętrznych;
• nawiew odbywał się poziomo do strefy przebywania ludzi, a wyciąg umieszczony był pod stropem;
• w przypadku występowania trybun nawiew powietrza odbywał się również w ich obszarze;
• w przypadku braku możliwości umieszczenia elementów rozdziału powietrza nad boiskiem (miejscem uprawiania sportu) powietrze wprowadzać wzdłuż jednej ze ścian, a wyciąg zlokalizować przy ścianie przeciwległej – zapewni to przepływ powietrza przez całe pomieszczenie;
• przepływ następował od obszarów „suchych” do obszarów „wilgotnych” (w przypadku basenów zapobiegnie to rozprzestrzenianiu się wilgoci znad niecki basenu do innych obszarów pływalni) czy też od obszarów czystszego powietrza do powietrza bardziej zanieczyszczonego (zapobiegnie to rozprzestrzenianiu się zanieczyszczonego powietrza po innych obszarach obiektu sportowego, np. do holi, szatni czy nad trybuny).

Kolejnym aspektem jest wybór sposobu chłodzenia oraz ogrzewania obiektów sportowych:
 

• chłodzenie/ogrzewanie przez strumień powietrza nawiewanego do pomieszczenia, np. wykorzystanie centrali wentylacyjnej z pompą ciepła;
• chłodzenie/ogrzewanie przez urządzenia umieszczone bezpośrednio w obsługiwanym pomieszczeniu, np. klimatyzatory, grzejniki.

Dodatkowo rozpatrując obiekty sportowe, należy wziąć pod uwagę fakt, iż w obiektach tych można wydzielić różne strefy, np. sale sportowe, zaplecze sanitarne (łazienki, szatnie), zaplecze administracyjno-socjalne pracowników, komunikację. Przestrzenie te mogą charakteryzować się różnymi wymaganiami cieplnymi i wentylacyjnymi. W związku z powyższym chłodzenie i ogrzewanie mogą być tam realizowane w różny sposób, dostosowany do charakterystyki i potrzeb danej strefy.

Fot. 2 Hala basenu rekreacyjnego. Rozdział powietrza typu dół–góra
Źródło: archiwum autorów

Systemy instalacyjne
Rozważając systemy instalacji kształtujące warunki komfortu cieplnego, autorzy zalecają podejście holistyczne. Błędem jest oddzielne rozpatrywanie instalacji ogrzewczych, wentylacyjnych i chłodniczych. Specyfika obiektów sportowych sprawia, że możliwa jest realizacja wszystkich funkcji: ogrzewania, chłodzenia i wentylacji za pomocą jednej wentylacji, co sprawia, że w znakomity sposób upraszcza się regulacja parametrów powietrza wewnętrznego.

Ogrzewanie
Tradycyjne obiekty sportowe (sale gimnastyczne, obiekty wielofunkcyjne) wyposażano w grzejnikowe systemy ogrzewania. Związane to było przede wszystkim z faktem, iż systemy wentylacyjne (wentylacji mechanicznej) nie były wyposażane w urządzenia do odzyskiwania ciepła. Harmonogram pracy systemów wentylacyjnych uzależniony był od sposobu użytkowania budynku. W obiekcie nieużytkowanym zwykle instalacja wentylacyjna była wyłączana, przez co nie było możliwe z jej pomocą utrzymywanie żądanej temperatury. Spowodowane to także było niewielkimi możliwościami regulacji wydajności cieplnej nagrzewnic powietrza. System ten do dzisiaj funkcjonuje i jest projektowany w obiektach modernizowanych, oczywiście po wprowadzeniu niezbędnej armatury regulacyjnej.
Ogrzewanie powietrzne projektowane jest w nowoczesnych obiektach sportowych. Ponieważ dostępne są wysokosprawne systemy odzyskiwania ciepła, nie ma konieczności wyłączania systemów wentylacyjnych, w czasie gdy obiekt nie funkcjonuje. Utrzymywana jest tzw. wentylacja dyżurna, mająca na celu zapewnienie minimalnej wymiany powietrza oraz, w priorytecie, wartości temperatury w obsługiwanych przestrzeniach. Pamiętać należy, że w niektórych typach obiektów (np. baseny) niedopuszczalne jest wyłączanie wentylacji ze względu na ochronę budynku przed zawilgoceniem.
Ogrzewanie płaszczyznowe świetnie się sprawdza w przypadku obiektów typu sale gimnastyczne czy boiska sportowe. Ogrzewanie podłogowe ma wiele zalet, do najważniejszych zaliczyć należy znacznie lepsze warunki komfortu cieplnego ze względu na wyższą temperaturę powierzchni (wyższa temperatura promieniowania przegród), niższe wymagane parametry czynnika zasilającego, co predestynuje ten system do ekologicznych, niskotemperaturowych źródeł ciepła, a także brak na sali elementów ogrzewania (grzejników). W przypadku sal sportowych (gimnastycznych lub do gier zespołowych) również nawet argument o znaczącej dynamice cieplnej tego typu grzejników ma zdecydowanie mniejsze znaczenie, gdyż ze względu na zamontowaną podłogę punktowo-elastyczną jej pojemność cieplna jest znacznie mniejsza, co znakomicie poprawia wskaźniki dynamiczne tego systemu ogrzewania. Z kolei nie ma uzasadnienia dla zastosowania ogrzewania podłogowego w halach basenu. Ma to związek z wysoką temperaturą powietrza w hali basenu, przez co wydajność takiego systemu drastycznie spada. Bez znaczącego przekraczania dopuszczalnych wartości temperatury powierzchni podłogi nie jest możliwe uzupełnienie bilansu ciepła hali. Należy również brać pod uwagę wyższą wartość strumienia odparowanej wilgoci, co bezpośrednio się przekłada na wyższe zużycie ciepła przez system wentylacyjny na potrzeby osuszania.

Chłodzenie
Chłodzenie sal sportowych odbywa się zwykle za pomocą tego samego systemu co system wentylacji. Używa się w tym celu central wentylacyjnych z chłodnicą wodną lub freonową lub też urządzeń typu rooftop – czyli urządzeń wentylacyjnych ze zintegrowanym źródłem chłodu. Zastosowanie rozproszonych urządzeń chłodniczych jest zwykle znacznie utrudnione.
 

Wentylacja
Głównym zadaniem systemu wentylacji jest doprowadzenie powietrza zewnętrznego oraz kształtowanie parametrów komfortu. Zaplanowanie systemu rozdziału powietrza w obiekcie wielkokubaturowym jest wymagające ze względu, po pierwsze, na zasięgi strumienia powietrza dostarczanego, po drugie, ze względu na różne wartości temperatury strumienia powietrza nawiewnego (przy realizacji procesu ogrzewania i chłodzenia) i, po trzecie, ze względu na różne obciążenia sali przez użytkowników. Każdorazowo przy projektowaniu i ocenie instalacji wentylacji rozważyć należy poza trybem pracy instalacji przy pełnym jej obciążeniu tryb pracy przy częściowym obciążeniu. Przy zmniejszaniu wydajności powietrznej zmniejszają się zasięgi strumienia powietrza, co powodować może silne zróżnicowanie pola temperatury obiektu, a co za tym idzie niedotrzymanie oczekiwanych warunków komfortu cieplnego.

Podsumowanie
Systemy instalacji wentylacyjno-klimatyzacyjnych obiektów sportowych charakteryzują się innymi wymaganiami niż typowe budynki biurowe czy mieszkalne. Związane jest to przede wszystkim z odmiennymi oczekiwaniami ich użytkowników, a także znaczącymi kubaturami tych przestrzeni. Z tego też powodu również rozwiązania instalacyjne stosowane w tych obiektach różnią się znacznie od klasycznych rozwiązań stosowanych w budownictwie mieszkalnym. Ze względu na specyfikę wymagają one każdorazowo indywidualnej analizy pod kątem wyboru parametrów powietrza, zastosowanych rozwiązań instalacyjnych, a także urządzeń. Z najnowszych trendów panujących w budownictwie wynika konieczność stosowania rozwiązań energooszczędnych, co daje się zaobserwować w nowo projektowanych obiektach. Szczególnie duże możliwości oszczędności dają obiekty basenowe – ze względu na znaczną energochłonność i konieczność precyzyjnej realizacji procesów obróbki powietrza.

Bibliografia
1. F. Asdrubali, A scale model to evaluate water evaporation from indoor swimming pools, „Energy and Buildings”nr 4/2009.
2. P.O. Fanger, Z. Popiołek, P. Wargocki, Środowisko wewnętrzne. Wpływ na zdrowie, komfort i wydajność pracy, Politechnika Śląska, Gliwice 2003.
3. J. Hendiger, P. Ziętek, M. Chludzińska, Wentylacja i klimatyzacja. Materiały pomocnicze do projektowania, Venture Industries, Warszawa 2009.
4. H. Recknagel, E. Sprenger, E.R. Schramek, Kompedium wiedzy. Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo, OMNI SCALA, Wrocław 2008.
5. A. Pełech, Wentylacja i klimatyzacja – podstawy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, wydanie 3, Wrocław 2010.
6. H.G. Sabiniak, M. Pietras, Klimatyzacja obiektów basenowych, Politechnika Łódzka, Łódź 2010.
7. M.M. Shah, Analytical formulas for calculating water evaporation from pools, ASHRAE, 2008.
8. Cz. Sokołowski, Wymagania sanitarno-higieniczne dla krytych pływalni, PZITS, Warszawa 1998.
 

mgr inż. Karolina Durczak
mgr inż. Kamil Saczuk
dr inż. Zenon Spik
KS-Instal Sp. z o.o.