Расчет содержания хлора в воздушной среде залов крытых аквапарков
В статье [1] сформулированы требования к чистоте и неагрессивности воздушной среды залов крытых аквапарков, которые рекомендуется применять в проектировании систем вентиляции при выделении свободного хлора с водных поверхностей бассейнов и аттракционов. Эти нормативные требования характеризуются следующими значениями концентраций хлора в залах аквапарков:
- не более 0,1 мг/м3 для воздуха «в зоне дыхания людей», соответствующих гигиеническим требованиям к чистоте воздушной среды и обеспечивающих комфортность для посетителей при длительном их пребывании в залах [2];
- не более 1,0 мг/м3 для воздуха «вне зоны дыхания людей», соответствующих допустимому уроню агрессивности воздушной среды и обеспечивающих безопасность для посетителей при продолжительности их пребывании в залах не более 8 часов [3].
В статье [1] показана также возможность применения формул, приведенных в работах [4,5], для оценки количества выделений свободного хлора в условиях залов аквапарков и использования результатов этой оценки для установления его концентраций в их воздушной среде.
В настоящее время в залах плавательных бассейнов и аквапарков получили применение следующие расчетные схемы вентиляции: проточная – для теплого периода года и приточно-рециркуляционная схема – для холодного периода года [6]. В этой связи ниже излагается методика расчета содержания хлора в воздушной среде залов аквапарков и результаты расчетов возможности обеспечения указанных допустимых уровней его концентраций для двух отличных по степени использования наружного воздуха решений их воздухоснабжения: при проточной и приточно-рециркуляционной схемах вентиляции.
Требуемый воздухообмен в залах аквапарков в указанные периоды годы устанавливается, исходя из обеспечения ассимиляции влаги, испаряющейся с водных поверхностей бассейнов и аттракционов [7], и необходимого (нормативного) для посетителей удельного расхода наружного воздуха, регламентированного действующим СанПиН [2]. Расчет же содержания хлора в воздушной среде залов, по-существу, является поверочным, задача которого заключается в проверке достаточности расчетного воздухообмена, определенного из условий удельных норм воздухоснабжения и ассимиляции испаряющейся влаги в залах, в обеспечении требуемого уровня чистоты воздушной среды.
Для определения воздухообмена Lq (м3/ч), необходимого для ассимиляции выделяющегося в зале аквапарка хлора, при проточной схеме работы системы вентиляции рекомендуется применять следующие расчетные зависимости:
|
|
; (1)
, (2)где: Gх – суммарные выделения хлора с водных поверхностей бассейнов и аттракционов, мг/ч;
Kq – коэффициент организации воздухообмена;
хр. з– допустимая концентрация хлора в воздухе рабочей зоны («в зоне дыхания людей»), которая равна 0,1 мг/м3 [2];
хпр – концентрация хлора в приточном наружном воздухе, мг/м3. В нашем случае, концентрация хлора в приточном наружном воздухе принимается хпр=0;
хух – концентрация хлора в воздухе, удаляемом из верхней зоны зала, мг/м3;
При значениях хпр=0 и хр. з=0,1 мг/м3 формулы (1) и (2) принимают следующей вид:
(3) и 
(4)
Тогда, 
(5)
Из формулы (4) следует, что коэффициент Kq выражает отношение общего количества выделений хлора в зале аквапарка к выделениям хлора, непосредственно влияющих на его концентрацию в зоне дыхания людей.
Оценка возможных значений коэффициентов организации воздухообмена Kq для залов аквапарков осуществлена на основе анализа данных, приведенных в справочнике [8]. В соответствии с этими данными на рис. 1 построены графики зависимости коэффициента Kq от величины кратности воздухообмена n в помещении и различных условий подачи приточного воздуха в рабочую зону: график 1 – подача воздуха непосредственно в рабочую зону; график 2 – подача воздуха в рабочую зону с высоты
4 метров. Указанные графики экстраполированы в пределах изменения кратности воздухообмена от 1,0 до 3,0 1/ч.
Для определения количества хлора Gх (мг/ч), выделяющегося с водных поверхностей бассейнов и аттракционов при проточной схеме работы системы вентиляции зала аквапарка рекомендуется принимать следующую формулу:
, (6)
где: а – коэффициент, зависящий от положения водной поверхности, с которой выделяется хлор. Для горизонтальных поверхностей (бассейны) – аг = 1.5, для наклонных поверхностей (искусственные волны, водные горки) –
ан = 1.875, для вертикальных поверхностей (водопады) – ав = 2,25;
F – площадь водных поверхностей, выделяющих хлор (горизонтальных - Fг, наклонных - Fн, вертикальных - Fв), м2;
Рж, Рв – парциональное давление паров хлора, соответственно, над поверхностью воды и в воздушной среде, Па. В нашем случае, значения
Рж и Рв устанавливаются по допустимым значениям концентраций хлора, соответственно в бассейновой воде 
=0,3-0,6 мг/л и в воздухе рабочей зоны («в зоне дыхания людей») 
=0,1 мг/м3;
Мв и М – молекулярная масса, соответственно, воздушной среды и хлора;
D – коэффициент диффузии хлора, м2/ч.
Согласно закону Рауля парциональное давление хлора Рж, входящего в состав смеси вода-хлор, определяется по формуле:
, (7)
где: mCl2 – объемная доля хлора в смеси вода-хлор;
Рн – давление насыщенного пара хлора при заданной температуре.
Зависимость давления насыщенного пара хлора от температуры t определяется по формуле:
, (8)
где: А, В и С – эмпирические коэффициенты, которые принимаются в соответствии с данными, приведенными в [5].
Объемная доля хлора в смеси вода-хлор определяется по формуле:
, (9)
где : 
и 
- массовая доля в смеси, соответственно, хлора и воды.
Аналогично устанавливается парциональное давление хлора Рв , входящего в состав смеси воздух-хлор.
Суммарное количество хлора, выделяющегося с горизонтальных, наклонных и вертикальных водных поверхностей бассейнов и аттракционов зала аквапарка в период рабочего дня 
(мг/ч) равно:
(10)
Суммарное количество хлора, выделяющегося с горизонтальных водных поверхностей (неукрытых) бассейнов зала аквапарка в нерабочее время 
(мг/ч) равно:
(11)
Пример 1. Определим достаточность расчетного воздухообмена в зале аквапарка L=17500 м3/ч (n=2), установленного из условий ассимиляции влаговыделений и обеспечения удельных норм воздухоснабжения, для ассимиляции хлора при работе проточной системы вентиляции при следующих условиях:
- площади водных горизонтальных (Fг), вертикальных (Fв) и наклонных (Fн) поверхностей бассейнов и аттракционов в зале аквапарка составляют, соответственно, 570, 36, 125 м2;
- допустимая концентрация хлора в воздухе рабочей зоны («в зоне дыхания людей») - =0,1 мг/м3 (Рв=0,37 Па);
- допустимая концентрация хлора в бассейновой воде - =0,3 мг/л
(Рж=0,93 Па);
- концентрация хлора в наружном приточном воздухе – хпр=0.
Решение. По формуле (6) устанавливаем выделения хлора с различных водных поверхностей в зале, которые составили:
- для горизонтальных поверхностей 
=2910 мг/ч;
- для наклонных поверхностей 
=230 мг/ч;
- для вертикальных поверхностей 
=960 мг/ч.
Суммарное количество хлора, выделяющееся со всех водных поверхностей зала аквапарка в период рабочего дня, установленное по формуле (10), составляет =4 100 мг/ч.
Используя формулы (4,5), а также данные рис. 1, определяем необходимый воздухообмен Lq в зале для условий ассимиляции выделяющегося хлора и обеспечения в воздухе рабочей зоны допустимой концентрации хлора 
=0,1 мг/м3 для двух случаев организации подачи приточного воздуха в зал:
– подача приточного воздуха непосредственно в рабочую зону (коэффициент организации воздухообмена Kq =2,4 - см. график рис. 1);
– подача приточного воздуха в рабочую зону с высоты 4 метров (Kq =1,5).
Результаты определения необходимого воздухообмена Lq в зале для ассимиляции хлора рассматриваемых случаев организации подачи приточного воздуха приведены
в табл. 1.
Таблица 1
Расчетный параметр | Организация подачи приточного воздуха | |
Непосредственно | В рабочую зону | |
Кq | 2,4 | 1,5 |
| 0,24 | 0,15 |
| 17 100 | 27 300 |
, мг/м3
, м3/чТаким образом, расчетный воздухообмен в зале L=17 500 м3/ч будет достаточен для требуемой ассимиляции хлора при условии, если будет осуществлена подача приточного воздуха непосредственно в рабочую зону («в зону дыхания людей»).
При использовании бассейновой воды с концентрацией хлора равной хж=0,6 мг/л выделения хлора в зале существенно возрастут и составят (при прочих равных условиях для рассматриваемого примера) ~ 16 200 мг/ч, а необходимое количество приточного воздуха составит 68 000 м3/ч, которое превосходит заданный расчетный воздухообмен L в 3,5 раза.
Эти результаты указывают на необходимость надежного обеспечения концентрации хлора в бассейновой воде не более хж=0,3 мг/л в течение всего периода эксплуатации зала, что является основной предпосылкой для обеспечения допустимой концентрации хлора в воздушной среде рабочей зоны зала аквапарка хв=0,1 мг/м3.
Приточно-рециркуляционная схема вентиляции в залах аквапарка может применяться с достаточно высоким значением рециркуляции внутреннего воздуха
(nр ≥ 0,5). Не останавливаясь на основных причинах применения рециркуляции воздуха в залах аквапарков, отметим, что она влияет на изменение интенсивности выделения хлора с водных поверхностей их бассейнов и аттракционов. При установившемся процессе выделения и ассимиляции хлора в зале его количество и значение концентрации хлора в воздушной среде зала можно оценить по нижеследующим формулам.
Для определения количества выделяющегося хлора в зале используем формулу (6) в следующем виде:
, (12)
где: в – комплекс параметров, имеющих постоянные значения для рассматриваемых условий;
Рж – парциональное давление хлора над водными поверхностями бассейнов и аттракционов зала, зависящее от концентрации хлора в бассейновой воде хж, постоянное значение которой обеспечивается в процессе эксплуатации аквапарка;
Рв – парциональное давление хлора в воздушной среде зала, которое стремится к определенному предельному значению в зависимости от коэффициента рециркуляции воздуха nр.
Средняя концентрация хлора в воздушной среде зала определяется по формуле:
, (13)
где: хв. – средняя концентрация хлора во всем объеме зала, мг/м3;
- концентрация хлора в подаваемом в зал приточном воздухе (в смеси наружного и рециркуляционного воздуха), мг/м3;
Lн; хн – соответственно, расход наружного воздуха (м3/ч) и содержание в нем хлора (мг/м3);
Lр; хр – соответственно, количество рециркуляционного воздуха (м3/ч) и содержание в нем хлора (мг/м3);
L= Lр + Lн – расчетный воздухообмен, м3/ч.
Принимая, 
- коэффициент рециркуляции, хн=0, хр=хв, имеем:
(14)
Подставляя значения Gх и хсм в формулу (13), получаем следующую зависимость:
(15)
Для установления значений концентрации хлора в воздушной среде зала хв представим формулу (15) в следующем виде:
(16)
Учитывая, что (1-nр)·L=Lн, имеем:
(17)
Анализ формул (15) и (16) показывает, что при условии отсутствия притока наружного воздуха и работе только рециркуляционной системы (nр=1), предельное (максимальное) значение парционального давления хлора в воздушное среде и значение парционального давления хлора у поверхности бассейновой воды будут равны: 
, а как следствие этому Gx=0.
Используя графики рис. 2, на котором представлены изменение значений парционального давления хлора в зависимости от его концентрации в воздухе зала аквапарка 
и значения парционального давления хлора у поверхности бассейновой воды в зависимости от концентрации хлора в воде 
, установлены предельные значения 
в зависимости от концентрации хлора в бассейновой воде:
- =0,084 мг/м3 при хж=0,1 мг/л;
- =0,25 мг/м3 при хж=0,3 мг/л;
- =0,50 мг/м3 при хж=0,6 мг/л
Таким образом, для условий отсутствия притока наружного воздуха только при концентрации хлора в бассейновой воде хж=0,1 мг/л в воздушной среде зала его концентрация будет меньше хв=0,1 мг/м3.
В случае приточно-рециркуляционной системы вентиляции значения парционального давления Рв ≠ Рж (Gх ≠ 0). При этом, чем меньше коэффициент рециркуляции nр, тем большее значение имеет комплекс 
и тем меньше значение Рв (хв), на которое влияет воздухообмен в зале за счет приточного наружного воздуха L н. Учитывая, что:
хв=0,27·Рв , . (18)
формулу (17) можно представить в следующем виде:
(19)
Определение значения Рв в соответствии с формулой (19) может быть осуществлено в результате его подбора. Этот расчет можно и упростить, приняв 
, что на наш взгляд допустимо (без большой погрешности) при значениях Рв равных 0,37-2,22 Па
(хв=0,1-0,6 мг/м3). Тогда:
(20)
Пример 2. Оценим значения концентраций хлора в воздушной среде зала аквапарка при различных значениях коэффициента рециркуляции nр для условий исходных данных и результатов расчета примера 1:
- расчетный воздухообмен L=17500 м3/ч;
- допустимая концентрация хлора в бассейновой воде хж=0,3 мг/л (Рж=0,93 Па);
- количество выделяющегося хлора со всех водных поверхностей зала аквапарка Gх=4100 мг/ч;
-
Решение. Расчет выполняется с использованием формул (18, 20).
При nр=0:
Lн=17 500 м3/ч; 
; хв=0,27·0,57=0,155 мг/м3
При nр=0,5:
Lн=8 750 м3/ч; 
; хв=0,27·0,69=0,185 мг/м3
При nр=1:
Lн=0 ; 
; хв=0,27·0,93=0, 25 мг/м3
Аналогичные расчеты были выполнены при концентрации хлора в бассейновой воде хж=0,6 мг/л и nр=0-1. Результаты расчетов концентрации хлора в воздушной среде залов хв в зависимости от величины рециркуляции воздуха nр и концентрации хлора в бассейновой воде хж приведены в табл. 2.
Таблица 2
Коэффициент рециркуляции nр | Концентрация хлора в воздушной среде зала х в (мг/м3) при концентрации хлора в бассейновой воде | Отношение | |
хв при nр =i | |||
хж=0,3 мг/л | хж=0,6 мг/л |
| |
1,0 | 0,25 | 0,48 | ~1,5 |
0,5 | 0,185 | 0,37 | ~1,2 |
0 | 0,155 | 0,31 | 1,0 |
хв при nр =0Из данных таблицы 2 следует, что при работе приточно-рециркуляционной системы с nр =0,5 значение концентрации хлора в воздушной среде зала возрастет не более 20% по сравнению с содержанием хлора в воздушной среде зала при проточной схеме вентиляции (nр =0).
В заключении отметим следующее:
1. Изложенная методика расчета позволяет:
- устанавливать достаточность расчетного воздухообмена L для ассимиляции выделяющегося в зале аквапарка хлора до допустимых его концентраций в воздушной среде, регламентированных действующими нормативами документами [1,2];
- определять возможность применения проточной и приточно-рециркуляционной схем вентиляции в залах аквапарков для ассимиляции выделения хлора в теплый и холодный периоды года;
- прогнозировать изменение концентрации хлора в воздушной среде залов аквапарков при изменении концентрации хлора в бассейновой воде в период рабочего дня и в нерабочее время.
2. Результаты расчетов концентраций хлора в воздушной среде залов аквапарков позволяют утверждать о возможности обеспечения:
- для проточной системы вентиляции допустимой концентрации хлора в воздухе рабочей зоны хр. з=0,1 мг/м3 при концентрации хлора в бассейновой воде не более хж=0,3 мг/л и при подаче приточного воздуха непосредственно в зону дыхания людей;
- для приточно-рециркуляционной системы вентиляции средней концентрации хлора в воздушной среде залов не более хв=0,25 мг/м3 при концентрации хлора в бассейновой воде не более хж=0,3 мг/л.
«Стройинженерсервис»;
, д. т. н., главный специалист
«Стройинженерсервис»
Литература
, Федоров к чистоте и неагрессивности воздушной среды залов крытых аквапарков. Строй ПРОФИЛЬ, № 4, 2006. СанПиН 2.1.2.1331-03. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды аквапарков. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Эльтерман химических производств. Изд. «Химия», М., 1980. Тищенко . Охрана атмосферного воздуха. Расчет содержания вредных веществ и их распределение в воздухе. Изд. «Химия», М., 1991. Кокорин системы кондиционирования воздуха. М., Физматлит, 2003. , Федоров влаги с водных поверхностей в условиях крытых аквапарков. Строй ПРОФИЛЬ, № 7, 2004. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2. М., Стройиздат, 1992.