|  |  | ||||
 | | |
Párolgás fürdőzők nélküli szabadtéri úszómedencéből, mérés és elemzés.
KIVONAT A párolgási sebesség és teljes energia igény vizsgálatára egy Fort Collinsbeli ( Colorado ), nem használt, kültéri, fűtött medence esetében került sor. 1992 augusztusa és szeptembere során 21 alkalommal, 1.1 és 16.2 óra közti hosszúságú teszt periódusok során mérték a medence és a levegő hőmérsékletét, páratartalmat, hősugárzást, szélsebességet, és a párolgásból adódó vízveszteséget. Az adatok elemzésre és összehasonlításra kerültek általánosan használt párolgási sebesség egyenletekkel, melyek legjellegzetesebbje az ASHRAE Alkalmazások Kézikönyvében szereplő egyenlet. A mért párolgás szélcsendben az ASHRAE szerint számított értéknek 72 százaléka, míg 8 km/h szélsebességnél
az ASHRAE érték 84 százaléka volt. Kidolgozásra került az ASHRAE egyenlet egy
módosított változata az alábbiak szerint:
Két éjszakai teszt szerint az energiaveszteség 56 százaléka párolgás, 26 százaléka hősugárzás, és 18 százaléka hővezetés miatt következett be. A sugárzási veszteség és a hőmérséklet kapcsolatát szintén sikerült megállapítani a teszt körülmények tartományára. 1. BEVEZETÉS Az Egyesült Államokban több mint 5.9 millió fűtött úszómedence és fürdő van1, melyek évi több milliárd dollárnyi energiát használnak el. Emiatt a jelentős energia felhasználás miatt, az USA Energia Hivatala ( U.S. Department of Energy ) ( DOE ) nemzeti kampányt indított útnak az uszodák energia költségének csökkentése végett ( Reduce Swimming Pool Energy Costs ), ( röviden: RSPEC ). Információval és az úszómedence tulajdonosok részére történő technológia átadással támogatnak piackész energia hatékonysági és megújuló energiát hasznosító termékeket, mint a medence takarók, napeneriás melegvíz rendszerek és szélárnyékolók. Az úszómedence tulajdonosoknak megfelelő információval kell rendelkezniük a lehetséges energiahatékonysági befektetés gazdaságosságáról. Ez pontos mérnöki eljárásokat követel meg a medencék energiafogyasztásának az alkalmazás előtti és utáni számítására. A medencék energia veszteségének fő oka a párolgás, tehát ennek előrejelzése különösen fontos. Az energia elemzők olyan eljárásokra támaszkodnak melyeket a műszaki irodalom bemutat, mint például az Amerilai Fűtő- Hűtő- és Légkondicionáló Mérnökök Társaságának ( American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers ),( röviden: ASHRAE ) kézikönyvei. Mindazonáltal a különböző párolgási sebesség egyenletek eredményei között jelentős eltérés mutatkozik, ha ezeket úszómedencékre alkalmazzák. A párolgási sebesség számítások különbözösége elsősorban a közvetlen vízveszteség méréseken alapuló jó kisérleti eredmények hiányának tudható be. Ezért a DOE támogatott egy tesztsorozatot melynek célja az úszómedencék párolgásának és teljes energia veszteségének mérése volt. A teszteket a Colorado Állami Egyetem Napenergia Alkalmazások Laboratóriuma vezette. A háttér, az eljárások és a nyugodt kültéri medencén végzett tesztek eredményei következnek. 2. HÁTTÉR Több kutató is végzett ellenőrzött laboratóriumi körülmények között párolgás méréseket szélcsatornában elhelyezett tálcákon és kis tartályokon2,3. Tavak és víztározók párolgásának mérésére is sor került, hogy becsülni tudják az öntözőrendszerek használóinak veszteségeit3,4. Ezek némi a medencékre is alkalmazható információval szolgálnak. Mindazonáltal a víztest geometriája és a környezet különbözött az úszómedencékétől, és ezek fűtetlenek voltak. További adalék, hogy a mérések pontossága limitált volt. A már több éve széles körben alkalmazott ASHRAE Kézikönyv5, tartalmaz egy a párolgási sebesség meghatározására szolgáló párolgási kísérleteken, elsősorban azokon, melyeket Carrier2 végzett, alapuló egyenletet, ami a következő alakú:
Az ASHRAE párolgási egyenletek alkalmazása nyugodt és aktívan használt uszodákra, német kutatások alapján, megkérdőjeleződött6,7,8. Ezek a jelentések a légpárátlanító berendezésekből származó kondenzvíz mennyiségét jelenítik meg az uszoda vízhőmérsékletéhez és a medence fölötti levegő hőmérsékletéhez tartozó páranyomás különbség függvényében ( hasonlóan az ASHRAE egyenlethez ). Ezek szerint a csendes medence párolgási sebessége az ASHRAE számított értéknek körülbelül a fele. A megállapítással kapcsolatban azonban két kétely is felmerül: egyrészt nem biztos, hogy a párátlanítóból begyűjtött kondenzátum a medence párolgásának teljes mennyiségét képviseli, másrészt az egyenletet különböző együtthatókkal használták. A papírok közül kettő, az ASHRAE egyenletben szereplőknél 21 százalékkal magasabb értékeket alkalmaz. Beltéri nyugodt medencén folytak párolgási tesztek 1992 áprilisában a Coloradoi Állami Egyetemen ( Colorado State University ) ( CSU )9. A párolgási sebesség a 11 órás vagy hosszabb ellenőrzött körülmények közti időtartam alatt az ASHRAE által előrejelzett érték 74 százalékára adódott. Kültéri medencék energia becslései rendelkezésre álltak Floridából10 és Svájcból11 is, azonban csak kevés mért értékre támaszkodtak. Ezen tanulmányok a medencék teljes energia felvételét vették alapul és megkísérelték kielemezni, hogyan lehet ezt felosztani hőátadási elméletek segítségével. A kültéri medencék nagyobb párolgással, sugárzással és hővezetéssel rendelkeznek mint az a beltéri medencéknél jelentkezik. Lényeges külöbséget okoz a szél, vagyis a légsebesség, mint ahogy az az ASHRAE/Carrier egyenlet ( A + B x V ) összetevőjéből is megfigyelhető. Rohwer és mások is laboratóriumi mérésekből származtattak egy szélsebesség együtthatót ( B ). Az 1.ábra grafikusan szemlélteti a szél várt hatását a párolgásra, hat forrás szerint. Még ha csak a legkisebb szél együtthatókat vesszük is számításba ( a leglaposabb egyenes az 1.ábrán ), nyilvánvaló, hogy a párolgás normál szélerősségek esetén többszöröse az álló levegőben tapasztalhatónak.
3. KÜLTÉRI USZODAI KÍSÉRLETEK A CSU tanulmány első ízben próbált meg pontos közvetlen vízveszteség, páranyomás különbség, szélsebesség méréseken alapuló párolgási sebesség előrejelzési eljárást kidolgozni szabadtéri úszómedencék esetében. 3.1 A teszt helyszine Egy szomszédos 383 m2 összfelülettű és 545 m3 térfogattú úszómedence került tanulmányozásra. Az épületek, fák és kerítések 6 méterre vagy távolabb helyezkedtek el, így a medence megfelelően ki volt téve a szél és a napsugárzás hatásának. Ezen kívűl a nedence majdnem teljes sugárzása az égbolt felé mutatott. A medence vizét hagyományos módon forgatták homokszűrőn, klórozón és a fűtés miatt gáz tüzelésű melegítőn keresztül. A vízet a medencéből visszatérő vízvezetékben elhelyezett termosztáttal 28.9oC hőmérsékleten tartották. A földgáz számlák adatai alapján a medence energia felvétele közelítőleg napi 98 ezer MJ volt takarás nélkül és napi 67 ezer MJ mikor éjszakánként közel 12 órára takarták azt. 3.2 Eljárások A levegő és a víz állapotát 6 perces időközönként adatgyüjtő egység ellenőrizte és továbbította egy desk-top számítógéphez. A számítógép valós idejű előrejelzést adott az ASHRAE egyenlet alapján várható tömeg elpárolgásról és az ehhez tartozó uszoda vízszint sűlyedésről. Az uszoda víz hőmérsékletét és a levegő hőmérsékletét T-típusú ( réz-konstantán ) heggesztett kapcsolatú hőszondák mérték. A hőszondák együttfutása 0.27 oC volt egy pontos tudományos, üvegcsöves higanyhőmérőhöz képest, és 0.11 oC egymáshoz képest. Ez a pontosság magában foglalta az elektromos jelkezelést is és megismételhető volt a tesztsorozat alatt. A medence vizének hőmérsékletét szerte a medencében naponta többször mérték. A hőmérséklet ingadozást nem mutatott. A légnedvességet a harmatpont hőmérsékletéből határozták meg, amit EG&G Model 660 típusú harmatpont nedvességmérővel mértek. Ezt a műszert tesztelés előtt +/- 0.2 oC pontossággal kalibrálták egy másodlagos harmatpont hőmérsékleti etalonhoz. A léghőmérséklet és a harmatpont hőmérséklet mérésének halmozott pontatlansága közel egyenértékű a relatív páratartalom +/- 1.5 százalék pontosságú mérésével. A vízfelületről elpárolgó tömegáram közvetlenül gyakorlatilag nem mérhető. Meghatározni a szóban forgó teszt időszak alatti folyadék veszteség mérésével kell. Kültéri medencéknél tipikus körülmények esetében a párolgási sebesség 0.5 kg / óra·m2 értékben várható a vízfelületre vonatkoztatva. Ekkor a medence vízszintje közelítőleg 0.5 mm / órával fog csökkenni. Megfelelő készülékkel vízszint +/- 0.025 mm pontossággal mérhető, így a vízszint mérése egy négyórás időszak alatt három százalékon belüli pontosságot eredményez. A medence vízkörének feltöltése és leengedése a tesztidőszak alatt szünetelt. A medence vízszintjét a medence oldalához mereven rögzített microtector szintadóval határozták meg. Ez a szintadó pontos beállítási lehetőséggel rendelkezik és a vízfelszinnel való elektromos kapcsolatot érzékeli. A szint mérések kivitelezése egy a víz felszin alá merített kútban történt, melyet a hullámmozgás elnyomására terveztek. A szélsebesség adatot a medence sarkánál 30 centiméterrel a vízfelszin felett elhelyezett forgó, csészés légmozgásmérő szolgáltatta. Két sugárzás érzékelő; egy Eppley nap hősugárzásmérő, és egy összes sugárzásmérő került elhelyezésre kitolható karon a medence fölött. A sugárzási veszteség az összes sugárzás és a beeső napsugárzás különbségeként lett számítva. 3.3 A kültéri medence tesztelési körlülményei Nincs gyakorlati mód egy kültéri medence körülményeinek olyan befolyásolására, hogy egyetlen paraméter, mint a szél, legyen vizsgálható. Következésképp számos megfigyelést rögzítettek és dolgoztak fel táblázatosan, az érdekes adatok megjelenítése végett. Ennek a megközelítésnek a megbízhatóságát a minél több megfigyelés nyilván növeli. A lehetséges megfigyelések számát tekintve határt szabott a rendelkezésre álló technikához képest viszonylag lassú elpárolgási vízveszteség, továbbá, hogy a tesztelésre rendelkezésre álló idő nem volt több mint 15 nap. A tesztek többségére éjszaka került sor, mivel ekkor a medence nem volt használva, és a légköri viszonyok is állandóbbak voltak mint nappal. Az éjszakai tesztelés a teljes energia leadás mérések pontosságát is javította, a nap sugárzásának elkerülésével. A megkívánt tesztperiódusok három órásak vagy hosszabbak voltak. A szél sosem volt állandó 3 órán keresztül, viszont a kiadódó átlagok ritkán haladták meg a 3.2 km / óra értéket. Mivel a korábbi párolgási egyenletek szél függősége lineáris volt, ezért úgy tünt, hogy a szélsebesség tényező meghatározásához az egyszerű átlagolás megfelelő. Mindazonáltal magasabb szélsebességeknél felvett pontok az eredmények megbízhatóságát fokozzák. Ezért a vízveszteség mérésére nagyobb pontosságú eljárást kellett keresni a tesztekhez szükséges időtartamok csökkentése végett. 3.4 Párologtató serpenyős mérések A tesztsorozat közepén lebegő párologtató serpenyők kerültek bevezetésre, hogy lehetőség legyen rövidtávú párolgási mérésekre. Két lapos 21 cm átmérőjűt aluminium serpenyő került rögzítésre kötél és horgony segítségével a medence szélétől 3 méter távolságban. A serpenyőkből elpárolgott víz mennyisége pontoson meghatározható volt helyben a medencénél a víznek egy kalibrált hengeres mérőedénybe történő áttöltésével. A tipikusan 50 milliliteres vízveszteség +/- 1 milliliteres pontossággal mérhető volt ami 2 százalékos pontosságot jelen. A serpenyő vékony aluminium fala hőmérséklet egyenlőséget biztosított a tartalom és az uszoda vize között. A serpenyős méréseknek a vízszint mérésekhez történő négyzetes középértékes összehasonlítása 1.04 -es meredekséget mutatott, ami azt jelenti, hogy a serpenyős párolgás 4 százalékkal magasabb volt mint a menedcéé. A kismértékű eltérés oka nem volt ismeretes, azonban kellően ismétlődő volt ahhoz, hogy a serpenyős párolgási adatokat használják rövid távú tesztekhez, a 4 százalékos korrekció alkalmazásával. 3.5 Párolgási eredmények A huszonegy párolgási tesztkörülmény megfelelően megbízható eredményt szolgáltatott. A tesztidőszakok hossza 1.1 óra és 16.2 óra között változott; az eredmények az összehasonlíthatóság végett egy órára átszámítva kerülnek bemutatásra. A nagy szélerősségek alatti rövid mérések párolgási vízveszteség értékei a kétserpenyős mérésekből származnak. A kültéri tesztek során a szélsebesség 0.5 km / óra és 11.5 km / óra között változott. Mivel nincs gyakorlati mód akár a szél vagy a páranyomás különbség kültéri körülmények közti befolyásolására, ezért a tesztpontok ezekre a paraméterekre nézve többváltozósak. Hogy a párolgást a szélsebesség függvényében lehessen kifejezni, a párolgási egyenlet a következő alakba rendezhető át:
A 2. ábrán látható az egységnyi páranyomás különbségre eső párolgási sebességet a szélsebesség függvényében megjelenítő teszt pontokra illeszkedő egyenes. A 2. ábra bemutatja a két leginkább alkalmazható hivatkozással történő összehasonlítást; az ASHRAE/Carrier és a Rohwer félét is. A teszt eredmények alapján az "A" együttható egyenlő 1.7538 -al és "B" egyenlő 0.510 -el; azaz az egyenlet az ASHRAE alakban:
vagy:
A 2. ábrán feltüntetésre került a korábbi beltéri tesztek során tapasztalt párolgási sebesség is9: 0.102 kg / ( óra·m2·kPa ), 0.1 km / óra "szél-" sebességnél. Ez közel azonos a kültéri tesztek 0.101 kg / ( óra·m2·kPa ), értkével 0.1 km / óra szélsebességnél. A 3. ábra a szél hatását mutatja be a párolgásra, amint az az előző egyenletből ( V mérföld / órában ) több, de egyenesenként azonos páranyomás különbségre meghatározható. Az ábrán feltüntetett páranyomás értékek egyedileg lettek kiválasztva. A szemléltetés ezen formájának célja, hogy kiemelje a szél viszonylagos fontosságát különböző éghajlatok esetén, vagy például melegvizű fürdőknél.
3.6 Hősugárzás mérés A medence felszine által kibocsátott hosszú hullámú sugárzást 6 percenként rögzítették, kivonva a rövidhullámú napsugárzást az összes sugárzásból. A tesztek többségét nulla közeli napsugárzás mellett végezték. A medence vízfelszinéről a látómező majdnem teljesen az égbolt volt. Ezért a medence felszinéről a sugárzási hőveszteséget leíró egyenlet:
Az égbolt hőmérséklete ( Tégbolt ) változó: forró párás feltételek esetén közelítőleg 10 oC -al, míg száraz hideg éghajlaton 30 oC -al a környezeti hőmérséklet alatt van12. Egy adott klimatikus térségre közelítő lineáris kapcsolat létezik a léghőmérséklettel:
Az ezekben a tesztekben tapasztalt hőmérséklet különbségek tartományán ( közelítőleg 5.1 - 16.7 oC ), a sugárzási hőveszteség a következő lineáris kapcsolatra illeszkedett: Qr = 25.1+34 x (Tvíz - Tlég) Az adatok szórása azt sugallta, hogy ez a kapcsolat 10 százalékon belüli pontosságú. A helyszini körülmények viszonylag alacsony páratartalmúak voltak tiszta égbolttal, ami által magasabb sugárzási energia veszteséget mutathatnak mint az amerikai (USA) átlag. 3.7 Teljes energiaveszteség A teljes energia veszteség mérésére két alkalommal, a medence szezonvégi, Szeptember 8., bezárása utáni folyamatos lehülése alatt került sor. Ezen körülmények között a párolgás, sugárzás, és hővezetés összesített vesztesége egyenlő volt a megfigyelési időszak alatt a medence vizének energia tartalmában bekövetkezett változással. Ezeket a méréseket éjszaka végezték, mentesen a beeső napsugárzástól. A párolgást és a sugárzást a korábban részletezett módszerekkel határozták meg. A teljes energiaveszteség a fűtés nélkül a medence hőmérsékletében bekövetkező változásból adódott. A hővezetési veszteséget ezen értékek különbsége adta. Az energia veszteség 56 százalékban a párolgásból, 26 százalékban a hősugárzásból, és 18 százalékban a hővezetésből származott. 4. ÖSSZEFOGLALÁS A párolgás sebessége, emberek nélküli kültéri úszómedencénél 16 ... 28 százalékkal alacsonyabb volt mint azt az ASHRAE egyenlet előrejelezte. 21 szorosan ellenőrzött teszt során, 28.9 oC medence hőmérsékletnél, 14.4 oC és 27.8 oC léghőmérsélet mellett, 27 % és 65 % közötti relatív páratartalommal a párolgási sebesség az ASHRAE érték 76 százaléka volt szél nélküli körülményeknél, és az ASHRAE érték 85 százaléka 8 km / órás szélsebességnél. A teszt adatokra illesztett egyenes, az ASHRAE alakban levő, de módosított együtthatókkal rendelkező egyenletet eredményez:
Ez az kapcsolat jól egyezik a korábban beltéri elfoglalatlan medencékre kapott ereményekkel. A sugárzási veszteség a párolgás miatt bekövetkezőnek közelítőleg a fele volt. A medence felületének sugárzási veszteségének valamint a medence és a levegő hőmérséklet különbségének korrelációját, a tesztkörlülmények tartományára sikerült kimutatni. A hővezetésből származó veszteség a teljes veszteség közelítőleg 18 százaléka volt. 5. ELISMERÉSEK Ezen feladat sikeréhez több személy technikai és adminisztratív közreműködése szükségeltetett. Köztük Randy Martin-é, és Sigrid Higdon-é az Egyesült Államok Energia Hivatalának Denveri Területi Hivatalából, Craig Christensen-é a Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriumból, és R. Norman Orava-é az Egyesült Nyugati Egyetemekről. 6. HIVATKOZÁSOK
1 "Swimming Pool and Spa Industry Market Reports", National Spa and Pool
Institute, 1987 and 1988. | |||
|
| ||||||
1
2
3
4
5
6
7
8