استخرهاي بي انتها، راهكاري جديد جهت كاهش مصرف آب و انرژي در استخرهاي شنا
چکيده
به دلیل مسائل پیرامونی انسان شهر نشین، بیماریهای روحی و افسردگی روز به روز در حال افزایش می باشد. ورزشهای آبی مانند شنا می تواند بخشی از آرامش از دست رفته را به انسان برگرداند. امروزه برخی از مردم اقدام به احداث استخرهای شنای خصوصی در فضای زندگی خود نموده اند. اما اکثر این استخرها به دلیل عدم وجود فضای کافی، کوچک و در عمل قابل شنا کردن نیستند. از طرفی مصرف انرژی و آب این استخرها قابل تامل می باشد. این مقاله به بررسی یک نمونه استخر معمول و یک استخر نمونه از سری"استخرهای بی انتها" خواهد پرداخت، در این استخرها که فضای بسیار اندکی را اشغال می کنند، می توان ساعتها بدون محدودیت شنا کرد بدون آنکه به انتهای آن رسید. طی بررسی هزینه های احداث، انرژی و نگهداری یک استخر معمول به مساحت M2 24 و یک نمونه استخر بی انتها به مساحت M2 8.8 در این مقاله مشخص شد، اختلاف قیمت احداث استخر بی انتها که حدود 4 میلیون تومان می باشد، بعد از گذشت حدود 10 سال به دلیل کاهش مصرف انرژی (مجموع برق ، گاز) و آب به ترتیب به میزان 57 و 290 درصد در سال، سرمایه اولیه باز خواهد گشت. تنها صرفه جویی آب صورت گرفته معادل مصرف آب بهداشتی حدود 5 واحد آپارتمای در ماه می باشد. لذا با توجه به کوچک بودن، کم مصرف بودن و کارا بودن این استخرها می توان با حمایت دولت این ورزش سالم را گسترش داد.
انرژی ، یک کلمه ی آشنا که با بهینه سازی و صرفه جویی همیشه در زندگی جوامع بشری ایفای نقش دارد. شاید این روزها مکرر بحث بحران انرژی را از زوایای مختلف شنیده باشید. آمارهایی چون صندوق بین المللی پول که اعلام می دارد ایران دومین کشور جهان از نظر پرداخت یارانه انرژی با رقم 37 میلیارد دلار است چرا که مصرف سرانه انرژی در کشور برای هر نفر بیش از پنج برابر مصرف سرانه اندونزی و دو برابر کشور چین با جمعیتی بالغ بر یک میلیارد و سیصد میلیون نفر جمعیت است.
در کشور ما بحث يارانه بازار گرمی را به خود اختصاص داده به طوری که در ايران متوسط نرخ يارانه اختصاص داده شده به فرآورده های نفتی 3/83 درصد و گاز طبيعی 8/77 درصد بوده است که اين حالت به لحاظ اقتصادی نا مطلوب بوده و امکان توسعه صنعتی را ميسر نخواهد ساخت{1}.
و اما آب شاید بتوان گفت همانگونه که به قول قدیمی ها وقت طلاست (یعنی غیر قابل بازگشت)
آب نیز چنین می باشد. بشر سالیان سال است که بدون داشتن نفت، گاز، بخاری و رادیاتور و ...، زنده مانده است و زندگی کرده است. اما آیا بدون آب نیز خواهد توانست؟ بنابر این شاید بتوان گفت به دلیل اهمیت آن و همچنین با توجه به اینکه کشور ما در کمربند خشک جهان قرارگرفته و میزان بارندگی آن یک سوم متوسط جهانی است و از طرفی میزان سرانه مصرف آب کشورهای اروپایی 120 تا 125 لیتر است در حالی که میزان مصرف سرانه آب هر فرد در کشورمان بیش از 150 لیتر می باشد، نیاز به توجه ویژه و کاربردی در این زمینه می باشد {2}.
اکثر افراد و متخصصان جامعه بنا بر منطق اولویت مصرف کنندگان کلان آب بهداشتی و تصفیه شده مانند دوش حمام، فلاش تانک یا فلاش والوها و سرویسهای عمومی به این واحدها توجه ویژه ای دارند. اما در اطراف ما مصارف قابل توجه ای نیز وجود دارد مانند؛ استخرهای شنا که اکثریت خصوصی می باشد و از آنها غافل می باشیم.
تنها پر کردن و جبران آب تبخیر شده یک استخر معمول در طول سال حدود 150 متر مکعب آب شرب را می بلعد که این مقدار حدودا معادل مصرف 5 واحد آپارتمانی در یک ماه می باشد.
به جز مصرف شرب ، آب ، راحت ترين و ارزان ترين وسيله اي است که ورزشکاران و مردم براي رفع خستگي، کسالت و به دست آوردن آرامش و راحتي از آن استفاده مي کنند، با تمام مزايا در مورد آب درماني، بايد گفت: "با شناخت و آگاهي از تاثيرات فيزيولوژيکي و درماني آب، به آساني و راحتي مي توان از آن استفاده کرد. "هيدروتراپي" به معناي آب درماني در گذشته توسط ايراني ها، مصري ها، يوناني ها و ژاپني ها، با توجه به خواص درماني آب، به فراواني مورد استفاده قرار مي گرفت. به همین دلیل امروزه نیز افراد زیادی تمایل به احداث استخرهای خصوصی که در اکثر مواقع به دلیل کوچک بودن ابعاد آن در عمل، قابل شنا کردن هم نمی باشند تشویق خواهند شد. لذا در این مقاله جهت ایجاد امکان شنا کردن و در عین حال با صرفه بودن، نوعی استخر به نام استخر بی انتها مورد بررسی و آنالیز قرار گرفته است که با استفاده از آن مزایایی چون؛ ابعاد کوچک و قابل نصب در کمترین فضا حدود 9 متر مربع، حجم آبگیری کم حدود 11 متر مکعب، کاهش مصرف انرژی و در نهایت کاهش مصرف آب را خواهد داشت.
در ادامه سعی شده است پس از معرفی این استخرها، به بررسی و مقایسه استخر های معمول و بی انتها پرداخته شود.
آنالیز مصرف انرژی حرارتی، برق و مصرف آب و همچنین هزینه های ساخت، اهم از ابنیه و تاسیسات بخشهایی از این مقاله می باشد.
2- معرفي استخرهاي بي انتها
استخرهای بی انتها نسل جدیدی از استخرها هستند که با وجود این استخرها دیگر نیازی به رفتن به مسیرهای دور و استخرهای شلوغ نیست، چرا که این امکان را فراهم می آورند که بتوان در هرمکان و هر زمانی به شنا و تمرین پرداخت و از مزایای تمرینات شنا برای سلامتی بهره برد. این نوع استخرها فضای کمی را اشغال میکنند، به راحتی قابل نصب هستند و می توان آنها را در داخل یا خارج از ساختمان نصب کرد. همچنین تعمیرات و نگهداری آنها بسیار ساده می باشد و نیاز به تجهیزات و تخصص خاصی نیست. از لحاظ ظاهری این استخرها بسیار زیبا هستند و می توان آنها را در هر محیطی به نمایش گذاشت. از دیگر خصوصیات شایان توجه این استخرها مصرف كم منابع و انرژی در مقایسه با انواع معمول می باشد.
شرح كار سيستم اين استخرها بسيار ساده است، جريان مخالف ايجاد شده توسط پمپ مخصوص اين استخرها يك جريان رودخانه اي را ايجاد خواهد كرد كه اين جريان باعث خنثي كردن نيروي جلو رونده ي شناگر مي شود. يعني با تنظيم شدت جريان آب توسط تغيير توان پمپ مي توان شنا كرد بدون اينكه به انتهاي استخر برسيد.
قلب این استخر یک موتور هیدرولیک آبی کوچک اما قدرتمند است که یک پره 16 اینچی را که جلوی استخر قرار گرفته به حرکت در می آورد. این پره آب را در درون 2 گریل که جریان را هموار و مستقیم می سازد، فشار می دهد. این جریان کاملاً متفاوت و قابل کنترل است. در پشت استخر، جریان وارد یک صفحه توری شکل بزرگ می شود و از طریق کانالهای اطراف استخر به سمت جلو استخر به حرکت در می آید. به دلیل اینکه آب از طریق کانالهای اطراف باز می گردد، فشار آب شکسته شده و جریان متلاطم نخواهد شد{3}.
- معادلات حاکم
1-3- محاسبه ي ميزان انرژي مورد نياز جهت گرم كردن آب استخر در زمان راه اندازي
Q: ميزان انرژی مورد نياز در زمان پيش راه اندازي برحسب(Kcal/hr)
ρ: جرم حجمي آب برحسب(Kg/M³)
:C گرماي ويژه آب برحسب (Kcal/Kg)
:v حجم آب استخر برحسب (( M³
: اختلاف دماي آب استخر به دماي آب اوليه يا پركن استخر برحسب
:T مدت زمان پيش گرمايش يا راه اندازي استخر بر حسب (ساعت در روز)
2-3- محاسبه نرخ تبخير سطحی
برای به دست آوردن مقدار نرخ تبخير می توان از معادله ي زير استفاده کرد[1] {4}.
که در آن:
اگر اختلاف چگالی کمتر از 00125/0 باشد 333=K
اگر اختلاف چگالی بيشتر از 00125/0 باشد 290=K
: نرخ تبخير آب از سطح استخر بر حسب Lbm/hr
A: مساحت استخر Ft²
: چگالی هوای اشباع در دمای سطح آب بر حسب Lbm/ft³
: نسبت رطوبت هوای اشباع در دمای سطح آب بر حسب Lbv/ Lba
: چگالی هوای سالن استخر بر حسب Lbm/ft³
: نسبت رطوبت هوای سالن استخر بر حسب Lbv/ Lba
و معادله زير جهت بدست آوردن رطوبت نسبی می باشد.
که در آن: فشار جزئی بخار آب در رطوبت و دمای طرح و فشار جزئی هوا در رطوبت صفر درصد بر حسب Lbm/ft² می باشد.
3-3- محاسبه ميزان اتلاف انرژی از طريق تبخير سطحی
با استفاده از معادله (1) و با معلوم بودن آنتالپی تبخير در دمای مورد نظر طرح و جايگذاری در معادله زير ميزان اتلاف انرژی بدست می آيد{5}.
که در آن:
Qاتلاف حرارت بر حسب Btu/hr))
نرخ تبخير (Lbm/hr) و
آنتالپی نهان تبخير بر حسبBtu/Lbv))است.
4- محاسبه و بررسي مصرف آب، انرژي و هزينه هاي احداث يك استخر معمول در يك واحد مسكوني
يك استخر نمونه ي بتني واقع در زيرزمين يك منزل مسكوني به شكل و ابعاد زيررا مورد آناليز و بررسي قرار داده كه در ادامه نتايج آن ارائه مي گردد. (شکل شماره 2)
1 - برای جلوگيری از ايجاد خطا در انجام محاسبات، از تبديل واحد انگليسی به SI در معادلات خودداری شده و معادلات طبق استاندارد مراجع ارائه شده اند. پس از انجام محاسبات، تبديل واحد به SI در مورد نتايج صورت پذيرفته و در نمودارها ارائه گرديده است.
1-4- محاسبه حجم آب استخر
برای انجام محاسبات انرژي مورد نياز جهت گرمايش آب استخر و انتخاب تجهيزات استخر قبل از هر چيز حجم آب استخر را بايد محاسبه گردد. پس از انجام محاسبه جهت استخرنمونه با ابعاد ذكر شده در شكل 2 مساحتي بالغ بر 24 متر مربع و حجمي معادل 35 متر مكعب به دست مي آيد.
نكته: به دليل شيب كف استخر بهتر است ارتفاع ميانگين در نظر گرفته شود.
2-4- محاسبه ميزان انرژي پيش راه اندازي استخر
پس از مشخص شدن حجم آب استخر مي توان بر اساس معادله شماره (1) و با در نظر گرفتن زمان پيش راه اندازي 20 ساعت و همچنين دماي اوليه و نهايي آب به ترتيب 10 و 27 درجه سانتي گراد، انرژي مورد نياز جهت گرم كردن آب استخر را در مدت زمان قيد شده محاسبه نمود.
اين مقداربا توجه به شرايط فوق، معادل (Kcal/hr) 30،000 = خواهد بود.
3-4- محاسبه ميزان اتلاف انرژي بر اثرتبخير سطحي آب استخر
اتلاف انرژي بر اثر تبخير از سطح استخرها حدود 70 درصد از كل اتلافات انرژي استخرها را شامل مي شود كه مي بايست اين نرخ را محاسبه و جهت جبران آن میزان انرژي حرارتي مورد نيازش را نيز بدست آورد. جهت اين منظور از معادله شماره (2) استفاده كرده كه مقادير نرخ تبخير و انرژي مورد نياز آن به ترتيب عبارت اند از:
4-4- محاسبه ميزان انرژي كل مورد نياز جهت گرمايش آب استخر
با جمع انرژي پيش راه اندازي و جبران اتلاف تبخير آب استخر، ميزان كل انرژي مورد نياز به دست خواهد آمد.
5-4- محاسبه دبي گردشي آب استخر و افت فشار پمپ
از آنجايي كه ايده آل ترين زمان گردش و تصفيه آب استخرهاي خصوصي 3 مرتبه در روز مي باشد، بنا براين براي بدست آوردن دبي پمپ بايستي حجم آب استخر را بر 8 ساعت بخش كرد. اين ميزان براي استخر مورد نظر حدود 4.3 يا gpm 22 مي باشد. جهت محاسبه افت فشار پمپ بايستي افت مسير لوله كشي، اتصالات، فيلتر و مبدل را با يكديگر جمع نمود كه اين مقدار براي استخر مورد نظر حدود ft 52 محاسبه شده است.
6-4- محاسبه سطح فيلتر مورد نياز
سطح مورد نياز فيلتر بر اساس با تقسيم نرخ جريان پمپ استخر ((gpm به نرخ فيلتراسيون ( ) بدست مي آيد.
7-4- محاسبه مصرف انرژي حرارتي و گاز طبيعي در سال
محاسبات را با فرض 3 مرتبه استفاده از استخر در طول هفته و يا حدود 2800 ساعت در طول سال پيش خواهيم برد.
با توجه به زمان استفاده از استخر در طول سال و قيمت هر متر مكعب گازطبيعي با فرض 700 ريال (بدون اختصاص يارانه) پس از انجام محاسبات عدد 9،429 جهت گاز طبيعي با هزينه اي بالغ بر6،600،000 ريال در سال به دست خواهد آمد.
8-4- محاسبه مصرف انرژي برق در سال
برق مصرفی پمپ مخصوص استخر بی انتها حدود 3.5 می باشد . محاسبات میزان مصرف برق این پمپ در یک سال را با فرض 3 مرتبه استفاده از استخر در طول هفته و 5 ساعت در هر روز انجام خواهیم داد.
با توجه به زمان استفاده از استخر در طول سال و قيمت هر متر کیلو وات بر ساعت برق با فرض 600 ريال (بدون اختصاص يارانه) پس از انجام محاسبات عدد 2،520 جهت برق با هزينه اي بالغ بر1،512،000ريال در سال به دست خواهد آمد.
از طرف دیگر به دلیل پايین بودن دبی گردشی آب استخر بی انتها در مقایسه با استخر معمول قدرت پمپ استخر بی انتها نیز کمتر خواهد بود. لذا بر این اساس می توان با انتخاب یک پمپHP 4/3 به جای پمپ HP1 و بر طبق زمان استفاده از استخر و تصفیه 24 ساعته، حدود 644 معادل 386،000 ریال هزینه ی برق مصرفی پمپ را در مدت زمان یک سال کاهش داد.
با تفریق برق مصرفی پمپ استخر بی انتها و میزان اختلاف برق مصرفی پمپ استخر معمول نسبت به استخر بی انتها چیزی نزدیک به 1،870 در سال، استخر بی انتها بیشتر برق مصرف خواهد کرد.
9-4- آنالیز هزینه ی ساخت و بهره برداری استخر به روش معمول
هزینه هایی شامل: ابنیه، تاسیسات مکانیکی و برقی و همچنین هزینه ی مصرف سوخت سالیانه، محاسبه و در جدول شماره (4) که به پیوست می باشد، مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه خلاصه ای از شرح هزینه ها در جدول شماره (1) ارائه گردیده است.
جدول شماره 1- شرح خلاصه هزينه هاي ساخت و بهره برداری از استخر معمول مورد نظر
5- محاسبه و بررسي مصرف آب، انرژي و هزينه هاي احداث يك استخر بي انتها در يك واحد مسكوني
در اين قسمت به صورت فرضي يك استخر نمونه از نوع استخرهاي بي انتهاي بتني واقع در يك منزل مسكوني به شكل و ابعاد زيررا مورد آناليز و بررسي قرار داده كه در ادامه نتايج آن ارائه مي گردد.
1-5- محاسبه حجم آب استخر
با توجه به استخرنمونه با ابعاد ذكر شده در شكل (3) مساحتي بالغ بر 8.8 متر مربع و حجمي معادل 11.5 متر مكعب به دست مي آيد.
نكته: كف استخرهاي بي انتها بدون شيب مي باشد.
با توجه به تشابه مراحل محاسبه، در جدول شماره (2) نتایج محاسبات مر بوط به استخر بی انتها آورده شده است.
2-5- آنالیز هزینه ی ساخت و بهره برداری استخر بی انتها
هزینه هایی شامل: ابنیه، تاسیسات مکانیکی و برقی و همچنین هزینه ی مصرف سوخت سالیانه، محاسبه و در جدول شماره (4) مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه خلاصه ای از شرح هزینه ها در جدول شماره (3) ارائه گردیده است.
جدول شماره (3) شرح خلاصه هزينه هاي ساخت و بهره برداری از استخر بی انتها ی مورد نظر
6- محاسبه ی صرفه اقتصادی و باز گشت سرمايه استخرهاي بي انتها در مقايسه با استخرهاي معمول
حتی با وجود اینکه فواید استفاده از استخرهای بی انتها در مقایسه با استخرهای معمول که با ابعاد کوچک و بدون کارایی لازم احداث می شوند قابل توجه می باشد اما از نظر اقتصادی نیز باید مورد بررسی قرار بگیرند تا هم دولت و هم عموم مردم انگیزه ای فراتر از کیفیت، برای استفاده از آنها داشته باشند.
جهت احداث یک استخر بی انتها باید اختلاف قیمت هزینه ی ساخت استخر معمول حدود 128،565،600 ریال و استخر بی انتها حدود 168،436،000 ریال که 39،870،400 ریال می باشد را پرداخت کرد.
با فرض محاسبه ی قیمت حاملهای انرژی اهم از برق و گاز به صورت آزاد یعنی 700 ریال به ازای هر متر مکعب گاز ، 600 ریال به ازای هر کیلووات برق و در نهایت قیمت 950 ریال به ازای هر متر مکعب آب مصرفی، همچنین با توجه به میزان صرفه جویی انرژی گاز به میزان 6229 متر مکعب بر ساعت و آب 104 متر مکعب در هر سال و مازاد مصرف انرژی برق به دلیل مصرف پمپ مخصوص استخر بی انتها به میزان 1920 کیلو وات بر ساعت در سال دوره ی بازگشت سرمایه استخرهای بی انتها با فرض ثابت ماندن قیمت انرژی تا سالهای آینده حدود 10 سال خواهد بود.
بنابراین می توان به جای احداث استخرهای کوچک بتنی و نا کارآمد با دور اندیشی، کیفیت و کمیت را در کنار هم قرار داد.
7- نتيجه گيری
طی بررسی های صورت گرفته در خصوص هزینه های احداث و بهره برداری دو استخر نمونه مورد تحلیل مشخص گردید، در صورت احداث یک استخر از نوع بی انتها تنها حدود 4 میلیون تومان هزینه ی بیشتر پرداخت خواهد شد اما با توجه به کاهش حدود 57 درصدی مصرف (گاز+برق) و 290 درصدی آب در طول سال می توان طی مدت 10 سال مازاد هزینه را جبران کرد و در سالهای آتی ارزش افزوده خواهد داشت. تنها صرفه جویی آب صورت گرفته معادل مصرف آب بهداشتی حدود 5 واحد آپارتمای در ماه می باشد.
بنا بر این می توان با حمایت دولت و بخش خصوصی به جای احداث استخرهای بتنی معمول که در عمل علاوه بر مصرف بالای انرژی از کارآمدی لازم هم برخوردار نمی باشند، از استخرهای بی انتها استفاده کرد. همچنین به دلیل سبک بودن این استخرها و پایین بودن هزینه های نگهداری آنها می توان در فضاهای کوچک مانند حیاط خلوت، پارکینگ، پشت بام و اتاق ورزش نصب نمود.
مراجع
آژانس بين المللی انرژی IEA
endlesspool.com
mohammed shah,"Calculating Evaporation From Indoor Water Pools" Published March 2004, HPAC Engineering
Frank P.Incropera, Dadid P. De Witt, Introduction to Heat Transfer, 4th, 2002
ASHRAE systems and equipment and applications handbook 1995 and 2000
eer.energy.gov
Smith, C.C., Lof, G.O.G., & Jones, R.W. (1999). Rates of evaporation from swimming pools in active use. ASHRAE Trans.
Shah, M.M. (2003). Prediction of evaporation from occupied indoor swimming pools. Energy & Buildings.
Van wylen, Gordon John, fundamentals of thermodynamics, 5th ed.,2001
مرجع کامل طراحی استخرهای شنا، تالیف آقایان افشین عابدی، امین محکمی، پدرام بداقی