Строительство бассейна в Анкаре: мороз и нагрузка на подогрев в континентальном климате

Таблица ниже приводит средние значения по Анкаре за период 1991-2020. Для проектировщика бассейна решающие три столбца: средний месячный минимум (сколько месяцев длятся морозы), средняя месячная температура (дефицит тепла) и осадки (месяцы, когда бассейн не переполняется сам, а наоборот теряет воду на испарение).

Из таблицы следуют три вывода. Первый: в декабре, январе и феврале средняя ночная температура ниже нуля; значит, чаша бассейна и швы три месяца почти каждую ночь замерзают и днём оттаивают. Второй: в июле и августе перепад между днём и ночью составляет 13,6-13,8 °C; вода в бассейне днём нагревается, а ночью теряет тепло излучением и испарением в безоблачный сухой воздух. Третий: сумма осадков за июль-сентябрь 47,3 мм, а испарение намного больше; уровень воды в бассейне поддерживают не дожди, а водопровод.

Разовый разрыв морозом происходит, когда вода в неслитой трубе или в заполненном переливном лотке замерзает, её объём увеличивается примерно на девять процентов, и деталь трескается; это случается за одну ночь, и причина очевидна. Усталость от замерзания и оттаивания возникает, когда вода в капиллярных порах бетона и раствора под облицовкой каждую ночь замерзает и каждый день оттаивает, и через десятки циклов поверхность шелушится, швы раскрываются, а керамика отходит от основания. При -22 °C рост льда может создавать давление до 207 МПа, а процесс активен в диапазоне от -3 до -8 °C при наличии воды; большинство зимних ночей в Анкаре приходится именно на этот диапазон.

Современное объяснение связывает разрушение не столько с объёмным расширением, сколько с сегрегацией льда: вода по капиллярам мигрирует к фронту замерзания, лёд растёт в виде линз и разрывает материал изнутри. Практический вывод для бассейна такой: проблема не только в том, что замерзает вода в бассейне, а в том, что бетон и раствор остаются водонасыщенными. Открытая, водонасыщенная, не дренированная чаша всю зиму каждую ночь подвергается этому механизму.

По первой оси для железобетонного бассейна записывают решения по смеси, швам и дренажу; по второй мощность теплового насоса и покрытие. Список ниже собирает пункты, которые можно прямо перенести в техническое задание проекта бассейна.

Логику градусо-суток проще показать на примере. Если целевая температура воды 26 °C, то по средним месячным значениям из таблицы дефицит такой: в мае 26 минус 16,5 равно 9,5 K, при 31 дне около 295 градусо-суток; в июне 5,4 K и 162; в июле 1,8 K и 56; в августе 1,7 K и 53; в сентябре 6,4 K и 192. Май и сентябрь вместе дают больший дефицит тепла, чем три летних месяца вместе. Этот расчёт показывает только дефицит со стороны воздуха; испарение, ветер и ночное излучение добавляются отдельно. Поэтому в Анкаре мощность теплового насоса всегда выбирают по краям сезона, учитывая, что при низкой температуре воздуха падает и COP.

Понятие градусо-суток пришло из строительной теплотехники: из среднесуточной температуры вычитают базовую, положительная разница даёт градусо-сутки этого дня, а энергию на отопление здания оценивают как произведение удельных теплопотерь на сумму градусо-суток за период. Для бассейна та же логика применяется с базой, равной температуре воды.

Типологию в значительной мере определяют участок и климат: участки шире, чем в прибрежных городах, бассейны прямоугольные длиной 8-12 м, чаще всего скиммерные или с переливом с одной стороны, техническое помещение заглублено ниже уровня сада и ниже глубины промерзания. На стороне Гёльбаши на некоторых участках высокий уровень грунтовых вод, поэтому в расчёт входит всплытие пустого бассейна под действием выталкивающей силы; это ещё раз подкрепляет правило не сливать бассейн на зиму.

Крытый бассейн в Анкаре имеет смысл и в масштабе загородного дома. Открытый сезон укладывается в пять месяцев с мая по сентябрь, а крытым бассейном пользуются двенадцать месяцев; взамен добавляется нагрузка на контроль влажности и вентиляцию. В крытом бассейне с чаши снимается внешняя нагрузка замерзания и оттаивания, но в центр проектирования выходят внутренний конденсат и мощность осушителя с рекуперацией тепла. Сухой наружный воздух Анкары это преимущество для осушения: разница во влажности между наружным и внутренним воздухом велика, поэтому снижение влажности подмесом свежего воздуха требует меньше энергии, чем в прибрежных городах. В проекте крытого бассейна чаша остаётся железобетонной, но вместо воздухововлечённого бетона на первый план выходят водонепроницаемость и теплоизоляция.

С тех пор в холодном климате воздухововлечённый бетон стал не исключением, а стандартной практикой. Механизм и сегодня объясняют так же: замкнутые пузырьки диаметром от 10 до 500 микрометров это объёмы для сброса давления, которые дают место расширяющейся при замерзании воде без внутренних напряжений.

Строительство бассейнов восприняло это знание поздно. Воздухововлечение, которое десятилетиями применяют в бетоне дорог и мостов, в чашах бассейнов долго пропускали из опасений за водонепроницаемость; между тем замкнутые пузырьки не образуют капиллярной сети и проницаемость не повышают. В городе, где большинство зимних ночей проходит в диапазоне от -3 до -8 °C, как в Анкаре, нет технических причин отказываться от этой добавки в бетоне чаши и переливного лотка.

Метод градусо-суток родился из планирования топлива и в том же виде перешёл в расчёт подогрева бассейнов. Для зданий базовая температура в разных странах меняется от 12 °C (Швейцария) до 18,3 °C (США); для бассейна база это целевая температура воды, и поэтому в Анкаре май и сентябрь, которые для отопления зданий считаются тёплыми, для бассейна оказываются тяжёлыми месяцами. Способность железобетонной чаши пережить зиму без повреждений и подбор теплового насоса по краям сезона это два неизменных числовых исходных параметра проекта бассейна в Анкаре.