Задача проекта

В спа-зоне фитнес-клуба необходимо было спроектировать и автоматизировать две сауны с электрическими печами - мужскую и женскую, работающие в режиме постоянной нагрузки. Задачей было обеспечить постоянство "банного режима" и при этом сэкономить на электричестве.

Реализация проекта

Ключевое отличие суховоздушной сауны от русской бани - в режиме температуры и влажности. В сауне высокая температура (до 140 градусов) и низкая влажность, в русской бане - повышенная влажность и температура не выше 70-80 градусов. При этом во втором случае влажность поднимается в процессе поддачи воды за счет получаемого перегретого пара, что возможно только при наличии каменки достаточного объема.

С утилитарной точки зрения это отличие фактически сводится к тому, что нагревать: напрямую воздух за счет конвекции (сауна) или обширную каменку, выступающую термоаккумулятором, за счет кондуктивной и лучистой передачи тепла. В условиях фитнес-клуба с постоянным потоком посетителей дверь в сауну постоянно открывается, что при конвекционном нагреве воздуха приводит к необходимости его постоянного догревания. Типовые электрокаменки с небольшим объемом камней работают в таких условиях с коэффициентом использования близким к единице, причем постоянно, вне зависимости от наличия или отсутствия посетителей - для того, чтобы обеспечить вновь зашедшим одинаковый температурный режим в парилке.

Ввиду необходимости сократить затраты на нагрев в период малого или отсутствующего потока посетителей, от использования стандартных электрокаменок было решено отказаться в пользу более мощных электрических печей с большим объемом камней, которые для нашей задачи рассматривались как теплоаккумулятор. Повышенная мощность в этом случае требуется для ускорения нагрева именно камней, а не воздуха.

Ключевой проблемой при таком подходе является быстрое высвобождение накопленной теплоты, что обычно осуществляется с помощью ковша и воды, но в условиях потоковых саун (в фитнес-клубах, аквапарках и так далее) нормой является полный запрет на поддавание на камни ввиду рисков нарушения комфортного температурного режима и банального залития небольшой каменки.

В ситуации, когда печь оснащена объемной каменкой, эта проблема становится особенно труднорешаемой ввиду ограниченности возможностей конвекционного нагрева у таких печей. Мы решили её с помощью специально разработанного капельного парогененератора радиаторного типа, внедренного непосредственно в каменку в виде длинного стакана, выступающего как естественный ограничитель количества получаемого пара и одновременно количества поддаваемой воды.

Расчет показал, что для функционирования по такой схеме при массе камней в 150 кг достаточно мощности печи в 15 кВт с коэффициентом использования (после предварительного полного нагрева) в 7-10% в зависимости от нагрузки, что с учетом возможности нагрева каменки в ночное время по льготному тарифу дает серьезную экономию.

Дополнительно был также проработан механизм воздухообмена между мужской и женской парилками для выравнивания "фоновых" (т.е. до использования парогенератора) температур в них за счет использования двухстороннего клапана с биметаллическим регулятором открытия в системе рекуперации вытяжной вентиляции обоих саун. Необходимость внедрения такого решения выявлена эмпирикой - нагрузка на женские сауны обычно значительно ниже, чем на мужские, но при этом режим в обоих должен поддерживаться одинаковым в части ощущений пользователей.  В женской сауне достаточно аккумулировать меньше тепла просто ввиду его меньшей растраты.

Описанные выше инженерные решения потребовали применения нестандартного подхода к измерению температуры для регулирования работы банных печей. Классический способ регулирования в саунах основывается на обратной связи от датчика температуры воздуха в зоне конвенкции или парения. В нашем же случае ключевым параметром регулирования выступает не температура воздуха, а температура камней в каменках, которая после предварительного нагрева печей может достигать 450 градусов.

Применение специализированных решений для измерения температуры самих камней нам показалось неоправданным, поэтому была разработана система косвенного измерения температуры камней по лучистому теплу, отражаемому от экрана из нержавеющей стали, градиент температуры на котором снимается с помощью термопар ДТПХ от OWEN.  

В качестве блоков регулирования были использованы регуляторы с цифровым таймером ОВЕН ТРМ501, настроенные таким образом, чтобы ограничить возможное включение печи только периодами прогнозируемой высокой нагрузки, а также учесть большой градиент температуры по обратной связи от датчиков.

Использование именно двух регуляторов с учетом синхронной работы обоих саун и наличия механической системы выравнивания температур вызвано вышеописанной особенностью - значительно меньшей загрузкой женской сауны.

Результат автоматизации

В результате автоматизации за счет двухкратного увеличения мощности электрокаменки относительно типичных конвекционных печей на аналогичные объемы помещения парилки и использования на порядок большего объема камней в качестве теплоаккумулятора с реализацией идеи "пар по требованию", удалось добиться серьезного снижения суммарного потребления электричества обоими саунами (со 120 до 60 кВт*ч/сутки), а также гарантировать постоянство ощущений в них пользователей.

Дополнительным преимуществом подхода оказалась возможность использовать сауны в режиме полноценной русской бани с повышенной влажностью, что невозможно в случае аналогичных решений на основе конвекционных печей.