Air conditioning and refrigeration system for artificial skating rinks

Abstract

In recent years, in many cities of Russia, artificial skating rinks have been built or are planned to be built indoors. Therefore, it is important to analyze and summarize both domestic and foreign experience in the construction of artificial ice rinks.

Full Text

За последние годы во многих городах России построены или планируется строительство искусственных катков в закрытых помещениях. Поэтому важно проанализировать и обобщить как отечественный, так и зарубежный опыт сооружения искусственных катков. В отечественной литературе одним из руководящих материалов по этому направлению служит справочник [2] (глава VIII «Искусственные катки»). Из зарубежных источников следует отметить справочник [5] (раздел ICE RINKS). Однако в этих изданиях отсутствуют рекомендации по схемным решениям и методам расчета систем кондиционирования воздуха (СКВ) для помещений искусственных катков.

В нашей стране работы по созданию систем холодоснабжения и СКВ для зданий искусственных катков различного назначения успешно проводятся фирмой YORK International. Значительное преимущество этой фирмы состоит в том, что она производит собственное оборудование как для намораживания ледяного поля, так и для СКВ. Возможности реализации комплексных принципиальных решений схем и выбор единообразного оборудования для холодоснабжения ледяного поля и работы СКВ позволяют фирме YORK International реализовать наиболее целесообразные и энергоэффективные решения систем для искусственных катков.

В публикуемой статье рассматриваются особенности СКВ и режимы функционирования оборудования в зоне ледяного поля помещений искусственных катков. Стандартные размеры ледового поля для игры в хоккей с шайбой составляют 30x60 м. Слой льда получают намораживанием воды на поверхности охлаждающей бетонной плиты. Углы поля закруглены.

В работах [2, 5] даны рекомендации по возможным конструктивным решениям охлаждающей бетонной плиты, внутри которой заложены трубы для циркуляции хладоносителя. Приводятся различные схемы укладки труб в бетонные плиты и контуров циркуляции хладоносителя, обеспечивающие равномерность распределения температур по поверхности бетонной плиты, на которую намораживается лед. Фирмой YORK International разработаны оригинальные конструкции змеевиков охлаждения бетонных плит для намораживания льда и используются высокоэффективные холодильные машины.

В зависимости от вида спортивных мероприятий изменяются требования к характеристикам льда. При игре в хоккей требуется жесткий лед, температура поверхности которого -6 °C. Для фигурного катания лед должен быть более мягким с температурой поверхности-3...—1,5 °C. Для скоростного бега на коньках температура льда должна быть более высокой: —1,5...—0,5 °C.

Поддержание требуемой температуры льда обеспечивают холодильные машины, которые обычно подбирают по холодопроизводительности для условий намораживания льда толщиной 25-30 мм за 24 ч. Как правило используют машины холодопроизводительностью до 600 кВт.

Наряду с работой холодильных машин качество поверхности льда обеспечивается функционированием СКВ, обслуживающей зону ледяного поля и обеспечивающей выполнение двух задач:

• поддержание в зоне поверхности ледяного поля температурно-влажностного режима, препятствующего образованию тумана (по данным работы [5], при температуре поверхности льда —6 °C отсутствие тумана обеспечивается путем поддержания температуры воздуха над поверхностью 5... 15 “С при относительной влажности ниже 80 %);
• исключение конденсации водяных паров на холодной поверхности металлических и строительных конструкций перекрытия (это достигается поддержанием температуры поверхности строительных конструкций выше температуры точки росы окружающего воздуха).

Схема воздухораспределения СКВ, обслуживающей зону ледяного поля, должна создавать воздушную завесу и препятствовать попаданию более теплого и влажного воздуха от зоны зрительских трибун ко льду. Это достигается струйной подачей приготовленного приточного воздуха через сопла, расположенные в верхней части помещения. Конструкция сопел должна предусматривать изменение направления струй.

Тепловой режим над поверхностью ледяного поля определяется конвективными потоками теплоты от окружающего воздуха и лучистыми потоками теплота И от светильников и нагретых поверхностей конструкций ферм у потолка, а также от внутренних поверхностей перекрытbb здания искусственного катка. Величину конвективного потока теплоты (Вт) вычисляют по формуле

Q_т.кон =F_л.пα_кон( t_вл-t_л)                                                (1)   

где F_л.п-поверхность ледяного поля, м²;

t_вл-температура воздуха над поверхностью льда, °C;

t_л-температура поверхности льда °C

Коэффициент конвективной теплопередачи [ Вт/(м² • °C)] от воздуха к поверхности льда в работе [5] рекомендуется определять по формуле

α_кон= 3.41 + 3,55 v_вл.                                        (2)

Скорость воздуха над поверхностью льда рекомендуется сохранять на уровне v_вл = 0,25 м/с.

Тогда коэффициент конвективной теплопередачи

α_кон= 3,41 + 3,55 • 0,25 = 4,29 Вт/(м² • К).

Лучистое поступление теплоты от внутренней поверхности перекрытия здания катка зависит от температуры поверхности строительных ограждений t_пов и температуры поверхности льда t_л.

Рис. 1. Удельные теплопритоки лучистого тепла к поверхности ледяного поля от окружающих поверхностей

В работе [2] проведены расчеты и построен график для определения удельного потока радиационной теплоты q_рад, Вт/м² На рис. 1 представлен график для двух крайних расчетных режимов: твердого льда t_л = -6 °C (для игры в хоккей) и мягкого льда t_л  = — 1 °C (для скоростного катания).

Лучистый поток теплоты от светильников зависит от их мощности. В работе [3] на основе практики проектирования катков в США дается удельный показатель зависимости величины потока лучистой теплоты от освещения на поверхности ледяного поля q _осв= 35,7 Вт/м². Если вытяжной воздух удаляется из верхней зоны помещения катка, то до 40 % теплоты, выделяемой осветительными приборами, может восприниматься вытяжным воздухом. Наиболее трудные условия для работы СКВ в зоне ледяного поля создаются в теплый период года. При игре в хоккей в зоне ледяного поля (t_л = -6 °C) находится постоянно 50 человек. По санитарным нормам для такого числа людей в таких пребывания необходимо подавать приточный наружный воздух при минимальном расходе:

L_пн= 80-50 = 4000 м³/ч.

При выполнении тяжелой работы 50 человек выделяют:

теплоту Q_тлюд= 50•180 = 9000 Вт; влагу W_люд= 50 • 170 = 8500 г/ч.

По требованиям СНиП с целью обеспечения надежности принимаем, что зону ледяного поля должны обслуживать два приточных кондиционера. Производительность их по воздуху определяется условиями равномерного заполнения приточным воздухом зоны над ледяным полем. При размерах ледяного поля 60x30 м наилучшие результаты по равномерности воздухораспределения достигаются при подаче приточного воздуха через сопла, располагаемые на высоте до 15-20 м с двух сторон вдоль ледяного поля.

Конструкцию сопловых воздухораспределителей французских фирм выбираем по каталогу [6], где (на с. 56) Приведены конструкции и номограммы для подбора режимов работы сопловых воздухораспределителей. Принимаем тип JD130 (присоединительные диаметры 250 мм и 140 мм). Расстояние от среза сопла до зоны ледяного поля в помещениях искусственных катков с трибунами для зрителей должно быть не менее 25...30 м.

На рис. 2 дана схема двусторонней подачи воздуха на ледяное поле. Из схемы видно. что приточные струи после выхода из сопла постепенно расширяются под углом 20° и на расчетном расстоянии L_п= 25 м скорость приточного воздуха (снижается до требуемого значения v_т=0.25 м/с. Для выпуска через сопло JD130 диаметром 140 мм приточного воздуха при расходе l_п= 800 м³/ч требуется обеспечить перед соплом давление воздушного потока 150 Па. При этом на выходе уровень шума составит 35 дБ(А), что вполне допустимо для спортивных залов.

После нанесения на план ледяного поля размеров раскрывшихся приточных струй, полностью перекрывающих его площадь, определяют требуемое число сопел, устанавливаемых вдоль приточного воздуховода, располагаемого по длинной стороне ледяного поля. Построение показало, что на приточном воздуховоде целесообразно установить по 21 соплу с каждой стороны. Тогда общее количество приточного воздуха в зону ледяного поля от одного кондиционера составит

 L_п= l_п ∑B = 800 • 21 = 17 000 м³/ч.

Рис. 2. Принципиальная схема заполнения приточным воздухом зоны ледяного поля размером 60x30 м (для игры в хоккей)1 — приточный воздух; 2-приточное поворотное сопло; 3 — приточная струя; 4-поверхность льда; 5 — отверстие забора вытяжного воздуха; 6 — всасывающий воздуховод; 7 — теплоизоляция на внутренней стороне перекрытия; 8 — алюминиевая фольга на поверхности изоляции

На схеме (см. рис. 2) показано, что под потолком над ледяным полем размещается всасывающий воздуховод 6, в который через отверстие 5 поступает на вытяжку рециркуляционный L_вр и сбрасываемый в атмосферу вытяжной воздух L_у. Для сохранения воздушного баланса в зоне ледяного поля катка на каждый кондиционер расход приточного воздуха (L_п= 17 000 м³/ч) примерно равен расходу вытяжного (L_в= 17 000 м³/ч).

Необходимо учитывать, что эффективность тепловой изоляции перекрытия здания катка значительно влияет на тепловой режим и качество ледового поля. Если в теплое время года температура внутренней поверхности перекрытия будет высока (например, t_пов= 30 °C), то из графика на рис. 1 следует, что удельный поток радиационной теплоты к поверхности ледяного поля составит q_рад= 100 Вт/м². Это увеличит требуемую мощность холодильных машин для обеспечения необходимой температуры льда t_л=-6°С.

В работе [5] показано, что если на внутреннюю поверхность потолка закрепить маты тепловой изоляции с алюминиевой фольгой на поверхности, обращенной внутрь помещения, то коэффициент лучистого отражения достигнет β_р= 0,05. Тогда удельный поток радиационной теплоты к ледяному полю составит

q'_рад= q_рад β_р =100 -0,05 = 5 Вт/м².

В климатических условиях Москвы в теплый период года параметры наружного воздуха по СНиП соответствуют параметрам Б: tн= 28,5 °C, Iн= 54 кДж/кг; dн =10 г/кг (точка Н на рис. 3). Если лед используется для игры в хоккей tл= -6 °C), то в зоне проведения игры на ледяном поле поддерживаются условия (точка В)-. t_вл= 10°C, φ_в.л= 70 %, d_вл= 5,5 г/кг. В каждом кондиционере приготовляется 17 000 м³/ч приточного воздуха, состоящего из 2000 м³/ч наружного и 15 000 м³/ч рециркуляционного.

Рис. 3. Построение на l,d-диаграмме расчетного режима работы СКВ обслуживания зоны ледяного поля в здании искусственного катка: Н-СМ-Вт -смешение в блоке смешивания кондиционера санитарной нормы наружного воздуха и вытяжного воздуха из верхней зоны над ледяным полем; СМ-ОХ—охлаждение в теплообменнике приточного агрегата смеси приточного воздуха до требуемого влагосодержания приточного воздуха; ОХ-П-нагрев в калорифере приточного агрегата; П-Вл-охлаждение приточного воздуха от конвективного теплообмена с поверхностью ледяного поля; Вл-Вт—поглощение влаго-и тепловыделений от светильников по высоте помещения над зоной ледяного поля вытяжным воздухом

На рис. 3 показано построение на l,d-диаграмме расчетного режима работы СКВ ледяного поля в теплый период года.

Для избежания конденсации водяных паров на поверхности льда температура приточного воздуха должна быть такой, чтобы при конвективной теплоотдаче от воздуха к поверхности льда стала не ниже t_вл= 10 °C. Требуемую температуру (°C) притока определяют по формуле

t_п= t_в.л+[Q_т._кон-Q_т.ю)3,6]/L_пР_пC_р.                      (3)

По формуле (1) вычисляют количество конвективного тепла:

Q_тк= 60 •30 •4,75(10 + 6) = 136 800 Вт.

По формуле (3) находят требуемую температуру приточного воздуха при работе двух кондиционеров:

t_п= 10+[(13 6800-9000)3,6/2•17000•1,24• 1 = 10+10,9 = 20,9 °C.

Работа светильников над ледяным полем обусловливает следующие тепловыделения:

Q_тocв= 30 • 60 • 35,7 = 64 260 Вт.

Примерно 40 % теплоты от светильников усваивается вытяжным воздухом, температуру которого рассчитывают по формуле (°C)

_tвт= t_вл+ (0.4 Q_т.осн)/(L_втР_втC_р).                               (4)

По формуле (4)

_tвт = 10 + (0,4 • 64260)/(2 • 17000 • 1,2 • 1)$\approx$11 °C.

К вытяжному воздуху эжектируется часть теплого воздуха с потолка и из приточных струй. С учетом этого примем t_вт= 14,5 °C.

Воздух у поверхности льда воспринимает водяные пары, образующиеся в пограничном слое у поверхности льда. Эти водяные пары воспринимаются и уносятся с вытяжным воздухом.

Кроме того, воспринимаются влаговыделения от игроков:

Δd_aс=∑W_люд/(∑ L_пн•р_пн);

Δd_aс= 8500/(2 • 17 000 • 1,22) = 0,2 г/кг.

С учетом этого параметры вытяжного воздуха в точке ВТ (см. рис. 3):

_tвт = 14,5 °C; d_вт = 6,8 г/кг; I_вт = 31 кДж/кг.

На охлаждение и осушку в кондиционер будет поступать смесь с энтальпией:

I_см= (2000 • 1,15 • 54 + 15000 •1,21 •31)/ 17 000 • 1,2 = 33,7 кДж/кг.

Тепловая нагрузка кондиционера составит

Q_ох= L_п•р_п(I_см- I_ох) = 17000• 1,24(33,7-21)/3,6 = 74 366 Вт.

В калорифере кондиционера необходимо нагреть приточный воздух на величину

Q_ткал= L_пР_пC_п(t_п— t_ох)/3,6,                           (5)

Q_ткал= 17000• 1,19•1(20,9-6,5)/3,6=80 920 Вт.

Соединяем прямой линией точки СМ и ОХ, продолжая прямую до пересечения с кривой φ= 100 %. Точка пересечения f соответствует средней температуре поверхности воздухоохладителя t_f= 4,5 °C [1]. При использовании в качестве хладоносителя воды ее начальная температура ограничена t_w1= 2 °C. В требуемом режиме охлаждения и осушения приточного воздуха поверхность воздухоохладителя должна быть значительно развита. Если в качестве охлаждающей среды применить гликоль с начальной температурой tаф1=—2 °C, то размеры воздухоохладителя значительно сократятся и снизится расход электроэнергии на циркуляцию хладоносителя. В общем случае необходим сравнительный анализ режимов охлаждения и осушения, для выбора наиболее рационального по капитальным и эксплуатационным затратам варианта.

Фирма YORK International выпустила холодильные машины типа YCAM/R, в которых отводимая в конденсаторе теплота полезно используется для нагрева жидкости, подаваемой насосом в калорифер кондиционера для повышения температуры приточного воздуха. В испарителе этих машин охлаждается антифриз до tаф= -2 °C или вода до t_wi-2°C которые насосом подаются в воздухоохладитель, где охлаждается и осушая] приточный воздух (процесс СМ-ОХ на рис. 3).

В холодный период года холодильная машина в СКВ не работает и для нагрева приточного воздуха в калорифер подается теплота от центрального источника или от конденсаторов холодильных машин, поддерживающих требуемую температуру льда.

В Зеленограде (Москва) фирма YORK International имеет завод для производства центральных кондиционеров [4|. Отличительная особенность производства кондиционеров состоит в том, что благодаря уникальной технологии размерный шаг производимых центральны) кондиционеров составляет лишь 50 мм. что позволяет придать им любую наиболее целесообразную форму для размещения на выделенных ограниченных площадях здания.

В последующих статьях будут рассмотрены режимы работы СКВ для зрительских трибун при различных вариантах использования помещения катка (тренировки, концертный зал), а также вопросы создания систем холодоснабжения для намораживания льда.