Air conditioning and refrigeration systems for artificial ice rinks

Abstract

A calculation of the process in the air conditioning system of artificial skating rinks for the case of transformation of the ice field into the arena with chairs for spectators and a scene is presented. It is shown that the used air conditioners ensure the maintenance of comfort parameters also under these conditions.

Full Text

В помещениях искусственных катков со стандартным ледяным полем размером 30x60 м общей площадью S_общ = 1800 м² для сохранения качества льда требуется применение двух установок кондиционирования воздуха производительностью по 17 000 м³/ч [2]. Время от времени ледяное поле освобождают ото льда и трансформируют в арену, где располагают сцену и дополнительные места для зрителей.

Примем, что для сцены, на которой могут находиться до 40 артистов и вспомогательных рабочих, выделяется участок арены площадью 180 м². На каждого находящегося на сцене человека, выполняющего тяжелую работу, подается l = 80 м³/ч приточного наружного воздуха. В теплый период года на арене и сцене поддерживаются параметры теплового комфорта: температура воздуха t_в = 23...25 °С и влажность φ_в = 40...60%.

В зону сцены от сопел, расположенных на приточных воздуховодах по длинным сторонам поля катка, должен подаваться приточный воздух в количестве L_п.сн  = Л_раб.сн l = 40 • 80 = 3200 м³/ч.

В [1] в качестве воздухораспределителей выбраны сопла диаметром 140 мм, объемным расходом по 800 м³/ч каждое. Для обслуживания сцены используются по два сопла с каждой стороны сцены, обеспечивающие приток приготовленного наружного воздуха в количестве L_п.н.сц = 4 • 800 = 3200 м³/ч.

В теплый период года для сцены будет характерен следующий тепловой режим:

тепловыделения от людей

Q_я.сц = Л_раб.сц q_я = 40 • 105 = 4200 Вт, где q_я — теплота, выделенная взрослым человеком при выполнении тяжелой работы; q_я = 105 Вт/чел.

влаговыделения от людей

W_вл.сц = Л_раб.сц  w_вл = 40 • 295 = 11800 г/ч, где w_вл - удельные влаговыделения одного человека, принято w = 295 г/(чел.-ч)

теплота от освещения при попадании на сцену 60 % теплоты

Q_осв = 0,6S_сц q_осв= 0,6 • 180 • 35,7 = 3856 Вт, где S_сц - площадь сцены (S_сц = 180 м²); q_осв — теплота от освещения, приходящаяся на 1 м² площади сцены;

теплота от оборудования и музыкальных инструментов, потребляющих электроэнергию, Q_об = S_сц q_об, где q_об - теплота от оборудования и музыкальных инструментов, потребляющих электроэнергию, приходящаяся на 1 м² площади сцены;

принимаем, что q_об = 20 Вт/м². Тогда (Q_об = 180 • 20 = 3600 Вт.

Общие тепловыделения по явному теплу на сцене составят ΣQ_{т.изб.сц} = Q_я.сц + Q_осв + Q_об = 4200 + 3856 + 3600 = 11 656 Вт.

Влаговыделения имеют место только от людей и составляют, как уже было подсчитано, 11 800 г/ч.

Вычисляем требуемую поглотительную (ассимиляционную) способность приготовленного приточного наружного воздуха:

по явной теплоте

Δt_ас = ΣQ_{т.изб.сц} •3,6/(L_п.н._сцρ_п.нс_р) = 11656 • 3,6/(3200 • 1,2 • 1) = 10,9 °С; ( 1 )

по влаге

Δd_ас = W_вл.сц/(L_п.н._сцρ_п.н) = 11800/(3200 • 1,2) = 3,1 г/кг. (2)

Для обслуживания зоны зрителей на арене остается приточного воздуха

L_п.зр.ар = L_п.н – L_п.н.сц, где L_п.н — суммарная производительность двух кондиционеров, обслуживающих ледяное поле;

L_п.зр.ар = 34 000 - 3200 = 30 800 м³/ч.

При норме подачи на зрителя l_зр= 20 м³/ч приточного наружного воздуха число зрителей на арене

Л_зр.ар = L_п.зр.ар /l_зр = 30 800/20 = 1540 чел.

Для размещения зрителей на арене после сооружения сцены остается площадь

S_ар= S_общ – S_сц = 1800 - 180 = 1620 м².

Этой площади достаточно для установки на арене стульев, на которых могут разместиться 1540 зрителей. Сидя на концерте, зрители отдыхают и тепло- и влаговыделения от них составляют:

по явной теплоте

Q_я.ар = Л_зр.ар q_я = 1540 • 58 = 89 320 Вт;

по влаговыделениям

W_вл.зр = Л_зр.арw_вл = 1540 • 50 = 77 000 г/ч.

Освещается только сцена, поэтому теплота от освещения арены отсутствует. Teплопритоки через хорошо теплоизолированное перекрытие малы [1]. Вычисляем требуемую поглотительную способность приточного воздуха, подаваемой через сопла в зону нахождения зрителей по явной теплоте

Δt_ас = Q_я.ар • 3,6/(L_п.зр.ар ρ_п.нс_р) = (89320 • 3,6)/(30 800 • 1,2) = 8,7 °С;

по влаге Δd_ас = W_вл.зр/(L_п.зр.ар ρ_п.н) = 77 000/(30 800 • 1,2) = 2,1 г/кг.

Как показывает анализ, при использовании зоны ледяного поля в качестве арены и сцены оба кондиционера должны работать по прямоточной схеме L_п.н = L_п.

В [1] на с. 108 в табл. 5.2 приведены данные о показателе эффективности воздухораспределения К_L при подаче приточного воздуха струями в рабочую зону. Изменяя угол наклона струи, можно изменять значение показателя К_L. Из преобразованного выражения для К_L можно вычислить требуемую температуру приточного воздуха:

t_п = t_в – (t_в – t_п)/ К_L, где t_в, t_у — температуры соответственно внутреннего и удаляемого воздуха. Температурный поглотительный перепад t_у — t_п = Δt_ас вычислен выше. Принимаем угол наклона струи 20 ⁰ и K_L = 1,6. По формуле (3) вычисляем требуемые значения t_п:

для сцены

t_п = 25- 10,9/1,6= 18,2 °С;

для арены с сидящими в креслах зрителями:

t_п = 25-8,7/1,6= 19,6 °С.

Принимаем температуру приточного воздуха t_п = 18,2 °С, и тогда в зоне арены температура внутреннего воздуха t_в = 25 — 1,4 = 23, 6 °С, что отвечает условиям теплового комфорта.

Под потолком арены температура удаляемого воздуха составит:

t_у = t_п + Δt_ас = 18,2 + 8,7 = 26,9 °С; под потолком сцены t_у=18,2+10,9 = 29,1 °С.

На i,d-диаграмме в правой части рис. построен режим работы СКВ в теплый период года в зоне арены со зрителями и сценой. В кондиционере приточный наружный воздух (точка Н) охлаждается при постоянном влагосодержании d_н = d_п = = 10 г/кг. С учетом нагрева в вентиляторе и воздуховодах на 1,5°С температура охлажденного воздуха должна быть:

t_ох = t_п -1,5 =18,2-1,5 =16,7 °С.

Влагосодержание удаляемого воздуха

в зоне арены

d_у.ар = d_п + Δd_ас = 10 + 2,1 = 12,1 г/кт.

Пересечении изотермы t_у = 26,9 °С с линией d_у = 12,1 г/кг находим параметры удаляемого вытяжного воздуха (точка У_ар), который летом выбрасывается в атмосферу. Влагосодержание удаляемого воздуха в зоне сцены

d_у.сц=10+3,1 = 13,1 г/кг.

На пересечении изотермы t_у.сц = 29,1 °С и линии d_у.сц = 13,1 г/кг находим параметры воздуха, удаляемого из зоны сцены (точка У_сц).

Как показывает проведенное построение, благодаря струйной подаче приточного воздуха через сопла при K_L = 1,6 достигаются комфортные параметры воздуха в зоне зрителей на арене и артистов на сцене. Применяемый при этом метод охлаждения приточного наружного воздуха при постоянном влагосодержании является энергетически наиболее рациональным.

Расчетные условия холодного периода года при параметрах Б в Москве: t_п = -26 °С; d_п= 0,6 г/кг. В зоне нахождения людей на арене комфортные параметры воздуха: t_в = 20...22 °С, φ_в=30...40%.

Тепловой режим в зоне арены в холодный период года при q_я = 87 Вт/чел. следующий:

теплопритоки от людей

Q_{т.изб.я.зр} = Л_зр.ар q_я = 1540 • 87 = 133 980 Вт;

влаговыделения

W_вл.зр = Л_зр.ар w_вл =1540 • 40 = 61 600 г/ч ;

теплопотери через перекрытие при t_у=26 °С:

Q_{т.пот.пер} = S_ар(t_у – t_н)/ R,

где R- приведенное термическое сопротивление перекрытия;

R =4м² °С/Вт

Тогда Q_{т.пот.пер} = 1620/(26 + 26)/4 = 21060 Вт.

Теплоизбытки на арене со зрителями в холодный период года составляют

Q_т.изб = Q_{т.изб.я.зр} - Q_{т.пот.пер} = 133 980 - 21060 = 112 920 Вт.

Требуемая поглотительная способность по явной теплоте для арены со зрителями

Δt_ас.ар = Q_т.изб3,6 (L_п.зр.ар.ρ_пс_р) = (112920 × 3,6)/(30800 • 1,23) = 10,7 °С.

Требуемая поглотительная способность по влаге для арены со зрителями

Δd_{ас.ар =} W_вл.зр/(L_п.зр.ар.ρ_п) =  61 600/(30 800 • 1,23) = 1,63 г/кг.

Сохраняем угол наклона сопел 20° и K_L = 1,6. Вычисляем температуру приточного воздуха по формуле (3)

t_п = 20— 10,7/1,6= 13,3 °С.

Влагосодержание приточного воздуха d_п принимаем равным влагосодержанию наружного воздуха d_н. Тогда

d_у.ар = d_н + Δd_ас = 0,6+ 1,63 = 2,23 г/кг.

Тепловой режим в зоне сцены в холодный период года будет:

по тепловыделениям от людей

Q_т.я.сц = Л_раб.сцq_явн = 40 • 130 = 5200 Вт;

по влаговыделениям от людей

W_вл.сц = Л_раб.сцW = 40 • 240 = 9600 г/ч;

от освещения Q_осв и оборудования, потребляющего электроэнергию, Q_об:

Q_осв + Q_об = 3856 + 3600 = 7456 Вт, как и в теплый период года.

Теплопотери через перекрытие

Q_{т.пот.сц} =S_сц(t_у – t_н) /4 =180 (29 + 26)/4 =  2475 Вт.

Теплоизбытки на сцене:

Q_{т.изб.сц} = Q_я.сц + Q_осв + Q_об – Q_{т.пот.сц} = 5200 + 7456 - 2475 = 10 181 Вт.

Требуемая поглотительная (ассимиляционная) способность приточного воздуха:

по температуре — по формуле (1)

Δt_ас.сц =(10181 • 3,6)/(3200 • 1,23)=9,3°С;

по влаге - по формуле (2)

Δd_ас.сц = 9600/(3200 • 1,23) = 2,44 г/кг.

Сохраняем угол наклона сопел 20° К_L=1,6.

Требуемая температура приточного воздуха по формуле (3)

t_п= 20-9,3/1,6 = 14,2 °С;

Температуру приточного воздуха принимаем t_п = 14,2 °С. Тогда температура удаляемого воздуха будет:

в зоне арены

t_у.ар = t_п + Δt_ас.ар = 14,2+ 10,7 = 24,9 °С;

в зоне сцены

t_у.сц = t_п + Δt_ас.сц= 14,2 + 9,3 = 23,5 °С.

Влагосодержание удаляемого воздуха в зоне сцены будет

d_у.сц = d_п + Δd_ас.сц = 0,6 + 2,44 = 3,04 г/кг.

Для сокращения расхода теплоты на нагрев приточного наружного воздуха включаем в приточный и вытяжной агрегаты теплообменники для установки утилизации с насосной циркуляцией антифриза.

В левой части рис. 1 на i,d-диаграмме построен расчетный режим работы СКВ арены и сцены в холодный период года. Точка H₁ — расчетные параметры наружного воздуха; точка Н₂ — нагрев приточного наружного воздуха утилизируемым теплом выбросного вытяжного воздуха; точка Кл= точке П — нагрев приточного наружного воздуха в калорифере до температуры притока t_п = 14,2 °С.

Рис. 1. Построение на і,d-диаграмме расчетных режимов круглогодовой работы СКВ при отсутствии ледяного поля и превращении его в арену с креслами для зрителей и сценической площадкой.

Справа — расчетные режимы работы СКВ в теплый период года в климате Москвы: Н-ОХ- охлаждение приточного наружного воздуха в воздухоохладителе приточного агрегата; ОХ—П — нагрев приточного наружного воздуха в вентиляторе и воздуховодах; П-В_ар — поглощение тепло- и влаговыделений от зрителей на арене; В_ар —У_ар — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения над ареной; П-В_сц - поглощение тепло- и влаговыделений от артистов и работников сцены; В_сц —У_сц — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения над сценой.

Слева — расчетные режимы работы СКВ в холодный период года в климате Москвы: Н₁—Н₂ — нагрев приточного наружного воздуха в теплоотдающем теплообменнике приточного агрегата утилизируемой теплотой выбросного вытяжного воздуха; Н₂—Кл—П — нагрев приточного наружного воздуха в калорифере приточного агрегата; П-В_ар - поглощение тепло- и влаговыделений приточным воздухом на арене в зоне зрителей, сидящих в креслах; В_ар—У_ар — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения; П—В_сц — поглощение тепло- и влаговыделений приточным воздухом в зоне сцены, где находятся люди; В_сц —У_сц — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения над сценой; У_а —У_см—У_сц. — смешение удаляемого вытяжного воздуха; У_см—У₂ — извлечение теплоты из удаляемого вытяжного воздуха в теплоизвлекающем теплообменнике вытяжного агрегата

В месте пересечения прямых t_у.ар = 24,9 °С и d_y.ap = 2,23 г/кг находим точку У_ар. Соединяем точку У_ар и П прямой и в месте пересечения с t_вар = 21 °С получаем φ_в.ар= 15%.

В месте пересечения прямых t_у.сц = 23,5 °С и d_y.сц = 3,04 г/кг находим точку У_сц. Соединяем прямой линией точки У_сц и П и в месте пересечения с t_в.сц = 20 °С определяем φ_в.сц = 18%. Полученные значения относительной влажности воздуха в зоне нахождения зрителей на арене и артистов на сцене меньше комфортного значения 30%. Однако расчетные значения t_Н1 = -26 °С и d_Hl = 0,6 г/кг соблюдаются в холодный период года в течение короткого времени (46 ч/год). Поэтому в остальной холодный период года температура и влагосодержание наружного воздуха будут выше и относительная влажность воздуха в зоне арены и сцены будет отвечать комфортному уровню φ_в ≥ 30 %. Соединив прямой линией точки У_ар и У_сц, получим средние параметры вытяжного воздуха: t_у1 = 24 °С; i_у1 = 31 кДж/кг.

В теплоизвлекающем теплообменнике в вытяжном агрегате на отепление антифриза будет расходоваться теплота

Q_т.y= L_y p_y(i_у1—i_у2)/3,6 = 34 000 • 1,23 × (31 - 9)/3,6 = 255 567 Вт.

Приточный наружный воздух нагревается отепленным антифризом, подаваемым насосом в теплоотдающий теплообменник, в приточном агрегате до температуры

t_н2 = Q_т.y • 3,6/ L_пн.ρ_п.нс_р + t_Н1= (255 567 × 3,6)/(34 000 • 1,36 • 1) - 26 = 20 -26 = -6 °С.

В калорифере приточного агрегата необходимо нагреть приточный наружный воздух до t_кл = t_п = 14,2 °С. Благодаря применению установки утилизации насосной циркуляцией антифриза удается сократить расчетный расход теплоты на величину

(t_Н2 – t_Н1)/( t_кл – t_Н1) • 100 = (-6 + 26)/(14,2 + 26) = 50%.

Принципиальная схема приточно- вытяжных агрегатов, используемых для обслуживания не только ледяного поля, но и ледяного поля, превращенного в арену с креслами для зрителей и сценой, показана на рис. 2. Эта схема отличается от схемы СКВ, приведенных в работе [2] и применяемых для обслуживания только ледяного поля. Поэтому проектировать СКВ для помещений искусственных катков необходимо с учетом возможных вариантов их использования.

Рис. 2. Принципиальная схема приточно-вытяжного агрегата для обслуживания СКВ ледяного и трансформированного (в арену с креслами для зрителей и сценой) поля: 1 — воздушный клапан приточного наружного воздуха L_п.н=L_п; 2 — карманный фильтр EU5; 3 — теплоотдающий теплообменник установки утилизации; 4 — смесительная камера поступления рециркуляционного воздуха Lв.р в режимах дежурного воздушного отопления; 5 — калорифер; 6 — воздухоохладитель с поддоном и сепаратором; 7 — приточный вентилятор; 8 — фильтр грубой очистки EU3; 9 — теплоизвлекающий теплообменник установки утилизации с поддоном и сепаратором; 10 — вытяжной вентилятор; 11 — промежуточная секция; 12 — воздушный клапан для выброса в атмосферу удаляемого вытяжного воздуха L_у=L_п.н; 13 — воздушный клапан для режима рециркуляции внутреннего воздуха L_в.р

СКВ для обслуживания трибун со зрителями сохраняют свои конструктивные решения, рассмотренные в работе [3]. Учитывая возможности различной расчетной проектной производительности по воздуху приточно-вытяжных агрегатов в помещениях для катков, рационально применять центральные кондиционеры фирмы «York Россия». В Зеленограде (Москва) специалисты этой фирмы организовали производство технологических блоков, геометрические размеры которых могут изменяться с шагом 50 мм. Это позволяет выбрать рациональные и экономичные решения СКВ.

Для помещений катков и спортивных арен часто наиболее рациональным местом размещения кондиционеров является межферменное пpocтранство, где, как правило, каркас кондиционера должен иметь меньшую высоту и большую ширину по сравнению; традиционными фиксированными размерами каркаса модулей центральных кондиционеров производства других фирм. Гибкость в выборе желаемого размера каркаса кондиционеров фирмы «York Россия» позволяет находить для размещения кондиционеров наиболее рациональное место и сокращать протяженность присоединяемых воздуховодов.