Air conditioning and refrigeration systems for artificial ice rinks
- Authors: Kokorin O.Y.1
-
Affiliations:
- Moscow State Construction University
- Issue: Vol 91, No 4 (2002)
- Pages: 22-24
- Section: Articles
- URL: https://freezetech.ru/0023-124X/article/view/105614
- DOI: https://doi.org/10.17816/RF105614
- ID: 105614
Cite item
Full Text
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.
Keywords
Full Text
В помещениях искусственных катков со стандартным ледяным полем размером 30x60 м общей площадью Sобщ = 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 tв = 23...25 °С и влажность φв = 40...60%.
В зону сцены от сопел, расположенных на приточных воздуховодах по длинным сторонам поля катка, должен подаваться приточный воздух в количестве Lп.сн = Лраб.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 Lп.н.сц = 4 • 800 = 3200 м3/ч.
В теплый период года для сцены будет характерен следующий тепловой режим:
тепловыделения от людей
Qя.сц = Лраб.сц qя = 40 • 105 = 4200 Вт, где qя — теплота, выделенная взрослым человеком при выполнении тяжелой работы; qя = 105 Вт/чел.
влаговыделения от людей
Wвл.сц = Лраб.сц wвл = 40 • 295 = 11800 г/ч, где wвл - удельные влаговыделения одного человека, принято w = 295 г/(чел.-ч)
теплота от освещения при попадании на сцену 60 % теплоты
Qосв = 0,6Sсц qосв= 0,6 • 180 • 35,7 = 3856 Вт, где Sсц - площадь сцены (Sсц = 180 м2); qосв — теплота от освещения, приходящаяся на 1 м2 площади сцены;
теплота от оборудования и музыкальных инструментов, потребляющих электроэнергию, Qоб = Sсц qоб, где qоб - теплота от оборудования и музыкальных инструментов, потребляющих электроэнергию, приходящаяся на 1 м2 площади сцены;
принимаем, что qоб = 20 Вт/м2. Тогда (Qоб = 180 • 20 = 3600 Вт.
Общие тепловыделения по явному теплу на сцене составят ΣQт.изб.сц = Qя.сц + Qосв + Qоб = 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
Δtас = ΣQт.изб.сц •3,6/(Lп.н.сцρп.нср) = 11656 • 3,6/(3200 • 1,2 • 1) = 10,9 °С; ( 1 )
по влаге
Δdас = Wвл.сц/(Lп.н.сцρп.н) = 11800/(3200 • 1,2) = 3,1 г/кг. (2)
Для обслуживания зоны зрителей на арене остается приточного воздуха
Lп.зр.ар = Lп.н – Lп.н.сц, где Lп.н — суммарная производительность двух кондиционеров, обслуживающих ледяное поле;
Lп.зр.ар = 34 000 - 3200 = 30 800 м3/ч.
При норме подачи на зрителя lзр= 20 м3/ч приточного наружного воздуха число зрителей на арене
Лзр.ар = Lп.зр.ар /lзр = 30 800/20 = 1540 чел.
Для размещения зрителей на арене после сооружения сцены остается площадь
Sар= Sобщ – Sсц = 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
Qя.ар = Лзр.ар qя = 1540 • 58 = 89 320 Вт;
по влаговыделениям
Wвл.зр = Лзр.арwвл = 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
Δtас = Qя.ар • 3,6/(Lп.зр.ар ρп.нср) = (89320 • 3,6)/(30 800 • 1,2) = 8,7 °С;
по влаге Δdас = Wвл.зр/(Lп.зр.ар ρп.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 Lп.н = Lп.
В [1] на с. 108 в табл. 5.2 приведены данные о показателе эффективности воздухораспределения КL при подаче приточного воздуха струями в рабочую зону. Изменяя угол наклона струи, можно изменять значение показателя КL. Из преобразованного выражения для КL можно вычислить требуемую температуру приточного воздуха:
tп = tв – (tв – tп)/ КL, где tв, tу — температуры соответственно внутреннего и удаляемого воздуха. Температурный поглотительный перепад tу — tп = Δtас вычислен выше. Принимаем угол наклона струи 20 0 и KL = 1,6. По формуле (3) вычисляем требуемые значения tп:
для сцены
tп = 25- 10,9/1,6= 18,2 °С;
для арены с сидящими в креслах зрителями:
tп = 25-8,7/1,6= 19,6 °С.
Принимаем температуру приточного воздуха tп = 18,2 °С, и тогда в зоне арены температура внутреннего воздуха tв = 25 — 1,4 = 23, 6 °С, что отвечает условиям теплового комфорта.
Под потолком арены температура удаляемого воздуха составит:
tу = tп + Δtас = 18,2 + 8,7 = 26,9 °С; под потолком сцены tу=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 dн = dп = = 10 г/кг. С учетом нагрева в вентиляторе и воздуховодах на 1,5°С температура охлажденного воздуха должна быть:
tох = tп -1,5 =18,2-1,5 =16,7 °С.
Влагосодержание удаляемого воздуха
в зоне арены
dу.ар = dп + Δdас = 10 + 2,1 = 12,1 г/кт.
Пересечении изотермы tу = 26,9 °С с линией dу = 12,1 г/кг находим параметры удаляемого вытяжного воздуха (точка Уар), который летом выбрасывается в атмосферу. Влагосодержание удаляемого воздуха в зоне сцены
dу.сц=10+3,1 = 13,1 г/кг.
На пересечении изотермы tу.сц = 29,1 °С и линии dу.сц = 13,1 г/кг находим параметры воздуха, удаляемого из зоны сцены (точка Усц).
Как показывает проведенное построение, благодаря струйной подаче приточного воздуха через сопла при KL = 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: tп = -26 °С; dп= 0,6 г/кг. В зоне нахождения людей на арене комфортные параметры воздуха: tв = 20...22 °С, φв=30...40%.
Тепловой режим в зоне арены в холодный период года при qя = 87 Вт/чел. следующий:
теплопритоки от людей
Qт.изб.я.зр = Лзр.ар qя = 1540 • 87 = 133 980 Вт;
влаговыделения
Wвл.зр = Лзр.ар wвл =1540 • 40 = 61 600 г/ч ;
теплопотери через перекрытие при tу=26 °С:
Qт.пот.пер = Sар(tу – tн)/ R,
где R- приведенное термическое сопротивление перекрытия;
R =4м2 °С/Вт
Тогда Qт.пот.пер = 1620/(26 + 26)/4 = 21060 Вт.
Теплоизбытки на арене со зрителями в холодный период года составляют
Qт.изб = Qт.изб.я.зр - Qт.пот.пер = 133 980 - 21060 = 112 920 Вт.
Требуемая поглотительная способность по явной теплоте для арены со зрителями
Δtас.ар = Qт.изб3,6 (Lп.зр.ар.ρпср) = (112920 × 3,6)/(30800 • 1,23) = 10,7 °С.
Требуемая поглотительная способность по влаге для арены со зрителями
Δdас.ар = Wвл.зр/(Lп.зр.ар.ρп) = 61 600/(30 800 • 1,23) = 1,63 г/кг.
Сохраняем угол наклона сопел 20° и KL = 1,6. Вычисляем температуру приточного воздуха по формуле (3)
tп = 20— 10,7/1,6= 13,3 °С.
Влагосодержание приточного воздуха dп принимаем равным влагосодержанию наружного воздуха dн. Тогда
dу.ар = dн + Δdас = 0,6+ 1,63 = 2,23 г/кг.
Тепловой режим в зоне сцены в холодный период года будет:
по тепловыделениям от людей
Qт.я.сц = Лраб.сцqявн = 40 • 130 = 5200 Вт;
по влаговыделениям от людей
Wвл.сц = Лраб.сцW = 40 • 240 = 9600 г/ч;
от освещения Qосв и оборудования, потребляющего электроэнергию, Qоб:
Qосв + Qоб = 3856 + 3600 = 7456 Вт, как и в теплый период года.
Теплопотери через перекрытие
Qт.пот.сц =Sсц(tу – tн) /4 =180 (29 + 26)/4 = 2475 Вт.
Теплоизбытки на сцене:
Qт.изб.сц = Qя.сц + Qосв + Qоб – Qт.пот.сц = 5200 + 7456 - 2475 = 10 181 Вт.
Требуемая поглотительная (ассимиляционная) способность приточного воздуха:
по температуре — по формуле (1)
Δtас.сц =(10181 • 3,6)/(3200 • 1,23)=9,3°С;
по влаге - по формуле (2)
Δdас.сц = 9600/(3200 • 1,23) = 2,44 г/кг.
Сохраняем угол наклона сопел 20° КL=1,6.
Требуемая температура приточного воздуха по формуле (3)
tп= 20-9,3/1,6 = 14,2 °С;
Температуру приточного воздуха принимаем tп = 14,2 °С. Тогда температура удаляемого воздуха будет:
в зоне арены
tу.ар = tп + Δtас.ар = 14,2+ 10,7 = 24,9 °С;
в зоне сцены
tу.сц = tп + Δtас.сц= 14,2 + 9,3 = 23,5 °С.
Влагосодержание удаляемого воздуха в зоне сцены будет
dу.сц = dп + Δdас.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 tп = 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-Вар — поглощение тепло- и влаговыделений от зрителей на арене; Вар —Уар — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения над ареной; П-Всц - поглощение тепло- и влаговыделений от артистов и работников сцены; Всц —Усц — 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-Вар - поглощение тепло- и влаговыделений приточным воздухом на арене в зоне зрителей, сидящих в креслах; Вар—Уар — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения; П—Всц — поглощение тепло- и влаговыделений приточным воздухом в зоне сцены, где находятся люди; Всц —Усц — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения над сценой; Уа —Усм—Усц. — смешение удаляемого вытяжного воздуха; Усм—У2 — извлечение теплоты из удаляемого вытяжного воздуха в теплоизвлекающем теплообменнике вытяжного агрегата
В месте пересечения прямых tу.ар = 24,9 °С и dy.ap = 2,23 г/кг находим точку Уар. Соединяем точку Уар и П прямой и в месте пересечения с tвар = 21 °С получаем φв.ар= 15%.
В месте пересечения прямых tу.сц = 23,5 °С и dy.сц = 3,04 г/кг находим точку Усц. Соединяем прямой линией точки Усц и П и в месте пересечения с tв.сц = 20 °С определяем φв.сц = 18%. Полученные значения относительной влажности воздуха в зоне нахождения зрителей на арене и артистов на сцене меньше комфортного значения 30%. Однако расчетные значения tН1 = -26 °С и dHl = 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 φв ≥ 30 %. Соединив прямой линией точки Уар и Усц, получим средние параметры вытяжного воздуха: tу1 = 24 °С; iу1 = 31 кДж/кг.
В теплоизвлекающем теплообменнике в вытяжном агрегате на отепление антифриза будет расходоваться теплота
Qт.y= Ly py(iу1—iу2)/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
tн2 = Qт.y • 3,6/ Lпн.ρп.нср + tН1= (255 567 × 3,6)/(34 000 • 1,36 • 1) - 26 = 20 -26 = -6 °С.
В калорифере приточного агрегата необходимо нагреть приточный наружный воздух до tкл = tп = 14,2 °С. Благодаря применению установки утилизации насосной циркуляцией антифриза удается сократить расчетный расход теплоты на величину
(tН2 – tН1)/( tкл – tН1) • 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 Lп.н=Lп; 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 Lу=Lп.н; 13 — воздушный клапан для режима рециркуляции внутреннего воздуха Lв.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.
About the authors
O. Ya. Kokorin
Moscow State Construction University
Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Dr. of Technical Sciences, Professor
Russian Federation