Air conditioning and refrigeration system of artificial ice rinks

Abstract

Two schemes of arrangement of air exchange (the traditional one based on mixing, and the modern one based on displacement) are compared. It is shown that the use of the displacement scheme of arrangement of air exchange leads to considerable reduction of energy consumption with the year round operation of air conditioning system and to improvement of sanitary and hygiene qualities of the air.

Full Text

Задачей систем кондиционирования воздуха (СКВ) в помещениях искусственных катков является создание в зоне зрительских трибун условий теплового комфорта. Можно принять, что, следя за игрой в хоккей, зрители по физиологическим нагрузкам выполняют легкую работу, при которой взрослый человек выделяет так называемые вредности — явную теплоту, влагу, углекислый газ и запахи. Для удаления вредностей по СНиП [4] необходимо подавать в помещение приточный наружный воздух в количестве l_п.н= 20 м³/( чел.-ч).

В теплый период года в зоне нахождения зрителей комфортные параметры воздуха отвечают температуре t_в = 23... 25 °С и влажности φ_в = 40...60 % [4]. Примем за верхние пределы комфортных параметров температуру t_в = 25 °С, влажность φ_в = 60%, при которых от взрослого человека выделяется явной теплоты q_я — 64 Вт/чел. и влаги = 115 г/ (чел.-ч).

В холодный период года условия теплового комфорта для зрителей без верхней одежды сохраняются при t_в = 20...22 °С и φ_в = 30...40 % [4]. При таких температурно-влажностных условиях взрослый человек выделяет явной теплоты q_я = 100 Вт и влаги w_вл = 75 г/ (чел.-ч).

Тепловые, влажностные и газовые выделения от зрителей имеют температуру, близкую к температуре тела человека 36,6 °С, что определяет массовую плотность паров и газов, меньшую, чем плотность окружающего воздуха. Поэтому потоки вредных выделений от зрителей будут активно подниматься вверх.

При традиционных схемах организации воздухообмена сверху вверх (смесительная вентиляция) приточный воздух поступает через диффузоры сверху и, опускаясь, вовлекает в приточные струи поднимающиеся от зрителей вредные пары и теплоту, в результате чего происходит их перемешивание.

В зону нахождения зрителей поступает перемешанная струя, содержащая часть выделившихся вредных паров и запахов, что снижает санитарно-гигиенические качества кондиционированного воздуха.

За последние годы в зарубежной практике кондиционирования воздуха основным стал метод вытеснительной вентиляции. Приготовленный приточный воздух подается в зону нахождения людей с малыми скоростями (0,2...0,35 м/с).

В статье [5] рассматривается опыт создания спортивного комплекса в Японии в Саппоро. Трибуны для зрителей вмещают 42 300 мест. Они разделены на 12 зон, в каждой из которых можно регулировать микроклимат. Кондиционированный воздух подается непосредственно к зрителям (рис. 1). Для такой схемы по условиям тепловой комфортности перепад температур в рабочей зоне ограничен Δt_раб.з ≤ 3 °С [4].

Рис. 1. Принципиальная схема подачи приточного воздуха к креслам зрителей

Рассмотрим особенности режимов работы СКВ при двух вариантах организации воздухообмена: традиционном смесительном сверху вверх и вытеснительном снизу вверх. Выделяем на трибуне зону, где размещаются 1000 человек.

В теплый период года для климата Москвы [4]: t_н = 28,5 °С; i_н = 54 кДж/кг. По нормам [4] в зону трибуны на 1000 мест требуется подавать приточный наружный воздух в количестве L_пн.мин= Лl_пн = 1000 • 20  = 20 000 м³/ч, где Л — число зрителей.

Помещение с трибунами для зрителей и с ледяным полем через стены окружены отапливаемыми зимой вспомогательными помещениями, с которыми нет трансмиссионного теплообмена. Крыша здания с внутренней стороны покрыта тепловой изоляцией с алюминиевой фольгой на внутренней стороне [1], что определяет малые теплопритоки летом.

Основные тепло- и влаговыделения определяются числом зрителей на трибунах:

по явной теплоте

Q_т.изб.л=1000 • 64 = 64 000 Вт;

по влаге

W_вл.л = Лw_вл= 1000 • 115 = 115 000 г/ч.

От ледяного поля на зрителей поступает отраженный радиационный поток охлаждения (Вт)

Q_х.р.л = f_rЛλ_повq_рφ_р,

где f_r - площадь поверхности тел взрослого зрителя 1,6 м²;

λ_пов — доля облучаемой поверхности сидящего человека; принимаем λ_пов = 0,6;

q_р — удельный поток радиационного охлаждения; q_р= 80 Вт/м² [1];

φ_р - угловой средний коэффициент отраженной облученности трибун; принимаем φ_р= 0,3.

Тогда по формуле (1) получим

Q_x.р.л = 1,6 • 1000 • 0,6 •80 • 0,3 = 23 000 Вт.

Общие теплоизбытки на трибуне на 1000 зрителей составят

Q_т.изб = 64 000 – 23 000 = 41 000 Вт. 

Энергетически целесообразно использовать СКВ на минимально возможна производительность по приточному наружному воздуху [2]. Тогда для рассматриваемой зоны трибуны от СКВ требуется обеспечить поглотительную (ассимиляционную) способность:

по восприятию явных тепловыделений Δt_ас= (Qт.изб • 3.6)/(L_пн.минρ_пнс_р) = (41 000 • 3,6)/(20 000 • 1,2 • 1 ) = 6,2 °С;

по восприятию влаговыделений

ΔW_вл.ас  = W_вл.л /(L_пн.минρ_пн) =115000/(20000 • 1,2) = 4,8 г/кг.

Построение на i,d-диаграмме расчетного режима работы традиционной СКВ в теплый период года в климате Москвы по параметрам Б [4] показано на рис. 2. Требуемые температура и влагосодержание приточного воздуха для традиционной схемы смесительной вентиляции:

t_п= t_в – Δt_ас = 25 – 6,2 = 18,8 °С;

d_п = d_в – ΔW_вл.ас = 12 – 4,8 = 7,2 г/кг.

Рис. 2. Построение на і,d-диаграмме расчетного режима работы СКВ зоны зрительских трибун в теплый период года при традиционной схеме организации воздухообмена сверху вверх: H-OХ — охлаждение и осушение приточного наружного воздуха в воздухоохладителе центрального кондиционера; ОХ-П₁, — нагрев приточного воздуха в вентиляторе и воздуховодах; П₁-П — нагрев приточного воздуха в зональном воздухонагревателе или калорифере приточного агрегата; П-В — восприятие тепло- и влаговыделений в помещении в зоне трибун для зрителей

Из рис. 2 следует, что требуемое влагосодержание приточного воздуха может быть достигнуто охлаждением и осушением наружного воздуха (точка Н) до параметров точки OX: d_ох = d_п = 7,2 г/кг; t_п = 10 °С; φ_ох = 92%; i_ох = 28,5 кДж/кг.

Принимаем, что в вентиляторе и воздуховодах приточный воздух нагреется на 1°С.т. е. t_пl = 10 + 1 = 11 °С. В зональном подогревателе или калорифере второго подогрева необходимо догреть приточный воздух:

Δt_кл = t_п – t_пl = 18,8 – 11 =7,8 °С.

В рассматриваемом расчетном режиме для теплого периода года расход хонда на охлаждение приточного наружного воздуха составит:

Q_х.пн = L_пн.ρ_пн (і_н – і_ох)/3,6 = 20 000 • l,2 ×(54 – 28,5)/3,6 = 170 000 Вт.

На догрев в калорифере приточного воздуха требуется теплоты:

Q_кл = L_пнρ_пнс_р(t_п – t_пl)/3,6 = 20 000 • 1,21 • 1(18,8-11 )/3,6 = 52 434 Вт.

Наличие в составе приточного агрегата калорифера позволит увеличивать температуру приточного воздуха t_п в тех зонах, где не будет полного заполнения трибуны зрителями. Приточный агрегат следует дополнить приточными и рециркуляционными воздуховодами, соединенными с вестибюлем и другими помещениями, расположенными вокруг трибун и арены. На время перерыва, когда зрители покидают трибуны, необходимо открывать воздушные клапаны на приточных воздуховодах в вестибюль, куда в перерывах выходят зрители.

Показанная на рис. 1 принципиальная схема подачи приточного наружного воздуха непосредственно к креслам зрителей может иметь различные конструктивные решения, зависящие от строительных решений трибуны [3, 5].

При организации воздухообмена методом вытеснительной вентиляции (по схеме снизу вверх) необходимо вычислить температуру t_у удаляемого из-под потолка трибун вытяжного воздуха.

Температуру t_у (°С) вычисляют по формуле [2]

t_у = K_L(t_в – t_п) + t_п                                      (2)

где K_L — показатель эффективности организации воздухообмена, который определяют по методике, приведенной в [2].

В соответствии с этой методикой K_L находят по графику (см. [2] - рис. 1.4 на с. 24) в зависимости от отношения теплопоступлений в рабочую зону (для рассматриваемого случая это зона нахождения зрителей в креслах) к общим теплоизбыткам. При этом учитывают, что только 30% выделяемой зрителями явной теплоты остается в рабочей зоне, а 70% поднимается с конвективными потоками под потолок. При отношении теплопоступлений к теплоизбыткам, равном 0,3, показатель K_L = 2,8 [2].

Приняв соответствующий комфортным условиям перепад температур в приточной струе Δt_ас = 2,5 °С, получим температуру приточного воздуха t_п = 22,5 °С. По формуле (2) определим температуру удаляемого воздуха:

t_у = 2,8(25 – 22,5) + 22,5 = 29,5 °С.

Приняв d_п = d_H = 10 г/кг, получим d_y = d_п + Δd_ac = 10 + 4,8 = 14,8 г/кг.

При построении на i,d-диаграмме (рис. 3) в месте пересечения линий t_у = 29,5 °С и d_y = 14, 8 г/кг находим точку У — параметры удаляемого из-под потолка вытяжного воздуха. Внутренняя поверхность перекрытия будет иметь температуру порядка 30 °С, трансмиссионные теплопритоки через перекрытия будут малы, и их можно не учитывать. Соединяем точку П и точку У прямой и на пересечении с линией t_в = 25 °С получим φ_в = 60%, что отвечает комфортным условиям в зоне нахождения зрителей в теплый период года [4].

Расход холода на охлаждение приточного наружного воздуха составит 

Q_х.пн = L_пнρ_пнс_р(t_н – t_ох)/3,6 = 20 000 • 1,2 • 1(28,5 – 21,5)/3,6=46670 Вт.

Вычислим снижение расхода холода (%) в режимах приготовления приточного воздуха при использовании в СКВ схемы вытеснительной вентиляции (см. рис. 3) вместо традиционной смесительной (см. рис. 2):

(170 000 – 46 670)/170 000 • 100 = 72,5%.

Рис. 3. Построение на і,d-диаграмме расчетного режима работы СКВ зоны зрительских трибун в теплый период года при современной схеме организации воздухообмена (подача приточного воздуха к креслам зрителей и вытяжка отепленного влажного воздуха под потолком): И-ОХ — охлаждение приточного воздуха в центральном кондиционере; ОХ-П — нагрев приточного воздуха в вентиляторе и воздуховодах; П-В — поглощение тепло- и влаговыделений в зоне кресел со зрителями; В-У — поглощение тепло- и влаговыделений по высоте помещения зоны трибун

Расчеты показывают, что при использовании современной вытеснительной схемы вентиляции требуемая мощность холодильной машины почти в 4 раза меньше, чем при традиционной смесительной. Это компенсирует затраты на более дорогое устройство воздухораспределения в зону нахождения зрителей.

В расчетных условиях холодного периода года при t_в = 20 °С тепло- и влаговыделения в зоне нахождения зрителей составляют:

по явной теплоте

Q_{т.изб.я.л} = 1000 • 100 = 100 000 Вт;

по влаге

W_вл.л = 1000 • 75 = 75 000 г/ч.

При температуре в зоне нахождения зрителей t_в = 20 °С удельный радиационный поток охлаждения, поступающий к зрителям от ледяного поля, q_р = 65 Вт/м² [1].

Тогда по формуле (1) вычисляем полный радиационный поток охлаждения:

Q_х.р.л = 1,6 • 1000 • 0,6 • 65 • 0,3=18 720 Вт.

В зоне трибун под перекрытием помещения катка зимой поддерживается температура не менее 20 °С, что позволяет избежать конденсации водяных паров на строительных конструкциях. В климате Москвы в холодный период года по СНиП [4] принимают параметры наружного воздуха Б [4]: температура t_н = –26 °С; влагосодержанис d_н= 0,6 г/кг; энтальпия і_н = –25,3 кДж/кг.

Через перекрытие в зоне трибун трансмиссионные теплопотери составляют 22 000 Вт.

Тогда расчетные теплоизбытки в холодный период года

Q_т.изб = 100 000 – 22 000 – 18 720 = 59 280 Вт.

Поглотительная (ассимиляционная) способность подогретого приточного наружного воздуха:

по восприятию явной теплоты

Δt_ас = (Q_т.изб • 3,6)/ (L_пнρ_пнс_р) = (59 280 • 3,6)/(20 000 • 1,22 • 1 ) = 8,7 °С;

по восприятию влаговыделений

Δd_ас = 75 000/(20 000 • 1,22) = 3,1 г/кг.

Построение расчетного режима работы в холодный период года по традиционному варианту (со смесительной вентиляцией) показано на рис. 4.

Рис. 4. Построение на і,d-диаграмме расчетного режима работы СКВ зоны зрительских трибун в холодный период года при традиционной схеме организации воздухообмена сверху вверх: H-H₁ — нагрев приточного наружного воздуха в теплоотдающем теплообменнике установки утилизации; Н₁-Кл — нагрев приточного наружного воздуха в калорифере; Kл-B — поглощение тепло- и влаговыделений в зоне трибун со зрителями; В-У — извлечение теплоты из вытяжного выбросного воздуха в теплоизвлекающем теплообменнике установки утилизации

В целях экономии тепловой энергии первоначально приточный наружный воздух нагревается в теплоотдающем теплообменнике установки утилизации с насосной циркуляцией антифриза. Требуемая температура нагрева приточного наружного воздуха в калорифере приточного агрегата

t_кл = t_п = t_в — Δt_ас = 20 – 8,7 = 11,3 °С.

Влагосодержание приточного воздуха равно расчетному влагосодержанию наружного воздуха:

d_н = d_п = 0,6 г/кг.

После восприятия влаговыделений в зоне трибун влагосодержание внутреннего воздуха

d_в = d_п + Δd_ас = 0,6 + 3,1= 3,7 г/кг.

На пересечении линий t_п = 20 °С и d_п =3,7 г/кг находим на i,d-диаграмме точку В. В схеме СКВ со смесительной вентиляцией вытяжной воздух поступает к теплоизвлекаюшему теплообменнику с температурой t_в. Пунктирной линией на рис. 4 показан процесс В-У извлечения теплоты вытяжного воздуха в теплоизвлекающем теплообменнике установки утилизации с насосной циркуляцией антифриза при условии сохранения положительного значения конечной температуры удаляемого воздуха t_у = 4 °С.

Общее количество извлекаемой теплоты в установке теплоутилизации

Q_т.у = L_уρ_ус_р(t_в – t_у)/3,6 = 20 000 • 1.23 • 1(20 – 4)/3,6 = 109 333 Вт.

Нагрев приточного наружного воздуха в установке утилизации при условии L_y ≈ L_п.н составит

Δt_у = (Q_т.у • 3,6)/(L_п.нρ_п.нс_р) = 109333 • 3,6/(20 000 • 1,33 • 1)=14,8°С

Температура приточного воздуха после установки утилизации

t_н1= t_н + 14,8 = –26+ 14,8 = —11,2°С

В калорифере приточного агрегата на нагрев приточного наружного воздух потребуется теплоты

Q_т.кл = L_п.нρ_п.нс_р(t_п – t_н1)/3,6. 

Таким образом, Q_т.кл = 20 000 • 1,29 • 1(11,3+ 11,2)/3,6 = 161 250 Вт.

В СКВ с вытеснительной вентиляцией температуру приточного воздуха по условиям теплового комфорта принимаем t_п = 17,5 °С. Тогда температура удаляемого вытяжного воздуха t_y = 2,8(20 – 17,5) + 17,5 = 24,5 °С.

Влагосодержание приточного воздуха d_y = d_п + Δd_ас. = 0,64 + 3,1 = 3,7 г/кг.

На рис. 5 на i,d-диаграмме в месте пересечения линий t_у1 = 24,5 °С и d_yl = 3,7 г/кг получим начальные параметры удаляемого воздуха (точка У₁). Пунктирными линиями показан процесс извлечения теплоты в установке утилизации до t_y2 = 4°С.

Рис. 5. Построение на і,d-диаграмме расчетного режима работы СКВ зоны зрительских трибун в холодный период года при современной схеме организации воздухообмена (подача приточного воздуха к креслам зрителей и вытяжка отепленного воздуха под потолком): Н-Н₁ — нагрев приточного наружного воздуха в теплоотдающем теплообменнике установки утилизации; H₁-Kл — нагрев приточного воздуха в калорифере; Кл-В — поглощение тепло- и влаговыделений в зоне кресел со зрителями; В-У₁ — восприятие тепло- и влаговыделении по высоте помещения; В-У₂ — извлечение теплоты вытяжного воздуха в теплоизвлекающем теплообменнике установки утилизации

Общее количество утилизируемой теплоты

Q_т.у = L_уρ_ус_р (t_в – t_у2)/3,6 = 20 000 × 1,21 • 1 (24,5 – 4)/3,6 = 137 800 Bт.

Температура нагрева приточного наружного воздуха в установке утилизации

t_н1= t_н + Δ t_у = t_н + (Q_т.у • 0,36)/( L_пнρ_пнс_р ) = –26 + (137800 • 3,6)/(20 000 • 1,32 • 1 ) = –7,2 °С.

Расход теплоты в калорифере центрального кондиционера в соответствии с формулой (3) составит

Q_т.кл = 20 000 • 1,22 • 1(17,5 + 7,2)/3,6 = 167 411 Вт.

Таким образом, значения Q_т.кл для сравниваемых вариантов смесительной и вытеснительной вентиляции близки.

Через точки У₁ и П проводим прямую и на пересечении с t_в = 20 °С находим φ _в = 18%, что ниже требуемого комфортного значения. Но расчетные температура t_н = –26°С и влагосодержание наружного воздуха в холодный период d_H = 0,6 г/кг (точка Н) сохраняются короткое время (до 46 ч/год), а большую часть времени температура и влажность наружного воздуха более высокие, что обеспечивает получение с помощью СКВ комфортных значений относительной влажности внутреннего воздуха φ_в ≥ 30 %.

Принципиальная схема кондиционера для обслуживания зоны трибуны на 1000 зрителей показана на рис. 6.

Рис. 6. Принципиальная схема кондиционера для обслуживания зоны трибун: 1 — клапан забора наружного воздуха (L_п.н = L_п); 2 — карманный фильтр EU5; 3 — теплоотдающий теплообменник установки утилизации; 4 — камера смешения для прохода рециркуляционного воздуха в количестве L_В.РЕЦ в режиме воздушного отопления при отсутствии зрителей; 5 — воздухоохладитель с поддоном и сепаратором; 6 — калорифер; 7 — приточный вентилятор; 8 — шумоглушитель; 9 - приточный воздуховод для подачи приточного воздуха в количестве Lп в зону трибун зрителей; 10 — воздуховод для подачи приточного воздуха в перерывы, когда зрители выходят в вестибюль; 11 — фильтр EU3; 12 — теплоизвлекающий теплообменник установки утилизации; 13 - вытяжной вентилятор; 14 — клапан регулирования выброса в атмосферу вытяжного удаляемого воздуха в количестве L_у; 15 — клапан для возврата воздуха на рециркуляцию L_В.РЕЦ при воздушном отоплении помещения катка при отсутствии зрителей

В рабочем режиме кондиционер действует по прямоточной схеме при L_п.н = = 20 000 м³/ч. Технологические блоки кондиционера изготовляются фирмой York International в соответствии с рациональными размерами каркаса с шагом 50 мм [1]. В кондиционере предусмотрена традиционная схема организации воздухообмена, которую в теплый период года необходимо применять для охлаждения и осушения приточного воздуха (см. рис. 2).

В современной схеме организации воздухообмена снизу вверх охлаждение происходит при постоянном влагосодержании, что обусловливает снижение расхода холода в 4 раза (см. рис. 3). В результате значительно уменьшается число рядов воздухоохладителя (поз. 5 на рис. 6). Остальные технологические блоки сравниваемых режимов для кондиционеров одинаковы по назначению.

Сравнение двух схем организации воздухообмена в СКВ, предназначенной для обслуживания трибун со зрителями, показывает, что современные схемы с организацией воздухообмена снизу вверх имеют значительные энергетические преимущества. Поэтому при строительстве новых помещений для искусственных катков рационально в конструкции трибун закладывать приточные воздуховоды; воздухораспределительные устройства, например, как показано на рис. 1 или в работах [3, 5].

Новые схемы организации воздухообмена позволяют значительно снизить расход энергии при круглогодовом функционировании СКВ и улучшить санитарно-гигиеническое качество воздуха в зоне нахождения зрителей на трибунах.

Фирма York International при создании систем холодоснабжения ледяного поля применяет высокоэффективные холодильные машины, подбираемые в зависимости от назначения катка.

Энергетически рационально использовать горячую воду от конденсаторов холодильных машин в качестве источника теплоты для воздухонагревателей СКВ и на цели горячего водоснабжения.

Для намораживания льда на поверхности катка от испарителей холодильных машин подается антифриз с температурой —12 °С. В режиме намораживания льда работают две холодильные машины холодопроизводительностью по 350 кВт. В режиме поддержания требуемой температуры намороженного льда работает одна холодильная машина, а вторую можно использовать в теплый период года для снабжения СКВ холодом. Горячая вода от конденсаторов холодильных машин может служить источником теплоснабжения СКВ. Показанные на рис. 4 и 5 режимы нагрева приточного наружного воздуха в калориферах энергетически рационально осуществлять с помощью теплоты, получаемой в конденсаторе холодильной машины, работающей на поддержание температуры намороженного льда.