室內(nèi)人工冰場設(shè)計與運(yùn)行的節(jié)能措施探討

(深圳奧意建筑工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518031)

0 引 言

近年來，室內(nèi)娛樂型人工冰場相繼在各大城市的大型購物中心出現(xiàn)，真雪滑冰場逐漸成為了大眾休閑娛樂的項(xiàng)目之一。室內(nèi)娛樂型人工冰場主要強(qiáng)調(diào)其商業(yè)性，基本不考慮賽事的場地技術(shù)要求[1-2]。冰場的設(shè)計以滿足冰場使用功能，提高人員的舒適度為目標(biāo)，在此前提下，盡可能的提高系統(tǒng)效率，降低冰場能耗和日常運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)娛樂性冰場的自身特點(diǎn)，從節(jié)能角度出發(fā)，降低冰場的能耗其主要途徑為降低冰場耗冷量，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[3-4]。

1 冰場耗冷量特點(diǎn)

室內(nèi)娛樂型人工冰場通常在大型購物中心內(nèi)，全年室內(nèi)溫度通常在18～24 ℃，室內(nèi)相對濕度50%～65%之間，冰場內(nèi)的冰面低于周邊環(huán)境的溫度，可視為持續(xù)低溫冷源，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊物體、燈光、人員等均為熱源，以冰面為研究對象，其冷負(fù)荷構(gòu)成主要有三方面：對流換熱、輻射得熱和傳導(dǎo)得熱。對流換熱主要指由于與周邊空氣發(fā)生的對流換熱和空氣中水蒸汽凝結(jié)成冰的傳質(zhì)過程；輻射得熱主要包括天花板等周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)、燈及物體產(chǎn)生的輻射；傳導(dǎo)得熱主要包括：水泵的溫升、地面?zhèn)鳠帷⑷藛T散熱等等。此外，對于修整工況，冷負(fù)荷還包括修整冰面時澆水產(chǎn)生的水凝結(jié)為冰的潛熱。

根據(jù)對某冰場近一個月的實(shí)際測試結(jié)果分析，冰場的耗冷量特點(diǎn)分析如下：

1.1 冷負(fù)荷需求較為穩(wěn)定，具有一定規(guī)律

根據(jù)對某冰場近一個月的實(shí)際測試，制冷站每天的總制冷量較為穩(wěn)定， 以運(yùn)行中的制冷機(jī)制冷量的連續(xù)測試的三天結(jié)果為例，圖1可以看出連續(xù)三天波動規(guī)律接近，峰值近似。

1.2 冷負(fù)荷波動主要由工況變化決定

根據(jù)冰場的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，其工況主要分為以下幾種。

圖1 制冷機(jī)逐時制冷量

1.2.1 初次制冰

初次制冰的負(fù)荷包括對冰場進(jìn)行預(yù)冷、澆水凍冰、至凍成一定厚度的并所需的制冷量。初次制冰階段需要制冷機(jī)全力運(yùn)行，保證在一定時間內(nèi)形成一定厚度的冰層，最終達(dá)到設(shè)定的冰層厚度。初次制冰的負(fù)荷的彈性較大，可以采取延長初凍時間等措施減少其負(fù)荷，一般該部分負(fù)荷不作為設(shè)計研究目標(biāo)。作為以休閑娛樂為主要用途的室內(nèi)冰場，從調(diào)研結(jié)果來看，通常在冰場以營業(yè)前進(jìn)行了一次初次制冰過程，在沒有特殊情況下，很少進(jìn)行全場融化再次制冰，該工況運(yùn)行幾率較小。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)工況

標(biāo)準(zhǔn)工況指冰場可供滑冰的日常運(yùn)行工況，冰面保持設(shè)定溫度，滑冰者在冰面滑行。該工況下對冰面不采取任何特殊措施。標(biāo)準(zhǔn)工況下的冷負(fù)荷主要由對流放熱、對流傳質(zhì)、輻射傳熱、太陽輻射、地面?zhèn)鳠?、照明?fù)荷、人體負(fù)荷組成。

1.2.3 修整工況

修整工況指為保證冰面的平整，在冰場清場后，鏟除表面碎冰，灑水修整冰面。該工況下由修整車灑下的水在短時間內(nèi)需要凍結(jié)為冰。

經(jīng)調(diào)研，日常營業(yè)情況下，冰場的修整分為兩種，一是在營業(yè)狀態(tài)的下定時修整，通常修整凍結(jié)時間為20 min左右。二是在定期進(jìn)行的在晚間營業(yè)結(jié)束后的對冰面厚度的修整，以保證冰面持續(xù)保持一定的厚度，并且厚度均勻，厚度修整工作持續(xù)6～7 h，該時段制冷站正常運(yùn)行。

修整工況下的負(fù)荷除標(biāo)準(zhǔn)工況負(fù)荷外還包括由于澆冰帶來的水變成冰所釋放的熱量。

1.2.4 夜間覆蓋工況

為降低冰面消耗，節(jié)約能源，冰場停止?fàn)I業(yè)后，將在冰面覆蓋毯子，降低冰面與周邊環(huán)境的換熱。通常在該工況下，制冷系統(tǒng)全部關(guān)閉，利用冰及冰面下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄冷能力，保持冰面溫度持續(xù)在0 ℃以下。

2 冰場設(shè)計與運(yùn)行的節(jié)能措施探討

根據(jù)娛樂性冰場的自身特點(diǎn)，從節(jié)能角度出發(fā)，降低冰場的能耗其主要途徑為降低冰場耗冷量，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

2.1 提高冰面設(shè)定溫度

根據(jù)國標(biāo)GB/T19995.3-2006《天然材料體育場使用要求及檢驗(yàn)方法 第3部分：運(yùn)動冰場》中冰面溫度也要求-3～-5 ℃。冰面溫度較低，是一個持續(xù)的冷源，而周邊環(huán)境均為熱源，經(jīng)測算，冰面溫度由目前的-6 ℃提到-4 ℃度，冷負(fù)荷將降低5%左右。同時適度提高冰面溫度，可有效地改善冰場周邊環(huán)境溫度。按照對冰場上方2 m處空氣溫度的實(shí)地測定，冰面溫度-6 ℃其白天的平均溫度約為18 ℃，對于周邊觀看者及休息等待的人員來說，舒適感較差。此外由于冰面溫濕度的影響，冰場周邊護(hù)欄玻璃等在早晨長時間出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，適度的提高冰面溫度，可有效緩解結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.2 降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射得熱

冰場的冷負(fù)荷的主要部分是輻射得熱，天花板、周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用低發(fā)射率的材質(zhì)，可有效降低輻射。在滿足美觀要求的基礎(chǔ)上可考慮采用一些低輻射材料作為天花板、周邊護(hù)欄擋板等，可大大消減輻射得熱。冰場上空盡量不設(shè)置任何設(shè)施，避免冰面冷輻射直接造成的影響。冰場四周的圍欄盡量高一些，例如2.5 m以上，有效阻止冰面向四周空間的冷輻射。

2.3 減少夜間散熱量

冰場在夜間工況下，需要盡量減少對周邊的散冷量。冰面夜間散熱方式主要為輻射，冰面就是一個巨大的冷源持續(xù)向外輻射冷量，可考慮選取上下表面均為鋁箔的低輻射材料表面，降低冰面向毯子的輻射的同時減少毯子上表面向周圍的輻射，最好能將毯子略微支起，使冰面和毯子中間形成一個較薄的空氣層，空氣層可阻隔傳導(dǎo)及對流。

2.4 減少由于冰面整修引起的負(fù)荷

根據(jù)對冰場冷負(fù)荷的研究，冷負(fù)荷的峰值取決于冰面休整所需冷負(fù)荷的大小，也就是休整冰面時用水量的大小和水的溫度。根據(jù)《1998 ASHRAE Refrigeration Handbook》，在冰面休整時采用帶有礦物質(zhì)的水，可將冰面溫度提高1 ℉(0.556 ℃)，同時可以增強(qiáng)冰面的抗磨損能力。冰面的磨損減少，冰面休整需要的冷量及冰面休整的次數(shù)都將減少，從而降低由于冰面休整引起的負(fù)荷尖峰值及總冷負(fù)荷。

2.5 合理選擇制冰系統(tǒng)

人工冰場的供冷通?？蛇x擇直接(膨脹)供冷和間接供冷兩種方式，直接供冷方式冷量損失少，在同樣的冰面溫度下，有較高的蒸發(fā)溫度，制冷機(jī)COP高，能耗低，輸送能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，但直接蒸發(fā)系統(tǒng)安全性差，系統(tǒng)的蓄能能力小，對施工質(zhì)量要求高，施工周期長。相比直接供冷，間接供冷系統(tǒng)的水容量大，蓄能能力強(qiáng)，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力強(qiáng)，安全性和環(huán)保性強(qiáng)。實(shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)綜合考慮冰場的實(shí)際條件，運(yùn)行要求，合理選擇制冰系統(tǒng)。

2.6 制冷壓縮機(jī)過熱蒸氣的利用

在系統(tǒng)設(shè)計時，可考慮將壓縮機(jī)排出的過熱蒸氣的熱量加以利用，設(shè)置熱交換器供地坪防凍加熱、冰面整修需用熱水等用途。

2.7 合理控制制冷機(jī)啟停，降低制冷機(jī)電耗

冰場的實(shí)際冷負(fù)荷需求很穩(wěn)定，主要隨工況變化，其不同工況的需求量也相對穩(wěn)定，因此制冷機(jī)的最佳選擇應(yīng)為按照冰場的負(fù)荷需求提供制冷量，可保證制冷機(jī)負(fù)荷率變化較小，運(yùn)行平穩(wěn)。同時選擇具有冷量調(diào)節(jié)的能力變頻制冷機(jī)，應(yīng)充分發(fā)揮制冷機(jī)的卸載能力，根據(jù)不同的工況制定制冷機(jī)運(yùn)行時間表和控制策略，確保冰面在一定范圍內(nèi)變化，同時根據(jù)制冷機(jī)的實(shí)際調(diào)節(jié)能力，可以考慮利用冰的蓄冷能力，在不同階段設(shè)定不同冰面溫度，從而確保制冷機(jī)始終高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.8 科學(xué)合理地設(shè)計冰場的空調(diào)環(huán)境

冰場的空調(diào)環(huán)境不僅需要滿足使用者的舒適度要求，同時要求消除冰面和防護(hù)板上的霧氣，防止結(jié)露等方面。從節(jié)能角度考慮，建議冰場區(qū)域冬/夏季的溫度分別為18 ℃/22 ℃,冰場周邊環(huán)境空調(diào)冬/夏季的溫度分別為18 ℃/24 ℃,周邊必須是微正壓環(huán)境，以防止冰場外的濕熱空提過多進(jìn)入冰場區(qū)域，冰場區(qū)域的氣流速度盡量控制在0.3 m/s以內(nèi)，同時推薦將所有新風(fēng)都進(jìn)行深度干燥處理后進(jìn)入冰場區(qū)域，不同季節(jié)、不同的使用時期，可適當(dāng)減少處理新風(fēng)量以降低能耗。

2.9 對于間接制冷系統(tǒng)，應(yīng)合理控制乙二醇流量，降低水泵能耗

由于冰場制冰工藝的要求，系統(tǒng)需采用“大流量小溫差系統(tǒng)”，根據(jù)《1998 ASHRAE Refrigeration Handbook》中的規(guī)定：“對于直徑較大的場地，由于冷卻劑的供回水溫差需要控制在2～3 ℉(1.1～1.67 ℃)，因此冷卻液的流量控制在10～15 gpm/冷噸(每kW冷量對應(yīng)流量0.18～0.27 l/s)”。

3 結(jié)束語

冰場的冷負(fù)荷根據(jù)工況的不同有較大差異，因此不同工況下應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整系統(tǒng)的流量，可考慮根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求，乙二醇水泵可根據(jù)實(shí)際工況及制冷機(jī)調(diào)節(jié)需求選取低流量水泵，提高水泵效率，降低水泵能耗。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[2] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計手冊(2版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008:2629-2631.

[3] ASHRAE. 1998 ASHRAE Refrigeration Handbook.ASHREA Inc,1998.

[4] 劉 亮.室內(nèi)娛樂性冰場的環(huán)境空調(diào)設(shè)計[J].暖通空調(diào)，2013,43(10):79-82.