雪車雪橇賽道負(fù)荷特性及制冷系統(tǒng)節(jié)能分析

全貞花， 劉新， 孫育英， 許樹學(xué)， 翟彥寧， 劉子初

(1.北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100124)

2015年7月31日，在吉隆坡舉行的國(guó)際奧委會(huì)第128次全體會(huì)議決定，北京攜手張家口成為2022年冬季奧運(yùn)會(huì)的主辦城市. 本次冬奧會(huì)對(duì)我國(guó)意義重大，此次契機(jī)是推動(dòng)我國(guó)冰雪運(yùn)動(dòng)及相關(guān)研究的重要機(jī)會(huì)[1]. 綠色奧運(yùn)是本屆冬奧會(huì)的首要辦奧理念，對(duì)奧運(yùn)場(chǎng)館的節(jié)能降耗與低碳管理是實(shí)現(xiàn)綠色奧運(yùn)的重要環(huán)節(jié)，因此對(duì)冰雪項(xiàng)目比賽場(chǎng)館制冷系統(tǒng)節(jié)能特性的研究尤為重要.

冬奧會(huì)雪車雪橇項(xiàng)目比賽場(chǎng)館作為冬奧會(huì)所有比賽場(chǎng)館中建設(shè)費(fèi)用最昂貴，后期運(yùn)行和維護(hù)投入最大的比賽項(xiàng)目之一，對(duì)其制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性及節(jié)能方法進(jìn)行研究是非常必要的. 本屆冬奧會(huì)雪車雪橇項(xiàng)目比賽場(chǎng)地位于延慶，該雪車雪橇賽道是全世界第17條經(jīng)國(guó)際雪車雪橇聯(lián)合會(huì)認(rèn)證的賽道，是中國(guó)的第一條. 為了達(dá)到國(guó)際賽道制冷標(biāo)準(zhǔn)，制冷系統(tǒng)采用大型直接蒸發(fā)式制冰系統(tǒng)，制冷劑采用了日益被廣泛應(yīng)用的環(huán)保型制冷劑——氨[2]，整個(gè)系統(tǒng)沖氨量達(dá)87.5 t. 賽道總長(zhǎng)度為1 975 m[3]，總制冰面積約7 000 m2，作為直接蒸發(fā)式氨制冷系統(tǒng)的末端，其負(fù)荷特性是制冷系統(tǒng)節(jié)能的重要基礎(chǔ)，對(duì)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性及能耗具有直接影響；通過賽道的負(fù)荷特性對(duì)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，將為雪車雪橇賽道制冷系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)，也為后續(xù)類似雪車雪橇賽道制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù).

2022冬奧會(huì)雪車雪橇場(chǎng)館作為中國(guó)第一條雪車雪橇比賽場(chǎng)地，國(guó)內(nèi)未有設(shè)計(jì)先例[4]，相關(guān)研究也尚屬空白. 由于其賽道結(jié)構(gòu)與冰場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，因此兩者在計(jì)算方法上具有較高的相似性. 對(duì)于人工冰場(chǎng)的負(fù)荷特性及制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究，具有較高的參考價(jià)值.

在冰場(chǎng)負(fù)荷特性研究方面，對(duì)于冰場(chǎng)負(fù)荷的計(jì)算方法，王清勤[5]進(jìn)行了歸納整理，主要有3種計(jì)算方法：實(shí)驗(yàn)圖線法、冷負(fù)荷指標(biāo)法、分項(xiàng)計(jì)算法，其中分項(xiàng)計(jì)算法物理概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單，目前被廣泛采用. 為了進(jìn)一步完善與驗(yàn)證冰場(chǎng)負(fù)荷的計(jì)算方法，有學(xué)者對(duì)冰場(chǎng)的負(fù)荷特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究. 陸亞俊等[6]與路世強(qiáng)[7]建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)冰場(chǎng)的制冷量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)制冷量相比，計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值小，建議計(jì)算冰面負(fù)荷時(shí)加大冰面吸收率；劉少杰[8]建立冰場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行建模模擬，得出空氣帶走的冷量與空氣溫度和風(fēng)速的關(guān)系式. 此外，從傳熱數(shù)值模擬的角度，也有學(xué)者對(duì)冰場(chǎng)負(fù)荷影響因素進(jìn)行了更深入的研究. 吳學(xué)君等[9]分析了冰面和制冷管的傳熱以及制冷劑流動(dòng)壓力變化，提出了一種冰面溫度場(chǎng)及負(fù)荷的數(shù)值模擬方法，可對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、室內(nèi)氣象參數(shù)、制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況等變化參數(shù)對(duì)冰面溫度場(chǎng)及冰場(chǎng)負(fù)荷的影響規(guī)律進(jìn)行分析計(jì)算；Daoud等[10]建立了室內(nèi)冰場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)空氣流動(dòng)模型、輻射模型以及濕度傳遞模型，可簡(jiǎn)單快捷地計(jì)算冰場(chǎng)內(nèi)的傳熱過程和空氣流動(dòng)過程，并利用該模型對(duì)屋頂發(fā)射率及室內(nèi)設(shè)定溫度對(duì)冰面?zhèn)鳠岬挠绊戇M(jìn)行分析.

在冰場(chǎng)負(fù)荷對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了研究. 陳偉東[11]考慮了冰場(chǎng)凍冰負(fù)荷和修冰負(fù)荷對(duì)制冷系統(tǒng)制冷量的影響，對(duì)制冷系統(tǒng)的容量進(jìn)行了分析計(jì)算；顧群[12]通過對(duì)室內(nèi)人工冰場(chǎng)的負(fù)荷理論計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)了室內(nèi)人工冰場(chǎng)的負(fù)荷特點(diǎn)，從節(jié)約能源、節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的角度提出了提高冰面設(shè)定溫度、降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射得熱、減少修冰負(fù)荷等節(jié)能措施；Seghouani等[13-14]基于熱力學(xué)關(guān)系、傳熱關(guān)聯(lián)式以及系統(tǒng)出廠參數(shù)建立了室內(nèi)冰場(chǎng)制冷系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)模型，并將其與冰場(chǎng)室內(nèi)氣流模型和冰場(chǎng)傳熱模型耦合起來，為冰場(chǎng)及制冷系統(tǒng)提供了一個(gè)完整的仿真工具，通過對(duì)典型年份的冰場(chǎng)制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算得到，當(dāng)冰場(chǎng)制冷管的溫度提升1 ℃時(shí)制冷系統(tǒng)耗能量降低16%～22%.

綜上所述，學(xué)者們對(duì)冰場(chǎng)的負(fù)荷特性及制冷系統(tǒng)的節(jié)能方法進(jìn)行了大量研究，為本文雪車雪橇賽道的負(fù)荷特性及制冷系統(tǒng)節(jié)能分析提供了參考，但目前的研究?jī)H對(duì)基于某特定環(huán)境條件下的冰場(chǎng)負(fù)荷及制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，而全年不同時(shí)刻賽道的負(fù)荷特性差異較大，對(duì)制冷系統(tǒng)的制冷需求也有較大不同，并且雪車雪橇賽道在選址、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方面與冰場(chǎng)仍有較大區(qū)別，因此對(duì)雪車雪橇賽道的負(fù)荷特性及制冷系統(tǒng)的研究需要結(jié)合雪車雪橇賽道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及環(huán)境條件展開.

本文利用分項(xiàng)計(jì)算法建立雪車雪橇賽道的負(fù)荷計(jì)算模型，并搭建賽道模型制冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證負(fù)荷計(jì)算模型結(jié)果的準(zhǔn)確性. 通過負(fù)荷計(jì)算模型計(jì)算并分析雪車雪橇賽道在全年不同氣象條件下的負(fù)荷特點(diǎn)與變化規(guī)律，再結(jié)合賽道實(shí)際規(guī)模和系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)賽道制冷系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性進(jìn)行分析，在不同運(yùn)行條件和負(fù)荷工況下對(duì)制冷系統(tǒng)的制冷量與耗功進(jìn)行比較，得出制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行方法，為后續(xù)賽道在實(shí)際應(yīng)用過程中的節(jié)能運(yùn)行打下理論基礎(chǔ).

1 賽道負(fù)荷計(jì)算模型

賽道負(fù)荷可分為初凍負(fù)荷和維持負(fù)荷. 所謂初凍負(fù)荷是指雪車雪橇賽道投入使用時(shí)，對(duì)賽道結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)冷、澆水、凍冰直到凍成一定厚度的冰面所需的負(fù)荷；維持負(fù)荷是指維持一定溫度、一定厚度冰面的標(biāo)準(zhǔn)工況以及灑水凍冰的修整工況所需的負(fù)荷. 賽道負(fù)荷的計(jì)算方法采用分項(xiàng)計(jì)算法[20]，具有清晰的物理意義，計(jì)算結(jié)果較為精準(zhǔn). 本文結(jié)合2022年冬奧會(huì)雪車雪橇場(chǎng)館的實(shí)際條件，建立雪車雪橇賽道的負(fù)荷計(jì)算模型.

1.1 賽道維持負(fù)荷計(jì)算模型

雪車雪橇賽道的維持負(fù)荷包含對(duì)流換熱負(fù)荷q1、對(duì)流傳質(zhì)負(fù)荷q2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射傳熱負(fù)荷q3、照明輻射負(fù)荷q4以及修整冰面負(fù)荷q5，各項(xiàng)負(fù)荷的單位為W/m2，具體計(jì)算方法如下.

1) 對(duì)流換熱負(fù)荷q1

q1=α(Ta-Tis)

(1)

α=3.41+3.55v

(2)

式中：α為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Ta為空氣溫度，℃；Tis為冰面溫度，℃；v為環(huán)境風(fēng)速，m/s[15].

2) 對(duì)流傳質(zhì)負(fù)荷q2

q2=km(da-dis)·r·10-3

(3)

(4)

式中：km為傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)；da為環(huán)境空氣的含濕量，g/kg；dis為冰層上表面附近空氣的含濕量，g/kg；r為凝結(jié)和凝固潛熱，水蒸氣的汽化潛熱和凝固潛熱取2 852×103J/kg；cpa為空氣的比定壓熱容，1 005 J/(kg·℃)；Le為劉易斯準(zhǔn)則數(shù)，取0.86[16].

3) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射傳熱負(fù)荷q3

雪車雪橇賽道周圍設(shè)置遮陽棚和遮陽簾形成地形氣候保護(hù)系統(tǒng)[17]，能夠阻止太陽輻射，故賽道的輻射傳熱僅包括遮陽棚及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輻射傳熱.

(5)

式中：εis為冰面的黑度，本文取0.96；εp為遮陽棚和墻體的平均黑度，取0.9；σ為黑體的輻射系數(shù)，σ=5.67 W/(m2·K4)；Te為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度，℃，取環(huán)境溫度.

4) 照明輻射負(fù)荷q4

雪車雪橇賽道照明設(shè)備全天持續(xù)工作，根據(jù)當(dāng)前冰場(chǎng)對(duì)于照明負(fù)荷的經(jīng)驗(yàn)值，照明輻射負(fù)荷值取10 W/m2[18]，即

q4=10 W/m2

(6)

5) 修整冰面負(fù)荷q5

在雪車雪橇比賽結(jié)束后，為保證冰面的平整，需鏟除冰層表面碎冰，均勻?yàn)⑺?duì)冰面進(jìn)行修整，該部分產(chǎn)生的負(fù)荷為

(7)

式中：δs為修正冰面時(shí)灑水的厚度，m；ρw為水的密度，kg/m3；Δq為灑水冷卻并結(jié)冰的熱量，取678×103J/kg[19]；tr為凍結(jié)時(shí)間，s.

此外，賽道保溫層的保溫效果良好，因此不考慮冷量損失；雪車雪橇運(yùn)動(dòng)員在賽道冰面滑行速度很快，人員散熱可忽略不計(jì).

標(biāo)準(zhǔn)工況下的維持負(fù)荷：在雪車雪橇賽道運(yùn)行的大部分時(shí)間里，賽道冰面需保持一定溫度，運(yùn)動(dòng)員在冰面滑行，冰面不采取任何措施，此時(shí)賽道的負(fù)荷主要由冰面對(duì)流換熱、對(duì)流傳質(zhì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射換熱、照明輻射組成，即

qs=q1+q2+q3+q4

(8)

修整工況下的維持負(fù)荷：為了保證冰面平整，在進(jìn)行雪車雪橇比賽一段時(shí)間后，需對(duì)賽道表面進(jìn)行灑水修整.在修整工況下，灑水后冰面除了標(biāo)準(zhǔn)工況下的與環(huán)境空氣之間的熱交換外，還包括灑水修整冰面的負(fù)荷，即

qt=q1+q2+q3+q4+q5

(9)

1.2 賽道初凍負(fù)荷計(jì)算模型

雪車雪橇賽道在初次凍冰工況下，采用逐層灑水的方式凍冰，該過程所需的制冷負(fù)荷即為初凍負(fù)荷，初凍負(fù)荷影響因素復(fù)雜，傳熱過程隨制冷時(shí)間動(dòng)態(tài)變化.雪車雪橇賽道初次凍冰時(shí)間為10 d，有充足的凍冰時(shí)間，為了便于計(jì)算，本文提出假設(shè)：1) 逐層凍冰灑水視為不間斷連續(xù)緩慢均勻?yàn)⑺?，直至冰層達(dá)到50 mm；2) 計(jì)算凍冰過程中冰面與環(huán)境換熱量時(shí)，冰面溫度視為恒定溫度.

雪車雪橇賽道的初凍負(fù)荷包括混凝土冷負(fù)荷q6、水凍冰冷負(fù)荷q7以及冰面與環(huán)境換熱量，根據(jù)假設(shè)2)，冰面與環(huán)境換熱量即為維持負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)工況下的對(duì)流換熱負(fù)荷q1、對(duì)流傳質(zhì)負(fù)荷q2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)輻射傳熱負(fù)荷q3、照明輻射負(fù)荷q4之和.混凝土冷負(fù)荷q6及水凍冰冷負(fù)荷q7計(jì)算方法如下.

1) 混凝土冷負(fù)荷q6

(10)

式中：ρc為賽道混凝土密度，kg/m3；Vc為混凝土的總體積，m3；cpc為混凝土比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；Tcs為賽道混凝土層初始溫度，℃；Tce為完成凍冰后賽道混凝土層的溫度，℃；tm為賽道初凍耗時(shí)，s.

2) 水凍冰負(fù)荷q7

(11)

式中：ρw為水的密度，kg/m3；Vw為初次凍冰灑水的總體積，m3；cpw為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；cpi為冰的比熱容，kJ/(kg·℃)；Tw為灑水溫度，℃；Ti為完成凍冰后冰層平均溫度，℃.

因此雪車雪橇賽道的初凍負(fù)荷為

qc=q1+q2+q3+q4+q6+q7

(12)

2 負(fù)荷計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 雪車雪橇賽道制冰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

冬季奧運(yùn)會(huì)雪車雪橇采用直接蒸發(fā)式氨制冷系統(tǒng)，賽道主體采用混凝土噴射工藝筑成，其內(nèi)部包含制冷排管、鋼筋網(wǎng)、免拆支網(wǎng)等，賽道底部及四周采用硬泡聚氨酯保溫.圖1所示為在無彎道處的直線賽道剖面圖.以雪車雪橇賽道結(jié)構(gòu)為依據(jù)，設(shè)計(jì)并建立賽道制冰實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?使用多根直徑為16 mm的碳鋼管同程式連接作為制冷劑蒸發(fā)排管，管間距50 mm；采用C40混凝土澆筑賽道主體，將蒸發(fā)排管埋于混凝土中(見圖2)，尺寸為1 500 mm×750 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)，模型四周及底部設(shè)置聚氨酯保溫層，防止冷量損耗.

圖1 雪車雪橇賽道結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

圖2 賽道模型示意圖

設(shè)計(jì)并搭建小型氨制冷系統(tǒng)作為賽道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦湓矗饕考▔嚎s機(jī)、管殼式冷凝器、節(jié)流閥、冷卻水箱、風(fēng)冷卻器、氣液分離器、負(fù)載水箱等，如圖3所示.壓縮機(jī)選用活塞式變頻壓縮機(jī)，蒸發(fā)溫度為-18 ℃時(shí)額定制冷量為7.6 kW.在系統(tǒng)用冷側(cè)，除了賽道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯猓€設(shè)有一臺(tái)144 L的負(fù)載水箱，水箱內(nèi)部設(shè)有制冷劑換熱盤管和0～5 kW可調(diào)節(jié)電加熱，由于賽道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠湄?fù)荷太小，通過負(fù)載水箱增加用冷側(cè)負(fù)荷，使壓縮機(jī)能夠正常運(yùn)行.為便于采集制冷劑流量，本實(shí)驗(yàn)采用負(fù)載水箱與賽道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ痛?lián).制冷系統(tǒng)的輔助部件包括油分離器、體積流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、水泵、恒壓閥、壓縮機(jī)電機(jī)等.

1—雪車雪橇賽道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2—負(fù)載水箱； 3—電加熱； 4—?dú)庖悍蛛x器； 5—壓縮機(jī)； 6—油分離器； 7—風(fēng)冷卻器； 8—冷卻水箱； 9—水泵； 10—管殼式冷凝器； 11—恒壓閥； 12—節(jié)流閥； 13—PLC控制柜； 14—計(jì)算機(jī).

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

本實(shí)驗(yàn)通過制冷機(jī)組為賽道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒禍?，達(dá)到設(shè)定溫度后，在賽道表面逐層灑水凍冰，直至冰層厚度達(dá)到50 mm，冰面溫度保持在-5～-10 ℃.在機(jī)組制冷運(yùn)行過程中，采集實(shí)驗(yàn)臺(tái)賽道模型的溫度、制冷劑流量、供回管路溫度和壓力等，通過計(jì)算賽道模型進(jìn)出口制冷劑焓差，計(jì)算賽道模型所需的制冷量Qr，即

Qr=Mref·(hin-hout)

(13)

式中：Mref為測(cè)得的制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；hin、hout分別為賽道進(jìn)、出口焓值，J/kg.通過計(jì)算分析賽道模型的制冷量及其變化規(guī)律，驗(yàn)證理論計(jì)算值的準(zhǔn)確性，為雪車雪橇賽道及制冷系統(tǒng)的負(fù)荷分析提供基礎(chǔ).

系統(tǒng)的采集裝置包括溫度傳感器、壓力傳感器、體積流量計(jì)、RWG控制柜、PLC控制柜等監(jiān)控部件.采集儀器見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀

由于測(cè)量?jī)x表精度存在偏差，數(shù)據(jù)的處理結(jié)果會(huì)不可避免地存在誤差.根據(jù)誤差傳遞原理對(duì)間接測(cè)量值誤差進(jìn)行計(jì)算[20]，設(shè)函數(shù)y是由n個(gè)獨(dú)立的自變量x1，x2，x3，…，xn組成的函數(shù)：

y=f(x1,x2,x3,…,xn)

(14)

每個(gè)獨(dú)立變量的測(cè)量誤差分別為Δx1，Δx2，Δx3，…,Δxn，根據(jù)誤差傳遞公式可計(jì)算各個(gè)y的標(biāo)

準(zhǔn)誤差

(15)

則y的相對(duì)不確定度為Δy/y.本次實(shí)驗(yàn)儀器精度見表1，通過計(jì)算得出制冷量Qr的不確定度為1.0%.

2.3 負(fù)荷計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)能量守恒定律，賽道模型的冷負(fù)荷應(yīng)與制冷量相等，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)工況的賽道制冷量與負(fù)荷計(jì)算值來進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算模型的驗(yàn)證.

由于雪車雪橇賽道在實(shí)際運(yùn)行中維持負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)工況為絕大多數(shù)時(shí)間的運(yùn)行工況，且實(shí)驗(yàn)未進(jìn)行冰面修整，因此本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工況下的維持負(fù)荷模型進(jìn)行驗(yàn)證.

實(shí)驗(yàn)工況制冷量及負(fù)荷計(jì)算值的對(duì)比如圖4所示.可以看出，該日平均氣溫為23.4 ℃，空氣相對(duì)濕度平均為71.2%；冰面溫度最高為-0.5 ℃，最低可達(dá)-7.2 ℃.通過對(duì)比，負(fù)荷模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)制冷量的最大相對(duì)誤差為14.8%，整體誤差基本在可接受范圍內(nèi).因此可認(rèn)為負(fù)荷計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確.

圖4 負(fù)荷計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3 雪車雪橇賽道負(fù)荷特性

3.1 雪車雪橇賽道負(fù)荷特性分析

賽道的初次凍冰工況和修整工況在賽道實(shí)際使用過程中很少出現(xiàn).經(jīng)調(diào)研，國(guó)外雪車雪橇賽道一年通常只進(jìn)行一次初次凍冰工況，歷時(shí)10 ～15 d，相對(duì)時(shí)間較短；修整工況僅在賽道平整度影響正常比賽時(shí)進(jìn)行，在賽道運(yùn)行大部分時(shí)間內(nèi)賽道在標(biāo)準(zhǔn)工況下運(yùn)行.因此本文主要針對(duì)賽道在標(biāo)準(zhǔn)工況下的賽道負(fù)荷特性進(jìn)行分析.

3.1.1 賽道全年負(fù)荷特性

本文采集了雪車雪橇賽道場(chǎng)館一年的逐時(shí)氣象參數(shù)(2018年5月—2019年4月)，將逐時(shí)環(huán)境溫濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)代入到負(fù)荷計(jì)算模型中計(jì)算賽道的逐時(shí)負(fù)荷，雪車雪橇賽道冰面設(shè)計(jì)溫度為-10 ℃～-5 ℃，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)冰面溫度取中間值-7.5 ℃.

圖5所示為標(biāo)準(zhǔn)工況下賽道全年單位面積負(fù)荷的變化規(guī)律.可以看出，賽道的全年負(fù)荷隨季節(jié)變化很大，負(fù)荷最大值出現(xiàn)在2018年8月，為1 055 W/m2，此時(shí)環(huán)境溫度26.2 ℃，相對(duì)濕度79%，風(fēng)速2 m/s，溫濕度較高且風(fēng)速較快，導(dǎo)致總負(fù)荷較大.2018年12月—2019年2月均出現(xiàn)制冷負(fù)荷為0的情況，即賽道無制冷負(fù)荷，通過分析氣象參數(shù)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種情況的環(huán)境氣溫均低于冰面計(jì)算溫度-7.5 ℃，且空氣含濕量較低，導(dǎo)致計(jì)算所得的對(duì)流換熱負(fù)荷、對(duì)流傳質(zhì)負(fù)荷及輻射傳熱負(fù)荷計(jì)算值均為負(fù)值，此時(shí)無須制冷系統(tǒng)制冷即可維持賽道冰層滿足使用要求，因此總維持負(fù)荷為0 W/m2.

圖5 賽道全年逐時(shí)單位面積負(fù)荷

3.1.2 不同季節(jié)的賽道負(fù)荷特性

延慶地區(qū)屬于我國(guó)寒冷地區(qū)，不同季節(jié)氣象條件差異較大，因此根據(jù)不同季節(jié)的氣象特點(diǎn)，對(duì)春季(3月—5月)、夏季(6月—8月)、秋季(9月—11月)、冬季(12月—2月)四季進(jìn)行平均負(fù)荷的計(jì)算.

圖6為不同季節(jié)平均逐時(shí)單位面積負(fù)荷的變化趨勢(shì)，可以看出，各季節(jié)在白天(8:00—20:00)時(shí)段負(fù)荷值均為先上升后下降的趨勢(shì)，夜間(20:00—次日8:00)時(shí)段負(fù)荷均相對(duì)平穩(wěn)，在白天13:00—15:00時(shí)段，負(fù)荷值達(dá)到全天最大，這是受太陽輻射的影響，環(huán)境溫度升高，導(dǎo)致對(duì)流換熱負(fù)荷、輻射換熱負(fù)荷均上升，進(jìn)而使總負(fù)荷增大.夏季日平均逐時(shí)單位面積負(fù)荷的最大值為627.8 W/m2，最小值為374.6 W/m2，相差253.2 W/m2；冬季日平均逐時(shí)單位面積負(fù)荷的最大值為112.8 W/m2，最小值為36.4 W/m2，相差76.4 W/m2；春、秋兩季負(fù)荷日逐時(shí)單位面積負(fù)荷變化規(guī)律基本相同，最大值平均為318.9 W/m2，最小值161.6 W/m2，兩者相差157.3 W/m2.

圖6 不同季節(jié)單位面積平均負(fù)荷變化規(guī)律

從圖7可以看出，春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)單位面積逐時(shí)冷負(fù)荷的平均值分別為233.2、481.4、211.3、64.4 W/m2；夏季冷負(fù)荷最大可達(dá)1 055 W/m2，而冬季最大冷負(fù)荷僅403.5 W/m2.可見夏季時(shí)賽道所需的制冷量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季時(shí)所需的制冷量，夏季的平均制冷量是冬季的7倍多.

圖7 不同季節(jié)單位面積平均負(fù)荷及最大負(fù)荷

圖8為不同季節(jié)各分項(xiàng)負(fù)荷占總冷負(fù)荷的比例，可以看出，春、秋兩季各分項(xiàng)負(fù)荷的分布基本一致，對(duì)流換熱負(fù)荷占比最大，其次是輻射傳熱負(fù)荷和凝結(jié)換熱負(fù)荷，燈光負(fù)荷占比最小；夏季凝結(jié)換熱負(fù)荷占比最大，主要是由于氣溫高、空氣含濕量大導(dǎo)致的，其次是對(duì)流換熱負(fù)荷和輻射傳熱負(fù)荷，燈光負(fù)荷占比最?。欢诙?，對(duì)流換熱負(fù)荷占比最大，其次是輻射傳熱負(fù)荷和燈光負(fù)荷，凝結(jié)換熱負(fù)荷最小，主要是由于冬季氣溫低，空氣含濕量小，水蒸氣幾乎不發(fā)生凝結(jié).

圖8 不同季節(jié)各分項(xiàng)負(fù)荷分布規(guī)律

3.1.3 不同月份的賽道負(fù)荷特性

圖9為2018年5月到2019年4月的平均負(fù)荷及月最大負(fù)荷，可以看出，7月份平均負(fù)荷最大，為524.0 W/m2；12月份單位面積冷負(fù)荷最小，為39.3 W/m2.雪車雪橇運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡量避免在高負(fù)荷月份進(jìn)行比賽，在12月—2月賽道負(fù)荷較低的月份進(jìn)行，可在很大程度上實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的節(jié)能.

圖9 賽道月平均負(fù)荷與最大負(fù)荷

3.2 制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)工況下制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性

2022年冬奧會(huì)雪車雪橇場(chǎng)館賽道總制冰面積約為7 000 m2，制冷系統(tǒng)共設(shè)置5臺(tái)同型號(hào)的氨制冷螺桿式變頻壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)工況下COP為3.19.制冷系統(tǒng)的制冷量除了承擔(dān)賽道制冷負(fù)荷外，還需承擔(dān)氨泵的熱量及沿制冷管程的冷量損耗.氨泵提供的能量使制冷劑氨在賽道制冷管中流動(dòng)，這些能量最終化為熱量成為氨制冷機(jī)組的制冷負(fù)荷，雪車雪橇賽道制冷系統(tǒng)共設(shè)置4個(gè)氨泵，每個(gè)氨泵負(fù)責(zé)不同區(qū)域，總運(yùn)行功率為51.13 kW；制冷管程的冷量損耗取2%～4%的附加值[15].即制冷系統(tǒng)的總制冷量約為

Qt=(qs×A+Qb)×1.03×Ts

(16)

式中：Qt為賽道制冷系統(tǒng)的總制冷量，J；A為賽道冰面總面積，m2；Qb為氨泵的實(shí)際功耗；Ts為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，s.

壓縮機(jī)功耗的計(jì)算方法為

(17)

式中W為壓縮機(jī)的功耗，kW.

通過對(duì)雪車雪橇賽道制冷系統(tǒng)的制冷量及壓縮機(jī)功耗進(jìn)行計(jì)算，可對(duì)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行理論分析.

圖10為冰面溫度為-7.5 ℃時(shí)，2018年5月到2019年4月一年制冷系統(tǒng)的累計(jì)制冷量和逐時(shí)制冷功率，從圖中可以看出全年總制冷量為5.50×104GJ，全年壓縮機(jī)功耗約為4 786.08 MW·h.其中，夏季(6月—8月)累計(jì)制冷量上升斜率最大，制冷功率相對(duì)其他月份較大，出現(xiàn)全年最大制冷功率7 435.57 kW，這幾個(gè)月總制冷量為2.72×104GJ，占全年總制冷量的49.5%.經(jīng)調(diào)研，國(guó)外雪車雪橇賽道在夏季(6月—8月)基本不運(yùn)行，而本屆冬奧會(huì)雪車雪橇中心賽后還將承擔(dān)中國(guó)國(guó)家隊(duì)訓(xùn)練基地、國(guó)際雪車雪橇賽大眾體驗(yàn)參觀及賽后運(yùn)營(yíng)配套設(shè)施，夏季運(yùn)行與否視運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練情況而定，因此出于系統(tǒng)節(jié)能角度考慮，本賽道在6月—8月份無運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練計(jì)劃或體驗(yàn)參觀需求時(shí)停止賽道制冷，一年可減少系統(tǒng)近一半的制冷量.

圖10 制冷系統(tǒng)全年制冷功率及累計(jì)制冷量

圖11為制冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下壓縮機(jī)耗電量隨冰面溫度的變化，在冰面要求范圍內(nèi)(-10 ℃～-5 ℃)冰面溫度每上升1 ℃，制冷系統(tǒng)年制冷量減少2 028.18 GJ，壓縮機(jī)年耗電量減少176.61 MW·h，能耗可節(jié)省3.6%.因此當(dāng)冰面溫度從設(shè)計(jì)范圍內(nèi)-10 ℃上升到-5 ℃時(shí)，制冷系統(tǒng)年總制冷量可減少1.01×104GJ，總耗電量減少883.05 MW·h，節(jié)能率16.5%.

圖11 壓縮機(jī)全年制冷量及耗電量隨冰面溫度的變化

3.2.2 修整工況和初次凍冰工況下制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性

修整工況和初次凍冰工況在制冰過程中占比較小.修整工況的平均灑水厚度取0.002 m，凍結(jié)時(shí)間為10 h.圖12為以2月份為例，在逐時(shí)平均氣象條件下，修整工況的制冷系統(tǒng)的逐時(shí)制冷功率.白天(8:00—20:00)制冷功率較大，15:00制冷量達(dá)到801.95 kW，為全天最大，白天平均制冷功率為612.53 kW；夜間(20:00—次日8:00)制冷量較小，且隨時(shí)間變化不大，平均制冷量為375.04 kW.因此，修整工況在夜間(20:00—次日8:00)進(jìn)行可減少38.8%的制冷功率.

圖12 修整工況制冷系統(tǒng)的逐時(shí)制冷功率

圖13為初凍工況在不同月份的制冷量，可以看出12月—2月初凍制冷功率最小，平均為407.35 kW；制冷功率為6月—8月最大初凍制冷功率最大，平均為3 582.87 kW，其中8月份最大初凍制冷功率為7 744.96 kW，為制冷系統(tǒng)最不利工況時(shí)所需的最大制冷量，對(duì)制冷系統(tǒng)制冷量需要過大，因此不建議在此時(shí)進(jìn)行初凍工況.經(jīng)調(diào)研，國(guó)際現(xiàn)有的雪車雪橇賽道通常在9月份開始凍冰，此時(shí)本賽道制冷系統(tǒng)的平均制冷功率為5 895.64 kW，而10月份平均制冷功率為3 665.06 kW，相比減少了37.8%.因此，結(jié)合本賽道實(shí)際的氣候條件，在不影響賽時(shí)正常使用的情況下，凍冰時(shí)間調(diào)整至10月能夠在較大程度減少制冷系統(tǒng)的制冷量，進(jìn)而提升制冷機(jī)組能效，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能減排.

圖13 初凍工況制冷系統(tǒng)的制冷功率

3 結(jié)論

本文對(duì)雪車雪橇賽道負(fù)荷特性及制冷系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行分析，為賽道制冷系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化研究提供理論基礎(chǔ)，主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：

1) 建立了雪車雪橇賽道制冰維持負(fù)荷和初凍負(fù)荷的負(fù)荷計(jì)算模型，設(shè)計(jì)搭建雪車雪橇賽道模型制冰實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)負(fù)荷計(jì)算模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明建立的負(fù)荷計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較小誤差，滿足賽道負(fù)荷的分析計(jì)算要求.

2) 對(duì)不同季節(jié)、不同月份標(biāo)準(zhǔn)工況下的雪車雪橇賽道負(fù)荷及其變化規(guī)律和分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析.全年最大單位面積負(fù)荷為1 055 W/m2，春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)單位面積平均冷負(fù)荷分別為233.2、481.4、211.3、64.4 W/m2；7月份平均負(fù)荷最大，為524.0 W/m2；12月份最小，為39.3 W/m2.一天內(nèi)負(fù)荷最大值出現(xiàn)在13:00—15:00，早上和晚上負(fù)荷相對(duì)較小.

3) 對(duì)冬奧會(huì)雪車雪橇賽道制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性及規(guī)律進(jìn)行了分析，并給出節(jié)能建議.賽道在賽后需承擔(dān)國(guó)家隊(duì)訓(xùn)練基地、國(guó)際雪車雪橇賽大眾體驗(yàn)中心等任務(wù)，在設(shè)計(jì)工況下，制冷系統(tǒng)全年制冷量為5.50×104GJ，耗電量為4 786.08 MW·h，其中夏季(6月—8月)占比49.5%，此時(shí)視情況停止雪車雪橇賽道運(yùn)行，一年可減少近一半能耗；冰面溫度每上升1 ℃，制冷壓縮機(jī)能耗可節(jié)省3.6%，將冰面從-10 ℃提升至-5 ℃可節(jié)能16.5%；修整工況在夜間進(jìn)行制冷功率小于白天，2月份夜間制冷功率相比白天可減少38.8%；初次凍冰工況從9月調(diào)整為10月，制冷功率可減少37.8%.