СПОСОБ ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА КРЫТОГО КАТКА
METHOD OF COLD SUPPLY TO AIR CONDITIONING SYSTEM OF INDOOR ICE RINK

Изобретение относится к вентиляционной и холодильной технике и может быть использовано на крытых катках с искусственным льдом.
Известен способ холодоснабжения системы кондиционирования воздуха крытого катка, включающий зарядку аккумулятора холода теплопередачей хладагенту холодильной установки и последующее направление холодоносителя через аккумулятор холода в воздухоохладитель системы кондиционирования. Способ основан на использовании холодильной установки катка в ночное время (АС СССР №696248, кл. A63C 19/10, Бюл. №41, 1979 г.).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ холодоснабжения системы кондиционирования воздуха крытого катка, включающий зарядку аккумулятора холода теплопередачей хладагенту холодильной установки и последующее направление холодоносителя через аккумулятор холода в воздухоохладитель системы кондиционирования. Способ основан на использовании холодильной установки катка в ночное время перед режимом эксплуатации (АС СССР №1326852, кл. А63С 19/10, Бюл. №28, 1987 г.).
Недостатком этого способа является высокая интенсивность эксплуатации холодильной установки катка и связанные с этим энергозатраты, что объясняется следующим образом. В ночное время холодильная установка работает в режиме мощности, близкой к максимальной, по причине неизвестной заранее точной потребности в холоде в режиме эксплуатации катка, который продолжается, как правило, с утра до вечера. Эта неизвестность обусловлена неточностью прогноза температуры воздуха и, особенно, влажности. Как известно, вероятность предсказания погоды пока меньше 100%. Поскольку холодоснабжение системы кондиционирования необходимо, главным образом, для осушки воздуха катка в летнее время, зарядка аккумулятора должна быть полной или близкой к тому, чтобы наверняка осушить наружный воздух, подаваемый на каток, в том числе во время дождя. В противном случае на катке возникнет туман, осложняющий программу соревнований или тренировок. При недоиспользовании заряженного аккумулятора холода, когда атмосферные условия благоприятны, тепловая энергия (холода) постепенно рассеивается и, следовательно, работа холодильной установки на аккумулятор холода полностью не оправдана.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является приведение в соответствие работы холодильной установки катка на систему кондиционирования воздуха с ее фактической потребностью. Данная задача решается за счет того, что в способе холодоснабжения системы кондиционирования воздуха крытого катка, включающем зарядку аккумулятора холода теплопередачей хладагенту холодильной установки и последующее направление холодоносителя через аккумулятор холода в воздухоохладитель системы кондиционирования, в отличие от прототипа, массу аккумулятора холода добавляют в хранилище аккумулятора холода частями, пропорциональными потребности, для чего перед эксплуатацией катка на его поверхность направляют по меньшей мере один ледозаливочный комбайн, посредством которого собирают первую часть аккумулятора холода в виде ледяной крошки и ледяной стружки с поверхности катка, выгружают собранный лед в хранилище аккумулятора холода, после чего в режиме эксплуатации катка, периодически, в соответствии с регламентом и технологией подготовки льда ледозаливочными комбайнами, продолжают добавлять в хранилище аккумулятора холода собранный лед, а холодоноситель подают с орошением собранного льда и после подмешивания в холодоноситель образовавшейся талой воды смесь очищают от механических и биологических включений, затем обеззараживают, причем перед выездами ледозаливочных комбайнов взвешивают количество льда в хранилище аккумуляторе холода и рассчитывают потребную массу льда, необходимую до следующей загрузки льда в хранилище аккумулятора холода, а недостающий слой льда на катке по итогам режима эксплуатации наращивают посредством ледозаливочного комбайна после режима эксплуатации. В качестве холодоносителя выбирают воду, излишек которой после подмешивания в него талой воды, очистки и обеззараживания смеси резервируют для заправки ледозаливочного комбайна, а обеззараживание холодоносителя осуществляют воздействием на него ультрафиолетового излучения.
В заявляемом способе работа холодильной установки катка на систему кондиционирования приводится в соответствие с ее фактической потребностью, т.к. не происходит накопления излишней массы аккумулятора холода. В соответствии с текущей атмосферной обстановкой при выезде ледозаливочного комбайна, осуществляемом раз в 30-90 минут для подготовки льда независимо от потребности в аккумуляторе холода, собирается столько льда, сколько требуется для холодоснабжения системы кондиционирования. С этой целью может быть задействовано и два ледозаливочных комбайна. Заявляемый способ позволяет также снизить энергозатраты, связанные с функционированием холодильной установки. В предельном случае при минимальной потребности системы кондиционирования в холоде холодильная установка не работает на зарядку аккумулятора холода вовсе, поскольку хватает льда, срезаемого комбайном по существующей технологии подготовки ледовой поверхности. Т.е. в заявляемой технологии используются ресурсы другой технологии с отличиями, диктуемыми потребностями системы кондиционирования в холоде.
Заявленный способ поясняется схемами на фиг.1-3.
На фиг.1 представлена схема катка в плане; на фиг.2 - схема кондиционера с воздухоохладителем; на фиг.3 - схема холодоснабжения воздухоохладителя системы кондиционирования.
3
3
3
3
На катке с границами здания 1 и ледового поля 2 в помещении 3 размещена холодильная установка 4, а в помещении 5 - центральный кондиционер 6, соединенный трубами 7, 8 с хранилищем аккумулятора холода 9. Над ледовым полем 10 размещены приточные воздуховоды 11 и рециркуляционные воздуховоды 12 с вентилятором 13. Вытяжная система катка не показана. Центральный кондиционер 9 снабжен воздухозабором 14. В кондиционере 9 имеется секция первого подогрева 15, секция смешения 16, секция вентилятора 17, воздухоохладитель 18, секция второго подогрева 19. Воздухоохладитель 18 подключен к водяному контуру, образованному трубопроводами 20-28, погружным насосом 29 с частотным регулированием производительности, обратным клапаном 30, запорной арматурой 31-34, форсунками 35, 36, хранилищем аккумулятора холода 37 с водяной ванной 38 и аккумулятором холода 39 в виде ледяной крошки и ледяной стружки. Контур снабжен водонагревателем 40, подключенным через трубопроводы 41-44 и запорную арматуру 45, 46 параллельно воздухоохладителю 18. Аккумулятор холода 39 размещен на раме с сеткой (не показана). Рама 47 подвешена на четырех связях 48 (две из них не показаны), которыми могут быть стержни или тросы. Связи 48 закреплены в 4 измерительных опорах 49 (две из них не показаны), служащих для измерения веса (массы) аккумулятора холода 39 одним из известных способов, например, тензометрическим. В простейшем случае каждая связь 48 - это безмен, а результат взвешивания - сумма показаний 4-х безменов. Водяная ванна 38 соединена с приямком 50 погружного насоса 29. Хранилище аккумулятора холода 37 окружено теплоизоляцией 51. В водяной контур воздухоохладителя 18 введены система очистки 52 воды от механических и биологических включений и система ее обеззараживания 53. Системой очистки 52 может быть сочетание механического и биологического фильтров. Система обеззараживания 53 основана на ультрафиолетовом воздействии на воду и включает ультрафиолетовую лампу (не показана). На выходе из воздухоохладителя 18 имеется ответвление 54 с запорно-регулирующим клапаном 55, соединенное трубопроводом 56 с баком 57 для воды, выведенной из контура воздухоохладителя. Эта вода может быть использована для заправки ледозаливочного комбайна 58. В баке 57 установлен погружной насос 59 и сливной кран 60. Для регулирования воды, поступающей в воздухоохладитель 18, предусмотрена перепускная линия с трубопроводами 61, 62 и регулирующим вентилем 63. Ледозаливочный комбайн 58 снабжен ножами для подрезания льда, бункером для ледяной стружки, емкостью 3-3,5 м, основным баком для воды, емкостью 0,7-0,8 м, баком промывочной воды, емкостью 0,15-0,25 м и может быть снабжен дополнительным баком, емкостью 0,2 м (не показаны). В водяной ванне 38 размещен трубный змеевик 64, подключенный через трехходовой регулирующий вентиль 65, запорные вентили 66, 67 к холодильной установке 4, которая также соединена с трубной системой холодоснабжения поля трубопроводами 68, 69 через запорную арматуру 70, 71. В трубную систему холодоснабжения поля и змеевик 64 заправлена жидкость с температурой замерзания не выше минус 30°С. Посредством этой жидкости хладоагент холодильной установки 4 имеет тепловой контакт с ледовым полем 10 и холодоносителем системы холодоснабжения воздухоохладителя - в данном случае водой из ванны 38.
1
Согласно заявляемому способу в качестве первого шага перед эксплуатацией катка вначале рассчитывается масса льда, которую необходимо срезать с поверхности поля для начала работы системы кондиционирования катка и в период до второго пополнения хранилища аккумулятора холода. Эта масса льда (M) равна
где,
Qc=Мс×Сс×ΔТ (Дж) - количество теплоты, требующееся для захолаживания системы холодоснабжения воздухоохладителя до рабочей температуры;
Мс (кг) - масса системы холодоснабжения воздухоохладителя, например Мс=5000 кг;
Сс (Дж/кг·град.С) - осредненная по массе удельная теплоемкость системы холодоснабжения воздухоохладителя, например, Сс=3500 Дж/кг·градС;
ΔТ=То-Тр;
То (°С) - начальная температура системы холодоснабжения воздухоохладителя, осредненная по массе, например То=5°С;
Тр (°С) - рабочая температура холодоносителя, подаваемого в воздухоохладитель, например, Тр=+2°С;
Х1
1
Qp/э1=N·τ (Дж) - количество теплоты, требующееся для охлаждения воздуха системой холодоснабжения воздухоохладителя в режиме эксплуатации катка до второго пополнения хранилища аккумулятора холода льдом;
1
1
τ (с) - продолжительность работы системы холодоснабжения воздухоохладителя до второго пополнения аккумулятора холода льдом, например, τ=2500 с;
н
Nx (Вт) - потребная холодопроизводительность воздухоохладителя на первые 2500 секунд режима эксплуатации катка; например Nx=113000* Вт, что соответствует режиму массового катания 50 человек одновременно в летний день с температурой воздуха 26,3°С и относительной влажностью φ=56% (* - данная величина рассчитана по классической методике, согласно гл.3 раздела 3.3 книги Кокорина О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. - М.: Физматлит, 2003 г., стр.91-103);
5
λ=3,3·10 (Дж/кг) - удельная теплота плавления льда;
Сл=2100 (Дж/кг·град.С) - удельная теплоемкость льда;
ΔТл (°С) - начальная температура поверхностного слоя льда, например, - 3°С;
Св=4200 (Дж/кг·град.С) - удельная теплоемкость воды.
Тогда,
6
Qс=Mс×Сс×ΔТ=5000·3500·3=52,5·10 Дж
Х1
1
6
Qp/э1=N·τ=113000·2500=282,5·10 Дж
1
1
M=(Qc+Qp/э)/(λ+Сл×ΔТл+Св×ΔТр)=
6
6
5
(52,5·10+282,5·10)/(3,3·10+2100·3+4200·2)=972 кг
Данное количество льда эквивалентно срезанию слоя льда толщиной 0,55 мм. Если верхний слой - рыхлый, толщина слоя - величина условная.
В качестве второго шага согласно заявляемому способу взвешивают количество льда 39 в хранилище аккумулятора холода 9. Измерительная система 48-49 позволяет измерять текущую массу льда. В приводимом примере перед началом эксплуатации катка в хранилище аккумулятора холода льда нет, его масса Мо=0. Поэтому при первом выезде ледозаливочного комбайна должно быть собрано льда:
I
1
1
M=(M-Mo)=M
Таким образом, в качестве третьего шага действий согласно заявляемому способу на ледовое поле направляют ледозаливочный комбайн 10, ножи которого выставляют на углы атаки для сбора 972-1000 кг льда в качестве аккумулятора холода. Ледозаливочный комбайн 10 перемещается по полю 10 по траекториям, указанным стрелками, охватывая примерно за 10 минут работы всю поверхность поля. Одновременно комбайн 10 осуществляет операции по подготовке поверхности льда с заливкой водой. Расход воды на заливку от 300 кг до 1 т. В частном случае на место срезанного льда заливается такое же количество воды. Собранный комбайном 10 лед выгружают в хранилище 9 аккумулятора холода. Через некоторое время (примерно 5 минут) при работающей холодильной установке 4 свежий слой воды затвердеет, приобретет прочность и далее начинают режим эксплуатации катка с запуском системы кондиционирования и, соответственно, системы холодоснабжения воздухоохладителя.
I
Если величина M превышает грузоподъемность по льду ледозаливочного комбайна 10, следует выпустить на ледовое поле 2 комбайна или заранее приобрести для катка комбайны больших размеров. Для всесезонных ледовых арен с большим количеством зрителей потребности системы холодоснабжения катка намного превышают возможности использования собираемого льда. В этом случае уже на стадии проектирования предусматривается две системы кондиционирования: одна для зоны ледового поля, другая - для зоны трибун со зрителями. Заявляемый способ следует планировать в качестве рабочей технологии именно для зоны ледового поля.
Если перед режимом эксплуатации система холодоснабжения воздухоохладителя (в приведенном примере массой 5000 кг) прогрелась и ее температура близка к температуре окружающей среды в летнее время, можно одновременно с заготовкой льда прибегнуть к предварительному ее захолаживанию путем подключения к холодильной установке 4 при открытых вентилях 66, 67 с регулированием через трехходовой клапан 65.
Четвертым шагом заявляемого способа является подача насосом 29 холодоносителя (воды) из ванны 38 по трубопроводам 25, 24, 23 через обратный клапан 30 и запорный вентиль 31 в систему очистки 52, где отфильтровываются механические включения, а также биологические включения, которыми могут быть выделения слизистых человека. Далее по трубопроводу 22 воду подают в ультрафиолетовую лампу 53, где происходит обеззараживание холодоносителя, что необходимо по санитарным соображениям эксплуатации катка. Далее по трубопроводам 28, 27, через открытые вентили 33, 34 воду подают к форсункам 35, 36, которые отрегулированы на орошение массива льда 39. Некоторые форсунки могут направлять струю мимо массива 39 в связи с небольшими его размерами или специально, для исключения замерзания всей разбрызгиваемой воды при небольших расходах. Стекающая с массива льда вода с примесью талой воды имеет температуру, близкую к 0°С, например +2°С. Эта температура является оптимальной для воздухоохладителя 18 системы центрального кондиционера 9, в котором свежий воздух по патрубку 13 поступает на вход 14 далее в секцию первого подогрева 15, которая может не функционировать в летнее время. Смешиваясь с воздухом катка, поступающим по рециркуляционному воздуховоду 12 и имеющим температуру 18°С в секцию 16, воздух поступает в секцию воздухоохладителя 18, где холодоноситель с начальной температурой +2°С охлаждает и осушает воздушную смесь до температуры +10,8°С и относительной влажности 92%. Далее воздушная смесь нагревается в секции 19 до температуры 21°С и поступает по воздуховодам 11 в пространство катка 2. Осушка воздуха в воздухоохладителе предотвращает выпадение тумана над ледовым полем. Работа системы осушки актуальна в весенне-летне-осенний период. Это относится и к заявляемому способу.
На выходе из воздухоохладителя температура холодоносителя составляет +7°С, чего достаточно для организации таяния льда при его орошении таким образом отепленным холодоносителем. Регулирование режима работы воздухоохладителя «вход +2/выход +7°С» осуществляют посредством изменения частоты вращения насоса 29 и степени открытия регулирующего клапана 63. Поступление в систему холодоснабжения воздухоохладителя талой воды приводит к увеличению общей массы холодоносителя. Для удаления излишка воды предусмотрено ответвление 54 с клапаном 55, по которым излишек воды по трубопроводу 56 направляют в бак 57 с насосом 59 и дренажным вентилем 60. Этот объем воды далее направляют в систему (не показана) для подготовки воды с целью повторного использования в ледозаливочном комбайне.
По истечении первого периода режима эксплуатации катка (3000 секунд) повторяют описанную выше технологию. Оценку потребного количества аккумулятора холода осуществляют по формуле:
2
где с индексом «2» значатся, соответственно, потребные масса льда и холодопроизводительность системы кондиционирования во втором периоде режима эксплуатации катка продолжительностью τ. При этом начальную массу льда Мо определяют взвешиванием посредством системы 48-49. Во время второго выезда ледозаливочной техники должно быть собрано льда не менее:
II
2
М=(М-Мо).
В режиме эксплуатации, т.е. в течение дня, погода может измениться с сухой на влажную и вместе с наружным воздухом, подаваемым в кондиционер по воздуховоду 13, на каток может попасть лишняя влага. Потребность в холоде для осушки воздуха повышается, потребная масса очередной порции льда возрастает и она загружается в хранилище аккумулятора холода в ближайший выезд ледозаливочной техники.
Восстановление толщины срезанного льда посредством ледозаливочной техники осуществляют частично или полностью сразу при работе ледозаливочной техники в перерывах на подготовку льда или после режима эксплуатации. Ко второму варианту прибегают в случае общего снижения толщины льда по итогам дня. При этом учитывается тенденция к утолщению льда, вызванная конденсацией влаги на лед и ее примерзанием. Это обстоятельство, с одной стороны, снижает потребную мощность по холоду системы кондиционирования, с другой стороны, способствует большей «собираемости льда». С учетом конденсации влаги на ледовом поле реальная потребная холодопроизводительность системы кондиционирования может быть на 40% ниже результата, полученного по вышеупомянутой методике. Т.е. вместо 113 кВт в приведенном выше примере Nx=68 кВт.
Энергозатраты на дозаливку после режима эксплуатации будут меньше, т.к. температуру заливочной воды можно принять ниже.
В зимнее время потребности в осушке воздуха над ледовым полем нет или она значительно ниже летней. Возникающая при этом необходимость утилизации льда решается за счет циркуляции воды через водонагреватель 40 по трубопроводам 42, 41, 43, 44 при открытых вентилях 45, 46. Одновременная прокачка воды через воздухоохладитель и водонагреватель необходима также при массе собираемого льда, превышающей потребности системы кондиционирования.
Заявляемый способ холодоснабжения системы кондиционирования не требует накопления холода накануне режима эксплуатации. Он позволяет обеспечить ровно такую потребность системы кондиционирования в холоде, какая вызвана переменчивой погодой или другими незапланированными факторами. Например, это могут быть изменения в дневном режиме эксплуатации (вместо тренировок - соревнования или массовое катание). В итоге, холодильная установка катка меньше работает на аккумулятор холода или, точнее, на восстановление льда на поле, которое обусловлено повышенным его расходом минувшим днем. В частном случае, собранного по технологии подготовки ледовой поверхности льда будет хватать для системы кондиционирования зоны ледового поля и тогда интенсивность эксплуатации холодильной установки будет минимальной, обусловленной исключительно задачей поддержания ледяного покрытия.
Кроме того, излишки очищенной и обеззараженной воды, выводимые из системы холодоснабжения воздухоохладителя, могут быть использованы для заправки баков ледозаливочной техники и т.о. использованы повторно.