室内人工冰场设计与运行的节能措施探讨

2014-08-24

应用能源技术 2014年6期

(深圳奥意建筑工程设计有限公司，广东深圳 518031)

0 引言

近年来，室内娱乐型人工冰场相继在各大城市的大型购物中心出现，真雪滑冰场逐渐成为了大众休闲娱乐的项目之一。室内娱乐型人工冰场主要强调其商业性，基本不考虑赛事的场地技术要求[1-2]。冰场的设计以满足冰场使用功能，提高人员的舒适度为目标，在此前提下，尽可能的提高系统效率，降低冰场能耗和日常运行费用。根据娱乐性冰场的自身特点，从节能角度出发，降低冰场的能耗其主要途径为降低冰场耗冷量，提高系统运行效率[3-4]。

1 冰场耗冷量特点

室内娱乐型人工冰场通常在大型购物中心内，全年室内温度通常在18～24 ℃，室内相对湿度50%～65%之间，冰场内的冰面低于周边环境的温度，可视为持续低温冷源，围护结构、周边物体、灯光、人员等均为热源，以冰面为研究对象，其冷负荷构成主要有三方面：对流换热、辐射得热和传导得热。对流换热主要指由于与周边空气发生的对流换热和空气中水蒸汽凝结成冰的传质过程；辐射得热主要包括天花板等周边围护结构、灯及物体产生的辐射；传导得热主要包括：水泵的温升、地面传热、人员散热等等。此外，对于修整工况，冷负荷还包括修整冰面时浇水产生的水凝结为冰的潜热。

根据对某冰场近一个月的实际测试结果分析，冰场的耗冷量特点分析如下：

1.1 冷负荷需求较为稳定，具有一定规律

根据对某冰场近一个月的实际测试，制冷站每天的总制冷量较为稳定，以运行中的制冷机制冷量的连续测试的三天结果为例，图1可以看出连续三天波动规律接近，峰值近似。

1.2 冷负荷波动主要由工况变化决定

根据冰场的实际运行特点，其工况主要分为以下几种。

图1 制冷机逐时制冷量

1.2.1 初次制冰

初次制冰的负荷包括对冰场进行预冷、浇水冻冰、至冻成一定厚度的并所需的制冷量。初次制冰阶段需要制冷机全力运行，保证在一定时间内形成一定厚度的冰层，最终达到设定的冰层厚度。初次制冰的负荷的弹性较大，可以采取延长初冻时间等措施减少其负荷，一般该部分负荷不作为设计研究目标。作为以休闲娱乐为主要用途的室内冰场，从调研结果来看，通常在冰场以营业前进行了一次初次制冰过程，在没有特殊情况下，很少进行全场融化再次制冰，该工况运行几率较小。

1.2.2 标准工况

标准工况指冰场可供滑冰的日常运行工况，冰面保持设定温度，滑冰者在冰面滑行。该工况下对冰面不采取任何特殊措施。标准工况下的冷负荷主要由对流放热、对流传质、辐射传热、太阳辐射、地面传热、照明负荷、人体负荷组成。

1.2.3 修整工况

修整工况指为保证冰面的平整，在冰场清场后，铲除表面碎冰，洒水修整冰面。该工况下由修整车洒下的水在短时间内需要冻结为冰。

经调研，日常营业情况下，冰场的修整分为两种，一是在营业状态的下定时修整，通常修整冻结时间为20 min左右。二是在定期进行的在晚间营业结束后的对冰面厚度的修整，以保证冰面持续保持一定的厚度，并且厚度均匀，厚度修整工作持续6～7 h，该时段制冷站正常运行。

修整工况下的负荷除标准工况负荷外还包括由于浇冰带来的水变成冰所释放的热量。

1.2.4 夜间覆盖工况

为降低冰面消耗，节约能源，冰场停止营业后，将在冰面覆盖毯子，降低冰面与周边环境的换热。通常在该工况下，制冷系统全部关闭，利用冰及冰面下围护结构的蓄冷能力，保持冰面温度持续在0 ℃以下。

2 冰场设计与运行的节能措施探讨

根据娱乐性冰场的自身特点，从节能角度出发，降低冰场的能耗其主要途径为降低冰场耗冷量，提高系统运行效率。

2.1 提高冰面设定温度

根据国标GB/T19995.3-2006《天然材料体育场使用要求及检验方法第3部分：运动冰场》中冰面温度也要求-3～-5 ℃。冰面温度较低，是一个持续的冷源，而周边环境均为热源，经测算，冰面温度由目前的-6 ℃提到-4 ℃度，冷负荷将降低5%左右。同时适度提高冰面温度，可有效地改善冰场周边环境温度。按照对冰场上方2 m处空气温度的实地测定，冰面温度-6 ℃其白天的平均温度约为18 ℃，对于周边观看者及休息等待的人员来说，舒适感较差。此外由于冰面温湿度的影响，冰场周边护栏玻璃等在早晨长时间出现结露现象，适度的提高冰面温度，可有效缓解结露现象的产生。

2.2 降低围护结构的辐射得热

冰场的冷负荷的主要部分是辐射得热，天花板、周边围护结构采用低发射率的材质，可有效降低辐射。在满足美观要求的基础上可考虑采用一些低辐射材料作为天花板、周边护栏挡板等，可大大消减辐射得热。冰场上空尽量不设置任何设施，避免冰面冷辐射直接造成的影响。冰场四周的围栏尽量高一些，例如2.5 m以上，有效阻止冰面向四周空间的冷辐射。

2.3 减少夜间散热量

冰场在夜间工况下，需要尽量减少对周边的散冷量。冰面夜间散热方式主要为辐射，冰面就是一个巨大的冷源持续向外辐射冷量，可考虑选取上下表面均为铝箔的低辐射材料表面，降低冰面向毯子的辐射的同时减少毯子上表面向周围的辐射，最好能将毯子略微支起，使冰面和毯子中间形成一个较薄的空气层，空气层可阻隔传导及对流。

2.4 减少由于冰面整修引起的负荷

根据对冰场冷负荷的研究，冷负荷的峰值取决于冰面休整所需冷负荷的大小，也就是休整冰面时用水量的大小和水的温度。根据《1998 ASHRAE Refrigeration Handbook》，在冰面休整时采用带有矿物质的水，可将冰面温度提高1 ℉(0.556 ℃)，同时可以增强冰面的抗磨损能力。冰面的磨损减少，冰面休整需要的冷量及冰面休整的次数都将减少，从而降低由于冰面休整引起的负荷尖峰值及总冷负荷。

2.5 合理选择制冰系统

人工冰场的供冷通常可选择直接(膨胀)供冷和间接供冷两种方式，直接供冷方式冷量损失少，在同样的冰面温度下，有较高的蒸发温度，制冷机COP高，能耗低，输送能耗远远低于间接蒸发冷却系统，但直接蒸发系统安全性差，系统的蓄能能力小，对施工质量要求高，施工周期长。相比直接供冷，间接供冷系统的水容量大，蓄能能力强，适应负荷变化的能力强，安全性和环保性强。实际项目中，应综合考虑冰场的实际条件，运行要求，合理选择制冰系统。

2.6 制冷压缩机过热蒸气的利用

在系统设计时，可考虑将压缩机排出的过热蒸气的热量加以利用，设置热交换器供地坪防冻加热、冰面整修需用热水等用途。

2.7 合理控制制冷机启停，降低制冷机电耗

冰场的实际冷负荷需求很稳定，主要随工况变化，其不同工况的需求量也相对稳定，因此制冷机的最佳选择应为按照冰场的负荷需求提供制冷量，可保证制冷机负荷率变化较小，运行平稳。同时选择具有冷量调节的能力变频制冷机，应充分发挥制冷机的卸载能力，根据不同的工况制定制冷机运行时间表和控制策略，确保冰面在一定范围内变化，同时根据制冷机的实际调节能力，可以考虑利用冰的蓄冷能力，在不同阶段设定不同冰面温度，从而确保制冷机始终高效运转。

2.8 科学合理地设计冰场的空调环境

冰场的空调环境不仅需要满足使用者的舒适度要求，同时要求消除冰面和防护板上的雾气，防止结露等方面。从节能角度考虑，建议冰场区域冬/夏季的温度分别为18 ℃/22 ℃,冰场周边环境空调冬/夏季的温度分别为18 ℃/24 ℃,周边必须是微正压环境，以防止冰场外的湿热空提过多进入冰场区域，冰场区域的气流速度尽量控制在0.3 m/s以内，同时推荐将所有新风都进行深度干燥处理后进入冰场区域，不同季节、不同的使用时期，可适当减少处理新风量以降低能耗。

2.9 对于间接制冷系统，应合理控制乙二醇流量，降低水泵能耗

由于冰场制冰工艺的要求，系统需采用“大流量小温差系统”，根据《1998 ASHRAE Refrigeration Handbook》中的规定：“对于直径较大的场地，由于冷却剂的供回水温差需要控制在2～3 ℉(1.1～1.67 ℃)，因此冷却液的流量控制在10～15 gpm/冷吨(每kW冷量对应流量0.18～0.27 l/s)”。