Проектирование вентиляции помещений ледовых арен.
Развитие ледовых видов спорта, а также то, что катание на коньках стало популярным видом отдыха, привело к активному строительству закрытых катков – как развлекательных, так и спортивных. При проектировании систем вентиляции в помещениях катков перед проектировщиком-климатехником стоят три основные задачи: обеспечения санитарно-гигиенических параметров в зонах нахождения людей, обеспечения отстутствия тумана над поверхностью ледового поля и отстутствие конденсата на строительных конструкциях сооружения искусственного катка. Стандартный каток имеет размеры 60х30м (для хоккея с шайбой). В зависимости от назначения катка температура льда может меняться - для хоккея нужен жёсткий лёд с температурой льдя порядка -6 градусов цельсия, а температура окружающего воздуха поддерживается порядка 6-10 градусов,для фигурного катания температура поверхности льда -3 -4 градуса, температура воздуха 10-12 градусов, при использовании катка в ледовом дворце для развлекательного катания температуры льда -2 -3, а температура воздуха 14-15С (при этих параметрах получается более мягкий лёд). Проектирование вентиляционных систем в первую очередь направлено на условия поддержания заданой температуры в зоне нахождения людей на катке.
Общие теплопритоки в зоне ледовой ареной в соответствии:
Q
общ.в зоне льда
= Q
т.конвек.
+Q
т.рад
+Q
освещ.
+Q
людей
, Вт [1]
Тепловой режим определяется прежде всего теплопритоками, вызваными инзкой температурой поверхности льда t
л
. Конвективный приток тепла определяется по формуле:
Q
т.конвек.
= F
л
•α
кон.
(t
возд.
-t
л
), Вт [2]
где α
кон.
, Вт/(м
2
•град) - коэффициент конвективного потока тепла, который может быть вычеслен по формуле:
α
кон.
=3,41+3,55V
л
Вт/(м
2
•град) [3]
где V
л.
, м/сек. - скорость воздуха у поверхности льда. В стандарте "ASHARE" рекомендуется принять скорость воздуха у поверхности льда до 0,25 м/сек. По формуле [3] вычисляем:
α
кон.
=3,41+3,55•0,25 = 4,3 Вт/(м
2
•град)
Проведём расчёт для ледовой арены, используемой для свободного катания т.е.с целью развлечения. Тогда t
возд.
= 15°С, а t
л
=-2°С (см. текст выше). Площадь катка равна 60х30м=1800По формуле [2] имеем:
Q
т.конвек.
= F
л
•α
кон.
(t
возд.
-t
л
) = 1800 • 4,3•(15-(-2))=131580 Вт
Следующим этапом определяем лучистое тепло, поступающее к поверхности льда от нагретых наружных ограждений, имеющих более высокую температуру:
Q
т.рад
= F
л
•q
рад.
•β
отр.
, Вт [4]
Отражательная поверхность потолка, β
отр
, зависит от цвета поверхности - при окраске потолка алюминиевой кракой β
отр
=0,6. (
При проектировании вентиляции - это необходимо учитывать и выдать соответствующие задания архитекторам!
)Наибольщее отражение от поверхности потолка ледяным полем достигается при покрытии поверхности потолка изоляционными матами с поверхностью из алюминиевой фольги β
отр
= 0,1. По графику, приведённому ниже находим удельные теплопритоки лучистого тепла к поверхности ледяного поля от ограждающих конструкций, при условии, что поверхность потолка 27°С (теплотехнический расчёт температуры потолка я здесь приводить не буду). Получаем q
рад.
= 77 Вт/м
2
График, отображающий удельные теплопритоки лучистого тепла к поверхности ледяного поля от ограждающих конструкций.
Далее по формуле [3] определяем лучистое тепло, поступающее к поверхности льда от нагретых наружных ограждений, имеющих более высокую температуру:
Q
т.рад
= F
л
•q
рад.
•β
отр.
=1800 • 77 • 0,1=13860 Вт
Принимаем β
отр
=0,1 для случая с фольгированой изоляцией. Для случая с покраской поверхности алюминевой краской Q
т.рад
= F
л
•q
рад.
•β
отр.
=1800 • 77 • 0,6=
83160 Вт
- данный вариант практически не встречается т.к. в 70 кВт холода стоят существенно дороже цены покрытия ограждающих конструкций фольгированой изоляцией.
Третья составляющая притока тепла это искусственное освещение ледовой арены. Усреднённое тепловыделение освещения составляет 40 Вт/м
2
. В некоторых методиках указано, что часть тепла от освещения ассимилируется воздухом, но я для расчётов предпочитаю это не учитывать - принимаем:
Q
освещ.
= F
л
•q
осв..
=1800 • 40 =72000 Вт [5]
Четвёртая составляющая притока тепла это люди:
Q
людей.
= N
людей
•q
людей..
=70 • 180 =12600 Вт [6]
Принимаем, что катающихся 70 человек и все они выполняют тяжёлую работу.
Общие теплопритоки в зоне ледовой ареной в соответствии с
[1]
составляют:
Q
общ.в зоне льда
= Q
т.конвек.
+Q
т.рад
+Q
освещ.
+Q
людей
=131580 Вт+13860 Вт+72000 Вт+12600 Вт=230 кВт
Для сокращения себистоимости оборудования имеет смысл для ассимиляции теплоизбытков использовать мощности холодоснабжения оборудования наморозки и поддержания льда. Разные производители выдают разные цифры (приводить цифры не буду т.к. они довольно сильно разнятся - сделайте запрос в любую фирму занимающейся холодильной техникой и поймёте порядок цифр, тем более, что в рамках этой статьи это не актуально), но в одном они сходятся - для наморозки (первоначальной заливки) холода нужно ровно в 2 раза больше чем для эксплуатации. Как следствие половину мощности можно направить на холодоснабжение вентиляции ледовой арены.
В зоне катка находятся 70 человек (см. выше). Норма притока свежего воздуха на одного спортсмена составляет 80 м
3
/час. Явное тепло от людей составляет 180 Вт/час, а влага 170 г/час (при температуре влаговыделения t
вл
= 10°С). Следовательно минимально необходимая санитарная норма свежего воздуха будет составлять:
L
min.сан.норма
= N
л
•L
min.сан.норма.чел..
=70 • 80 =5600 м
3
/час [7]
К воздуху над ледяным полем поступает конвективное тепло, величина которого вычисляется по формуле
[2]
, и для рассматриваемого примера выше найдено Q
т.конвек.
= F
л
•α
кон.
(t
возд.
-t
л
) = 1800 • 4,3•(15-(-2))=
131580 Вт
. Для сохранения качества льда с температурой, равной -2°С необходимо предотвратить конденсацию водяных паров из воздуха. Это достигается тем, что конвективное тепло расходуется на охлаждение воздуха у поверхности льда до температуры влаговыделения t
вл
= 10°С и φ
вл
= 70%. Принятые параметры воздуха у поверхности льда выше температуры точки росы, равной t
р.вл
= 6°С. Для выполнения этих требований после охлаждения и осушки приточного воздуха до параметров t
охл
= 6,5 °С, φ
ох
= 92%, d
ох
= 5,8 г/кг необходимо нагреть приточный воздух до температуры притока, которая вычисляется по формуле
t
пр.
= t
вл
+(Q
т.конвек.
- Q
людей.
) • 3,6/(L
притока
•ρ
притока
•с
притока
), °С
[8]
Расход приточного воздуха L
притока
определяется условиями равномерного заполнения ледяного поля приточными струями и созданием условий для понижения температуры t
пр.
до t
вл
по длине струи. Существует несколько схем организации воздухообмена катка, понятно, что для катка одних габаритных размеров одна схема будет идеально, а для другого эта схема просто не выполнима. Одна из часто применяющихся схем при
проектировании вентиляции
ледовых арен- схема с двумя приточными воздуховодами, расположеными по длинной стороне катка и врезаными в них соплами (показано распределение воздуха в поперечном разрезе и изометрии):
1
- воздухораспределители Halton TRS-500, с угл
ом наклона в 30°
2
- ограждения (бортик) ледовой арены
3
- ледяное поле
В данном случае применены воздухораспределители Halton TRS-500, с углом наклона в 30°. Ручной расчёт струй в рамках этой статьи я приводить не буду - картинка более наглядна, хотя при проектировании рабочей документации расчёт струй желательно произвести вручную. Картинки воздухораспределения взяты из программы Halton (она доступна на официальном сайте производителя бесплатно - после скачивания и установик дистрибутива программа попросит обновиться - ответить "да" - после обновления в настройках выбрать русский язык). Исходя из этой картины воздухораспределения ( воздухораспределители подбираются начиная с минимальной санитарной нормы приточного воздуха, с увеличением расхода до тех пор , пока не будет обеспечено V
л.
=0,25 м/с у поверхности ледовой арены и перекрытия всей поверхности льда) получаем 28 воздухораспределителей по 1400 м
3
/час каждый (по 14 с каждой стороны). Вытяжка производится из верхней зоны одним или двумя воздуховодами. Как показывает практика каток лучше деожать немного под разрежением (вытяжка должна быть немного больше притока). Довольно часто раздать воздух с двух сторон не получается (не позволяет форма катка, оборудование и т.п. поэтому чаще можно увидеть следующую схему воздухораспределения, принятую при
проектировании систем вентиляции
ледовой арены: Воздуховоды находятся непосредственно над ледовом полем и воздух раздаётся по схеме сверху-вверх. Приточно-вытяжные устройства расположены в шахматном порядке. При расчёте подающей струи необходимо обеспечить V
л.
=0,25 м/с у поверхности ледовой арены и перекрытия всей поверхности льда. при
проектировании вентиляции
по этой схеме целосообразно применять аналогичные сопла, но направленые вертикально вниз.
позиции 1.1, 1.15, 1.29 и 1.43 - соответствуют приточным соплам, позиции с индексом 2 - вытяжные решётки.
Расчитываем расход воздуха для первого случая: L
притока
=
N
сопел
•L
одного сопла.
=28 • 1400 =39 200 м
3
/час
, далее по формуле
[8]
вычисляем температуру приточного воздуха :
t
пр.
= t
вл
+(Q
т.конвек.
- Q
людей.
) • 3,6/(L
притока
•ρ
притока
•с
притока
)=10+(131580-12600) • 3,6/(39200,2)=19,1°С
Поступающий на вытяжку воздух воспринимает влаговыделения от людей:
Δd
л.
= W
л
/(L
притока
•ρ
притока
) =(70• 170)/(39200• 1,2)=0,25 г/кг
В числителе 70 людей, умноженые на 170 г/(чел*час) - удельные влаговыделения.
Далее начинаем строить процессы на i-d диаграмме:
1) Наносим точку наружного воздуха (Н) с параметрами
t
н
=28,5°С и I
н
=54 кДж/кг (параметры наружного воздуха для Москвы)
2) Наносим точку состояния воздуха после охлаждения (Ох) с параметрами t
охл
= 6,5 °С, φ
ох
= 92%, d
ох
= 5,8 г/кг
(см. текст между формулами [7] и [8
])
3) Соединяем точки Н и Ох
4) Рисуем подогрев в калорифере до точки П
(от точки Ох вертикально вверх до
t
пр.
=
19,1°С, которая расчитана по формуле [8]
)
5) Общие поступления влаговыделений в вытяжной воздух оцениваются примерно в 1г/кг, тогда d
ух
= d
пр
+1=5,8+1=6,8 г/кг, пересекая линию d
ух
=6,8 г/кг=const и температуру внутреннего воздуха +2 °С (ассимиляция тепла света и людей) получим точку У (уходящий воздух)
6) Определяем параметры точки смеси СМ для рециркуляции воздуха: т.к.
L
min.сан.норма
= N
л
•L
min.сан.норма.чел..
=70 • 80 =5600 м
3
/час [7]
, а
L
притока
=
39 200 м
3
/час
, то по формуле
I
см.
=(( L
ух
•ρ
ух
•I
ух
)+( L
min.сан.норма
•ρ
min.сан.норма
•I
min.сан.норма
))/(L
притока
•ρ
притока
)
=(33600*1,2*33+5600*1,15*54)/(39200*1,2)=36 кДж/кг
7) На прямую Ох-П наносим точку Вл - проведя пересечение с температурой влаговыделения в 10 градусов.
Н-См-У - смешение в блоке смешивания кондиционера саннормы наружного воздуха и вытяжного воздуха из верхней зоны над ледяным полем; См-Ох - охлаждение в теплообменнике приточного агрегата смеси приточного воздуха до требуемого влагосодержания приточного воздуха; Ох-П - нагрев в калорифере приточного агрегата; П-Вл - охлаждение приточного воздуха от конвективного теплообмена с поверхностью ледяного поля; Вл-У - поглошение влаго- и тепловыделений по высоте помещения над зоной ледяного поля вытяжным воздухом
Н- наружный воздух
П-приточный воздух
У-уходящий воздух-вытядка