Комплексное решение энергетики зимнего стадиона

Комплексное решение энергетики зимнего стадиона.
Молодёжный хоккейный зал в Брно.
o
Охлаждение ледовой поверхности и условия её
оптимальной эксплуатации
Оптимальное эксплуатационное состояние поверхности
Температура охлаждаемой основы - 7.2 °C, температура льда на поверхности - 4,0 °C;
Температурная погрешность на поверхности охлаждаемой основы до 0,5 K;
Температура над поверхностью льда до +10 °C, относит. влажность до 80%;
Точка росы внутри зала над поверхностью льда до + 5 °C;
Средняя нагрузка ледовой поверхности в оптимальных условиях ~150 W/m – при
охлаждаемой площади 1700 m потеря холода 255 kW;
Общая тепловая нагрузка ледовой площадки 255 kW состоит из трёх составляющих:
a) нагрузка из-за влажности воздуха ~57 kW
b) нагрузка из-за тепловой конвекции, освещения и возможной инсоляции 118 kW
c) нагрузка из-за машинной обработки ледовой поверхности 90 kW;
Обычно данная тепловая нагрузка устраняется исключительно за счет охлаждения
бетонной основы ледовой площадки. Повысить эффективность её устранения (или
хотя бы одной из составляющих) возможно за счет удаления влаги.
Требования к технологическому оборудованию для охлаждения
ледовой поверхности:
Использование экологически безопасных хладагентов;
Минимизация эксплуатационных зарядок хладагента;
Энергетическая эффективность;
Долговечность установленных компонентов без дорогостоящих ревизий;
Конструкция охлаждаемой основы со сроком эксплуатации минимум 20 лет;
Простота обслуживания и безопасность эксплуатации;
100% использование отходящей теплоты для обеспечения базы стадиона.
Решение:
Непрямая холодильная система с минимальным содержанием экологически
безопасного хладагента R 134 A, в целом 140 kg‫;‏‬
Использование наилучшего на данный момент хладагента FREEZIUM;
Оптимизация холодильного цикла и интеграция новых компонентов с целью
повышения энергетической эффективности;
Использование гибридных холодильных башен для отведения
необратимой отходящей теплоты, 80% экономия воды по сравнению с
испарительным конденсатором;
Использование компактных винтовых компрессоров со сроком
эксплуатации минимум 100000 рабочих часов без обязательных
ревизий;
Конструкция охлаждаемой бетонной пластины проведена с учетом
запрошенной долговечности – обогрев основания, бесканальная
конструкция разведения хладагента в ледовой плоскости, качественная
ледовая поверхность скольжения;
В основном автоматическая регулировка оборудования с удаленным
доступом операторов;
Каскадная система включения теплообменников для использования
отходящей теплоты, встроенная в четыре независимые циклы;
Использование частотных преобразователей на всех важных приводах
– холодильная башня, циркуляционные насосы ледовой площади.
Центральная холодильная установка
Бетонирование ледовой площадки
Бетонирование ледовой площадки
Бетонирование ледовой площадки
Коллекторы ледовой площадки – машинное отделение
Поддержание климата над ледовой площадкой
Условия:
Температура воздуха над ледовой площадкой на высоте 1 м от +4 до +12 °C;
Ограничить движение воздуха в вертикальном и горизонтальном
направлении;
Ограничить конденсацию влаги из воздуха на поверхности ледовой площадки
и охлажденных бортов, крыши, а также других строительных конструкций;
Точка росы до +5 °C.
Соблюдение указанных необходимых параметров невозможно без
регулировки доступа наружного воздуха в помещение стадиона и снижения
его влажности.
Во внутренние помещения стадиона не должен попасть нерегулируемый
воздух (теплый и влажный). В этом случае возникнет энергетическая
нагрузка на охлаждение и снижение влажности.
Решение:
Обработка циркулирующего воздуха и доступ свежего воздуха внутрь
стадиона реализуется за счет воздухотехнического оборудования, которое
обеспечивает:
a) охлаждение воздуха;
b) нагревание воздуха;
c) удаление влаги абсорбционным либо конденсационным методом.
Энергетические требования к воздухотехническому оборудованию для
обычного стадиона с ледовой площадкой и залом вместимостью до 1000
зрителей:
Тепловая мощность для нагревания воздуха ~60 kW;
Охлаждающая мощность для охлаждения воздуха ~40 kW, или же 90 kW при
конденсационном методе удаления влаги.
Производительность удаления влаги до 50 кг/ч при исходной температуре
воздуха +10oC и влажности 80%.
Принимая во внимание необходимость инвестиционных и
эксплуатационных
расходов,
является
целесообразным
использование автоматического оборудования для производства и
сохранения льда как источника тепла и холода, а также для работы
воздухотехнического оборудования.
Это обеспечит следующие выгоды:
Использование отходящего тепла;
Использование производительного резерва оборудования в режиме
охлаждения для удаления влаги в энергетически естественных
условиях (более высокая тепература – 8oC по сравнению с -12oC);
Использование отходящей теплоты при удалении влаги для
дальнейшего
нагрева
в
базе
стадиона:
для
обогрева
производственной воды и отопления помещений стадиона.
Аккумуляция холода и тепла
В процессе работы зимнего стадиона возникают несовпадающие по времени
потребности в хладо- и теплоснабжении. При желании использовать
отходящую теплоту из холодильного оборудования, необходимо включить в
систему элемент аккумуляции тепла и холода.
Обычным решением является установка двух накопителей – тепла и холода.
Это решение громоздкое и недостаточное, если принять во внимание малое
соотношение между объемом накопителя и аккумулированным теплом и
холодом.
В случае подходящей конструкции холодильного оборудования для
производства и поддержания льда возможно использование агрегатного
аккумулятора холода и тепла.
Агрегатный аккумулятор – это устройство, в котором за счет изменения
агрегатного состояния вода-лед и наоборот осуществляется его зарядка для
аккумуляции холода и получения отходящей теплоты и, наоборот, при его
разрядке происходит аккумуляция тепла.
Это решение позволяет независимо от степени охлаждения
поверхности получать отходящую теплоту для нагревания:
a) воды для машины для ухода за ледовой поверхностью;
b) производственной воды;
c) базы стадиона;
c) для удаления влаги.
ледовой
Аккумулированный в накопителе холод в свою очередь обеспечивает
максимумы потребности в хладоснабжении:
a) для охлаждения ледовой поверхности;
b) является холодильным агрегатом для охлаждения зала с ледовой площадкой,
либо иной базы;
c) является источником холода для удаления влаги конденсационным методом.
В процессе разрядки снова аккумулируется тепло, которое в любой момент
независимо от состояния охлаждения ледовой поверхности можно использовать
при повторной зарядке агрегатного аккумулятора.
Использование холодильного оборудования
ледовой площади в режиме термонасоса
Принимая во внимание описанный выше метод аккумуляции холода и тепла,
холодильное оборудование превращается в термонасос, который в
зависимости от необходимости полноценно обеспечивает теплом базу
стадиона.
По сравнению с устройствами для охлаждения льда обычной конструкции
устройство, оборудованное таким образом отличается:
a)Каскадной системой теплообменников для нагрева отдельных контуров
отопления;
b)Холодильное оборудование разделено на большее число контуров
охлаждения так, чтобы было возможно часть устройства использовать с более
высокой температурой конденсации, а другую часть – в режиме охлаждения
льда при сохранении максимальной энергетической эффективности;
c)Работает с экологичным хладагентом R 134 A, который позволяет достигнуть
высокой энергетической эффективности в широком температурном диапазоне
эксплуатационного режима
Рекуперация холода из ледяной крошки
Как было указано в начале данной презентации, важным моментом нагрузки
ледовой поверхности является ее машинная обработка, которая происходит
минимум 12 раз в день. Во время каждой такой обработки с ледовой
поверхности отбирается приблизительно 57 kWh холода в виде ледяной
крошки. Обрабатываемая площадь подвергается тепловой нагрузке за счет
нанесения на ее поверхность постепенно замерзающей теплой воды.
Обычно ледяная крошка тает под действием отходящей теплоты. И хотя речь
идет об экономичном решении, все же теряется:
a) ценная отходящая теплота при температуре минимум 30°C, которую можно
использовать более выгодно, например, для удаления влаги;
b) 57 kWh холода.
При должным образом проведенном растворении ледяной крошки в снеговой
яме получаем ледяную воду при температуре примерно +3°C. За счет этой
ледяной
воды
благодаря
установленному
теплообменнику
снизим
собственную энергию жидкого хладагента перед подачей в испаритель. Такое
охлаждение приведет к повышению холодильной мощности без возрастания
потребляемой мощности электроэнергии. Происходит рекуперация холода.
Вода, нагретая в теплообменнике до +25°C, используется для смывания
ледяной крошки и, тем самым, для ее таяния.
Охладители жидкого хладагента
Схема рекуперации холода со
снежной ямой
Рекуперация воды, возникающая за счет таяния
ледяной крошки
Путем растопления ледяной крошки по указанному выше принципу, обратно
получаем воду, которую после очищения от механического загрязнения и
после нагревания опять можно использовать для обработки ледовой
площадки.
Вода фильтруется с помощьщ каскадной системы сетевых фильтров и
песковым фильтром.
После фильтрования вода нагревается при помощи теплообменников до
температуры 35oC за счет отходящей от охлаждения теплоты и поступает
прямо в машину для обработки ледовой поверхности.
Наполнение данной машины происходит при помощи импульсного счетчика
воды, который автоматически после нажатия кнопки производит наполнение в
необходимом количестве.
Благодаря этому методу ежедневно экономится приблизительно 10m3 воды,
что в пересчете составлят примерно 600 крон в день на одной ледовой
площадке.
Технологическое устройство
снежной ямы
Автоматическое наполнение водой
машины для обработки ледяной
поверхности
Требования к качеству воды для генерации и поддержки
состояния льда
Вся вода, используемая для генерации и поддержки состояния льда, должна
соответствовать следующим критериям:
твердость до 2 баллов в соответствии с немецкой шкалой твердости;
без наличия соли;
без наличия твердых частиц, приводящих к ее помутнению.
В общем, идеальной можно считать дистиллированную воду – легко
замерзает. Однако. принимая во внимание механическую нагрузку ледовой
площади, лед, получаемый из дистиллированной воды, не подходит из-за его
колкости при температуре ниже -5oC.
Для прочности льда основным критерием является наличие в воде так
называемых кристаллизационных ядер. Кристаллизационное ядро – это
твердая микроскопическая частица, от которой начинается рост кристалла
льда. Чем большее количество кристаллизационных ядер содержит вода, тем
большее количество мелких взаимопритягивающихся кристаллов образуется.
Тем самым лед будет более прочный и будет иметь меньшую тенденцию к
раскалыванию.
Фотографии процесса реализации:
Установка разделителя и
собирателя
и соединение циклов под
площадкой
Фотографии процесса реализации:
Окончание отдельных циклов
Общий вид трубной доски
Фотографии процесса реализации:
Деталь соединения трубной
доски пластмассовой системы с
холодильным устройством
и последующая изоляция против
холодовых потерь