В статье «Оптимизация систем кондиционирования малых ледовых арен» [1] были рассмотрены некоторые принципиальные вопросы, связанные с проектированием и эксплуатацией муниципальных крытых катков. Дополняя перечень мероприятий по оптимизации, представленный в указанной статье, остановимся на одном весьма важном направлении, каким является сокращение затрат энергии, необходимой для обеспечения нормативного качества микроклимата в ледовых залах. В этом направлении есть два пути. Первый — это использование теплоты, вырабатываемой холодильными установками, обслуживающими ледовое поле. В техническом плане здесь все решается практически безальтернативно на базе отработанных схем. При этом холодильный контур, по сути, становится дополнением любой из традиционных систем теплоснабжения.
Второй путь, рассматриваемый в этой статье, касается утилизация теплоты воздушных потоков, обрабатываемых в агрегатах системы кондиционирования. Сразу отметим, что именно объединение указанных двух путей дает наиболее ощутимый результат.
Сокращение затрат энергии, необходимой для обеспечения нормативного качества микроклимата в ледовых залах, возможно либо за счет использования теплоты, вырабатываемой холодильными установками, либо утилизацией теплоты воздушных потоков, обрабатываемых в агрегатах системы кондиционирования
Традиционно представляется, что утилизовать следует теплоту воздуха, удаляемого из помещения в холодный период года. В системах вентиляции и кондиционирования общественных зданий наиболее широко применяются теплообменники-утилизаторы пластинчатого или роторного типов. Однако для условий ледовых арен они не подходят. Это обусловлено высоким влагосодержанием d воздуха, удаляемого из зала крытого катка. В работе [2] показано, что возможность обмерзания указанных теплообменников исключается, если d < 3,8 г/кг. При эксплуатации ледовых арен данное условие не выполняется.
Наиболее приемлемым решением здесь представляется использование тепловых насосов. Анализ характеристик различных моделей тепловых насосов показал, что по техническим параметрам наиболее подходящими для условий крытых тренировочных катков являются агрегаты, включающие ряд тепловых насосов, смонтированных последовательно по ходу потоков воздуха по каскадной схеме.
Использование теплоты удаляемого воздуха в холодный период года — задача, несомненно, злободневная, особенно в свете рекомендаций ГОСТ Р 54964-2012 [3]. В то же время, в силу особенностей процессов, характерных для систем кондиционирования ледовых залов, приточный воздух в них необходимо нагревать и в теплый период года. При наличии собственной газовой котельной проблем с теплоснабжением катка в теплый период не возникает. Для крытых катков, присоединенных к сетям централизованного теплоснабжения, такая задача либо решается с помощью электрических калориферов, либо является вообще неразрешимой. Поэтому создание условий для полноценной эксплуатации крытых катков в период года, когда тепловые сети не в состоянии выполнить эти условия, относится к ряду основных задач.
Здесь возможны два решения. Первое предусматривает использование каскадного теплового насоса. Второе решение ориентировано на использование осушителя конденсационного типа из серии применяемых в бассейнах. Первое решение представляется предпочтительным, так как могло бы позволить с помощью одного агрегата утилизировать низко потенциальную теплоту потоков вентиляционного воздуха в течение всех периодов года. Соответственно, сравнение технических, эксплуатационных и экономических показателей проведем, рассмотрев два варианта комплектов серийного оборудования для систем кондиционирования воздуха в зале стандартной ледовой арены.
Первый вариант предусматривает обработку приточного наружного воздуха в осушителе типа Drysolair. Второй вариант ориентирован на использование приточно-вытяжного агрегата с термодинамической рекуперацией «Климат ICE». По принципу комплектации и по процессам обработки воздуха оборудование в первом и втором вариантах отличается.
Разница заключается в том, что в установке типа Drysolair наружный приточный воздух в теплый период года проходит по контуру: «греющая сторона пластинчатого теплообменника → испаритель теплового насоса → нагреваемая сторона пластинчатого теплообменника → конденсатор холодильной машины, выполняющий роль нагревателя 2-й ступени». Это позволяет примерно на 30 % сократить теплопотребление, связанное с компенсирующим тепловым потоком к поверхности льда. Обстоятельство, очень важное для периода, когда тепловые сети не в состоянии обеспечить необходимую мощность. Кроме того, за счет предварительного охлаждения наружного воздуха снижается требуемая мощность теплового насоса.
На рис. 1 в качестве примера представлена i-d-диаграмма, иллюстрирующая принцип работы рассматриваемого агрегата в комплексе с адсорбционным осушителем. Процессы на диаграмме построены для условий города Екатеринбурга (по параметрам Б) при работе катка в тренировочном режиме. В холодный период года осушитель Drysolair работает как обычная прямоточная приточная установка, потребляя полный объем необходимой теплоты. Агрегат «Климат ICE» особенно эффективен в холодный период года, когда установленные в нем каскадом тепловые насосы и батарейный рекуператор позволяют даже при нормативных отрицательных расчетных температурах наружного воздуха утилизировать более 50 % теплоты удаляемого воздуха. Для большинства промышленных тепловых насосов эта задача является трудновыполнимой. В теплый период года в агрегате «Климат ICE» осуществляется глубокое охлаждение и конденсационное осушение наружного воздуха. При этом одна из ступеней каскада может работать в реверсивном режиме, нагревая приточный воздух до заданной температуры. Как и в первом варианте, сокращается количество энергии, потребляемой от внешних источников. Данные производителей «Климат ICE» и Drysolair показывают, что в теплый период года эффективность утилизации теплоты у них практически одинакова.
Параметры систем определялись в соответствии с режимами эксплуатации крытого катка муниципального физкультурно-оздоровительного комплекса (ФОК) в Екатеринбурге (табл. 1).
Характеристики системы с агрегатом «Климат ICE» приняты на основании проектных данных указанного ФОК, где наряду с приточно-вытяжным агрегатом использован рециркуляционный адсорбционный осушитель. Характеристики осушителя Drysolair 11 приняты по данным компании MENERGA и расчетам процессов обработки воздуха применительно к упомянутому проекту. Заметим, что рассмотрение только этих характеристик дает упрощенную оценку, так как не учитывается теплота, передаваемая воздуху в роторе адсорбционного осушителя. Экономические показатели, характеризующие рассматриваемые системы, определялись исходя из следующих условий. Во-первых, поскольку плата за подключение к сетям поставщиков энергии и энергоносителей в настоящее время определяется в зависимости от величины нагрузки, состава и объема работ, связанных с присоединением объекта в целом, в настоящей работе эти затраты не рассматриваются. Во-вторых, поскольку ставилась задача получения только принципиальной оценки, сравнение вариантов проводилось в сокращенном виде по стоимости оборудования и величине эксплуатационных затрат. Из общего перечня статей эксплуатационных затрат при анализе принимаем во внимание две наиболее важные составляющие: стоимость потребляемой энергии и амортизационные отчисления. При расчете принималось, что тариф за тепловую энергию, потребляемую из городских тепловых сетей, составляет 1400 руб/Гкал, тариф за потребляемую электрическую энергию составляет 4,5 руб. за кВт⋅ч. С учетом того, что производители оборудования назначают продолжительность его жизнедеятельности до 20 лет, амортизационные отчисления приняты на уровне 5 % в год от розничной цены. Результаты сравнения представлены в табл. 2, 3 и 4.
Выводы
Исходя из сказанного выше, можно сделать следующие выводы:
- В отношении обеспечения качества микроклимата в ледовом зале оба варианта равноценны.
- Установленная и потребляемая мощность электродвигателей системы с приточно-вытяжным агрегатом «Климат ICE» почти в три раза выше показателя системы с осушителем Drysolair 11.
- При равных условиях установленная мощность калориферов и расход теплоты, необходимой для нагрева приточного воздуха в холодный период года, у агрегатов «Климат ICE» практически в два раза меньше, чем у установок Drysolair 11, соответственно, и сезонный расход теплоты будет у агрегатов «Климат ICE» практически в два раза меньше, чем у установок Drysolair 11. В теплый период года утилизационный эффект от использования установки «Климат ICE» сравним с эффектом Drysolair 11.
- С позиций уровня техники и сокращения потребления теплоты решение с установкой «Климат ICE» представляется предпочтительным, так как могло бы позволить с помощью одного агрегата утилизировать низко потенциальную теплоту потоков вентиляционного воздуха в течение всех периодов года. Этот вывод можно считать предварительным, так как более корректная оценка может быть дана на основании теплового баланса крытого катка с учетом теплосодержания воздуха, обработанного в адсорбционном осушителе, и величины компенсирующего теплового потока к поверхности льда.
- Однозначный прогноз и показатели энергетической эффективности систем кондиционирования ледовых арен можно получить только на основании рассмотрения различных вариантов организации систем и связанных с ними процессов тепло- и массообмена, с учетом условий подключения к источникам энергоснабжения, с учетом требований ГОСТ 54964-2012. Поэтому можно считать целесообразным до начала работ по стадии «Проектная документация» проводить предварительную детальную оценку принципиально отличающихся вариантов.
- Затраты на приобретение оборудования и его эксплуатацию для варианта с осушителем Drysolair могут оказаться существенно ниже, чем для варианта с агрегатом «Климат ICE».
