Особенности обеспечения микроклимата крытых ледовых арен

Введение

Одними из наиболее энергоёмких объектов спортивного назначения являются крытые ледовые арены с искусственным льдом. Увеличение цен на топливно-энергетические ресурсы приводит к необходимости повышения эффективности энергозатратных систем этих сооружений, к которым относятся системы ВиК. В связи с этим становится актуальным анализ схем названных систем ледовых арен. Непрерывный рост востребованности современных спортивных сооружений круглогодичного функционирования, в частности, крытых ледовых арен, требует соответствующего повышения энергетической эффективности проектируемых инженерных систем. Для рассматриваемого типа объектов наиболее энергоёмкими системами являются системы обеспечения микроклимата и холодоснабжения. Это связано с необходимостью круглогодичной выработки значительного количества холода, затрачиваемого на системы кондиционирования воздуха обслуживаемых зон и поддержание ледовой поверхности в требуемом интервале температур [1–3]. Для специалистов проектных, монтажных и эксплуатационных организаций наибольший интерес представляют особенности работы именно систем обеспечения микроклимата. Связано это с тем, что работа названных систем более динамична и требует увязки с множеством факторов, таких как температура внутреннего воздуха в помещении (которая, в свою очередь, меняется от вида проводимых мероприятий, зоны обслуживания и т. п.), относительная влажность, конструктивные и архитектурно-строительные особенности здания и т. д.

В работах [4–7] отмечается, что основной особенностью при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен является наличие ледового поля с отрицательной температурой. Этот факт полностью определяет схему движения воздушных потоков в помещении, а, следовательно, и поля температуры.

Кроме того, в зоне ледового поля для поддержания поверхности льда в надлежащем состоянии температура воздуха должна лежать в определённых границах. Так, например, в случае проведения хоккейных матчей температура льда должна находиться в пределах от −6,5 до −5,5°C (при температуре воздуха в зоне ледового поля от +6 до +10°C), а в случае проведения соревнований по фигурному катанию температура льда должна быть в интервале от −4 до −3°C (при температуре воздуха от +10 до +13°C) [1, 6, 7].

Также следует помнить, что, помимо зоны ледового поля, в рассматриваемых объектах имеется зона зрительских трибун, в которой необходимо поддерживать совершенно иные параметры микроклимата, обуславливаемые присутствием зрителей и их комфортом.

Таким образом, выделяется две основные обслуживаемые зоны помещения с различными параметрами. Рассмотрим более подробно особенности организации микроклимата выделенных зон в отдельности.

Особенности организации микроклимата зоны ледового поля

Для обеспечения требуемых параметров микроклимата в обслуживаемой зоне ледового поля и сохранения строительных конструкций в рабочем состоянии (возможно образование конденсата на строительных конструкциях) [8–10] воздухообмен организовывается за счёт перемешивающей вентиляции. Это также обуславливается и архитектурно-строительными особенностями, а именно большой высотой рассматриваемых помещений. В связи с этим наибольшее распространение получила схема воздухообмена «сверху-вверх». То есть приточный воздух с заданными параметрами подаётся через воздухораспределители (расположенные вдоль ледового поля) в направлении ледовой поверхности и удаляется из верхней зоны через воздухозаборные устройства (рис. 1). Помимо упомянутой схемы распределения воздуха, в некоторых зарубежных проектах (например, ледовый дворец Palavela в итальянском городе Турине) воздухозаборные устройства размещены в нижней зоне и встроены в борт ледового поля (схема «сверху-вниз»).

Рис. 1. Схема воздухораспределения зоны ледового поля (1 — приточные воздухораспределители; 2 — воздухозаборные устройства в ограждении; 3 — вытяжные устройства, расположенные над поверхностью льда; 4 — ограждающий борт; 5 — ледовое поле; 6 — магистральные вытяжные воздуховоды, расположенные в подпольных каналах)

Параметры воздуха, подаваемого системами кондиционирования, определяются графоаналитическим методом с помощью i-d-диаграмм состояния влажного воздуха. Так, на рис. 2 хорошо видно, что в случае распределения воздуха по схеме «сверху-вниз» наблюдается значительная экономия холода. Этот факт приобретает наибольшее значение при круглогодичной эксплуатации крытой ледовой арены. Однако, как отмечается в работе [5], при организации воздухораспределения по схеме «сверху-вниз» в холодный период года может возникнуть необходимость установки секции орошения, что приведёт к увеличению затрат. В противном случае внутренний воздух будет постепенно осушаться, что ухудшает характеристики скольжения льда.

Рис. 2. i–d-диаграмма состояния воздуха в крытой ледовой арене для тёплого периода года
(при организации воздухораспределения по схемам: А — «сверху-вверх»; Б — «сверху-вниз»)

Избежать излишнего осушения воздуха можно путём частичной рециркуляции, организацию которой удобно проводить при комбинированной схеме воздухораспределения, предложенной в работе [5].

Так, многоступенчатое смешение наружного и рециркуляционного воздуха с различными параметрами можно осуществить с помощью раздельного отбора рециркуляционного воздуха из верхней и нижней зон ледовой арены. При этом подача воздуха производится аналогично первым двум схемам.

Процесс обработки воздуха для данного случая показан на рис. 3.

Рис. 3. i–d-диаграмма состояния воздуха при организации воздухораспределения по смешанной схеме для холодного периода года

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что при осуществлении воздухораспределения в холодный период года по комбинированной схеме затраты на обработку приточного воздуха значительно уменьшаются. В тоже самое время применение подобной схемы в тёплый период года увеличивает затраты холода и теплоты.

Вследствие этого при круглогодичной эксплуатации ледовой арены для уменьшения энергозатрат на системы кондиционирования ледового поля распределение воздуха в тёплый и холодный периоды года необходимо организовывать по различным схемам.

Особенности организации микроклимата зоны трибун

Требуемые параметры микроклимата в зоне зрительских трибун в помещении крытой ледовой арены могут быть обеспечены за счёт перемешивающей или вытесняющей вентиляции.

В первом случае подача приточного и удаление вытяжного воздуха производится из верхней зоны. Скорость воздуха при этом значительная, и наблюдается большая степень турбулизации.

Во втором случае имеет место течение воздуха, приближенное к ламинарному, достигаемое за счёт подачи воздуха с низкими скоростями. Приточные устройства в данном случае располагаются под зрительскими креслами. Удаление воздуха, как и в первом случае, осуществляется из верхней зоны. Температура воздуха зрительских трибун составляет порядка +25°C в тёплый и +18°C в холодный периоды года.

В работе [3] отмечается, что при вытесняющей вентиляции энергоэффективность систем вентиляции и кондиционирования возрастает. В связи с этим при проектировании рассматриваемых систем рекомендуется второй способ — применение вытесняющей системы, при которой приточный воздух подаётся под сиденья трибун в количестве 20 м³/ч на одного человека со скоростью 0,25 м/с и температурным перепадом между приточным воздухом и воздухом рабочей зоны в 3°C. Следует отметить, что основным недостатком подобной схемы является необходимость организации доступа к приточным воздуховодам и распределителям для их обслуживания и монтажа.

Выводы

Таким образом, для повышения энергоэффективности проектируемых систем обеспечения микроклимата зоны ледового поля крытых ледовых арен в зимний период необходимо применять комбинированную схему с частичной рециркуляцией, а в летний период — схему «сверху-вниз», что позволит сократить энергетические затраты на обработку приточного воздуха на 15%. Для зрительных трибун наиболее актуально применять способ вытесняющей вентиляции с подачей приточного воздуха через устройства, расположенные под сиденьями для зрителей.