VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

При проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха крытых ледовых арен выделяют два типа помещений: основные и вспомогательные [1-2]. К вспомогательным помещениям можно отнести торговые, офисные, технические и санитарные площади, обеспечение микроклимата которых осуществляется в соответствии с их назначением.

Основные помещения ледовых арен можно условно разделить на зоны зрительских трибун и ледового поля. В каждой из этих зон необходимо обеспечить требуемые параметры микроклимата (температуру воздуха, ее влажность, подвижность и так далее) которые в значительной степени отличаются друг от друга. Так например, при проведении хоккейных матчей температуру воздуха в зоне ледового поля необходимо поддерживать в интервале от 6 до 10°С, а температура в зоне зрительских трибун должна составить 18°С в холодный период года и 25°С в теплый [3]. Кроме того, при конструировании систем кондиционирования воздуха рассматриваемых зон применяются различные способы организации воздухораспределения, наибольшее распространение из которых получили перемешивающая вентиляция зоны ледового поля и вытесняющая вентиляция зрительских трибу [1-4].

Из выше изложенного следует, что при проектировании крытых ледовых арен необходимо применять дифференцированный подход, учитывая характерные особенности помещений различного назначения.

Далее будут рассматриваться характерные особенности проектирования систем кондиционирования воздуха зоны ледового поля, а также способы повышения их эффективности.

Основными задачами систем кондиционирования над поверхностью ледового поля являются поддержание качества льда в заданных интервалах и предотвращение образования тумана над поверхностью льда [1-3]. Это достигается путем жесткого контроля над параметрами внутреннего воздуха, такими как влагосодержание d, температура t, энтальпия Iи так далее, над поверхностью льда. Системы кондиционирования в рассматриваемом случае проектируются исходя из условия поддержания рекомендуемой температуры в зоне нахождения людей на ледовой площадке, которая зависит от вида проводимых мероприятий [1-3].

С целью уменьшения энергетических затрат на системы кондиционирования воздуха ледовых арен, рекомендуется применять схемы с рециркуляцией воздуха [3].

Как правило, при организации воздухораспределения рассматриваемой зоны ледового поля, принято использовать схемы «сверху-вверх» и «сверху-вниз». В первом случае приточный воздух подается через сопла расположенные под углом вдоль длинных сторон ледового поля, а удаление воздуха производится из верхней зоны через воздухозаборные устройства над поверхностью льда (рис. 1а). Во втором случае воздухозаборные устройства системы вытяжной вентиляции устанавливаются по периметру ледового поля (рис. 2б), в то время как подача приточного воздуха осуществляется из верхней зоны с помощью воздухораспределителей направленного действия.

Рис. 1 - Организация воздухораспределения по схемам: а – «сверху-вверх»; б – «сверху-вниз»

В случае применения схемы «сверху-вверх» согласно [3], в теплый период года для поддержания надлежащего качества льда приточный воздух после смешения необходимо осушить, что осуществляется с помощью его охлаждения до параметров d=5,8 г/кг, t=6,5ºС, I=21 кДж/кг. После этого приточный воздух нагревается до температуры, определяемой по формуле:

(1)

где Q_т.к – конвективный приток теплоты от воздуха к поверхности льда, Вт; Q_т.л – теплопритоки от людей, Вт; t_вл – требуемая температура воздуха у поверхности льда, °С; L_п – расход приточного воздуха, м³/ч; ρ_п, с_п – плотность и теплоемкость приточного воздуха.

Согласно проведенным исследованиям, при организации воздухораспределения по схеме «сверху-вниз» наблюдается значительное уменьшение энергозатрат на охлаждение и нагрев приточного воздуха при его подготовке. Это связано с тем, что при расположении воздухозаборных устройств в непосредственной близости от поверхности льда, температура и влагосодержание удаляемого воздуха значительно ниже температуры и влагосодержания воздуха в верхней части помещения. За счет этого параметры точки смешения изменяются, что приводит к значительной экономии холода и теплоты. На рисунке 2 представлены Id-диаграммы процессов систем кондиционирования воздуха для двух рассматриваемых способов воздухораспределения при проведении хоккейных матчей, с учетом климатических условий города Москвы.

Рис. 2 - Id-диаграммы процессов работы систем кондиционирования воздуха: а – при схеме воздухораспределения «сверху-вниз»; б – при схеме воздухораспределения «сверху-вверх»

Требуемые тепло- и холодопроизводительность приточных установок определяются соответственно по формулам [3]:

(2)

(3)

где L – расход приточного воздуха, м³/ч; ρ – плотность воздуха, кг/ м³; I_см – энтальпия воздуха после смешения, кДж/кг; I_см - энтальпия воздуха в точке О, кДж/кг; t_п – температура приточного воздуха, ºС; t_о – температура воздуха в точке О, ºС.

Проведенные расчеты показывают, что при аналогичных исходных данных на проектирование, количество затрачиваемой тепловой энергии и холода при организации воздухораспределения по схеме «сверху-вверх» составит соответственно 165 кВт и 151 кВт, в то время как требуемые затраты теплоты и холода при схеме «сверху-вниз» равняются 128 и 54 кВт.

Из выше изложенного следует, что энергетические затраты, в случае проектирования систем кондиционирования воздуха по схеме «сверху-вниз», уменьшаются на двадцать два и шестьдесят три процента по теплу и холоду соответственно, относительно схемы «сверху-вверх».

Следует отметить, что применение подобной схемы воздухораспределения требует более тщательной разработки проектной документации, необходимо не только разместить приточные и вентиляционные системы в плане здания, но также обеспечить к ним удобный доступ обслуживающего персонал.

Требуемый воздухообмен в зоне ледового поля определяется исходя из нескольких основных принципов. Во-первых, при организации спортивных и тренировочных мероприятий, расчет требуемого количества свежего приточного воздуха необходимо проводить в соответствии с санитарно-гигиеническими нормами. Так, при проведении хоккейных матчей, для судей и спортсменов минимальный расход свежего приточного воздуха должен составить 80 м³/(чел·ч) [3].

Минимальный расход приточного воздуха по санитарным нормам определяется по формуле:

(4)

где L_сн – минимальный расход воздуха по санитарным нормам, м³/ч; l – требуемый по санитарным нормам минимальный расход свежего воздуха на одного человека, м³/(чел·ч); п – число спортсменов и судий находящихся на поле, чел.

В соответствии с санитарно-гигиеническими нормами, при подаче приточного воздуха из верхней зоны, подвижность воздуха у поверхности льда необходимо принимать равной 0,25 м/с [3]. При выполнении данного условия, наибольшие трудности возникают при учете влияния на приточную струю гравитационных сил, возникающих вследствие разности плотностей воздуха в нижней и верхней части помещения ледовой арены.

Вторым, ни менее важным принципом при расчете требуемого воздухообмена, является принцип равномерного заполнения ледового поля приточным воздухом и созданием условий для снижения его температуры от t_п до t_вл.

Выполнение данного принципа напрямую зависит от выбранного способа воздухораспределения и типа приточных насадок.

Поскольку, величина расхода свежего приточного воздуха, как правило, не достаточна для выполнения поставленного условия, недостающий расход воздуха восполняется рециркуляцией [1], в результате, общее количество приточного воздуха определяется по формуле:

(5)

где L_п – общий расход приточного воздуха, м³/ч; L_восп – недостающий расход воздуха, восполняемый рециркуляцией, м³/ч.

В результате расчета воздухообмена зоны ледового поля, для предотвращения перемешивания вентиляционных потоков с различными параметрами, должно выполняться условия воздушного баланса, вследствие чего, количество вытяжного воздуха принимается примерно равным количеству приточного воздуха.

Следует отметить, что приведенный способ расчета необходимого воздухообмена уязвим с точки зрения контроля качества подаваемого воздуха, под которым понимается содержание вредных примесей в приточном воздухе (углекислого газа и продуктов сгорания) зависящее от интенсивности выделения загрязняющих веществ в рабочей зоне [1].

Корректность работы систем охлаждения и кондиционирования воздуха ледовых арен зависит от точности определения теплового режима обслуживаемых зон. В рассматриваемом случае общее количество тепловых притоков в зоне ледового поля [1-3] определяется по формуле:

(6)

где Q_т.п.п.л – количество теплоты воспринимаемое поверхностью льда, Вт; Q_т.р – приток лучистой теплоты от потолка к поверхности льда, Вт; Q_т.о – тепловые притоки от осветительных приборов к поверхности льда, Вт.

Количество лучистой теплоты, поступающее от поверхностей ограждающих конструкций с белее высокой температурой по сравнению с температурой льда [3], определяется по формуле:

(7)

где F_л.п – площадь ледовой поверхности, м²; q_р – поток удельной теплоты к поверхности льда, Вт/м²; β – отражательная способность поверхности ограждающих конструкций.

Удельное количество теплоты поступающее к поверхности льда согласно [5] определяется по формуле:

(8)

где t_л – температура поверхности льда, ºС; α_р – радиационный коэффициент теплоотдачи к поверхности льда, Вт/(м²ºС), определяемый по соотношению (9).

(9)

где с – приведенный коэффициент излучения; Т_ог – средневзвешенная абсолютная температура окружающих ледовое поле поверхностей, К, согласно [5] может приниматься равной абсолютной температуре окружающего воздуха; Т_л – абсолютная температура поверхности льда, К.

Окончательно, формула для определения удельного количества теплоты, воспринимаемого поверхностью льда примет вид:

(8)

Величина q_р также может быть определена по графикам приведенным в [3 и 5].

Величина тепловых притоков к поверхности льда от осветительных приборов находится по формуле:

(10)

где γ – коэффициент поглощения слоя льда; q_ос – суммарная мощность источников освещения, Вт; δ – лучистая составляющая теплового потока от осветительных приборов; η – доля тепловой энергии поступающей непосредственно к поверхности льда. Притоки теплоты от людей находящихся в зоне ледового поля определяются по формуле:

(10)

где q_л – удельное тепловыделение от людей, Вт/чел.

Наиболее сложным при решении уравнения (6) является определение конвективных притоков теплоты Q_т.к от воздуха к поверхности льда. В общем случае приток теплоты к элементарной поверхности за элементарный промежуток времени при конвективном теплообмене [6-13] определяется по формуле Ньютона-Рихмана:

(11)

где α_к – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·град); t_ж – температура жидкости (газа), °С; t_ст – температура стенки (поверхности), °С; dF – площадь элементарной поверхности, м²; dτ – элементарный промежуток времени, с.

В рассматриваемом случае, при постоянных значениях α_к, t_ж, t_ст формула (11) примет вид:

(12)

где α_к – коэффициент теплоотдачи к поверхности льда, Вт/(м²·град).

Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи, который, как правило, является функцией от характерной геометрической формы поверхности теплообмен, характерного размера, подвижности воздуха, коэффициента теплопроводности, теплоемкости, кинематической вязкости и плотности.

Коэффициент конвективного теплообмена поверхности льда и окружающего воздуха рекомендуется определять по формулам [3, 5]:

(13)

(14)

где v_л – скорость воздуха у ледового поля, м/с.

Однако с помощью приведенных формул можно определить лишь осредненных коэффициент конвективного теплообмена, к тому же они не учитывают режимов течения среды и ее состояния. В связи с этим становится актуальным предложение зависимостей по определению коэффициента α_к с учетом состояния среды и режима ее течения.

Решение задач конвективного теплообмена сводится, как правило, к определению коэффициента теплоотдачи на основании уравнения подобия [6-12]. Эмпирические формулы, описывающие конвективный теплообмен, как правило, представляют в виде:

(15)

где С, n и m – константы, которые определяются экспериментально; Re – критерий Рейнольдса, определяющий отношение сил инерции и вязкости; Pr – критерий Прандтля, целиком составленный из физических параметров газа или жидкости вследствие чего и сам является таковым; Nu – критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность процесса конвективного теплообмена. Числа подобия определяются по формулам:

(16)

где l – характерный геометрический размер системы; λ_ж – коэффициент теплопроводности среды (жидкости или газа), Вт/(м·ºС); w₀ – характерная скорость газа (жидкости), м/с; ν_ж – кинематический коэффициент вязкости газа (жидкости), м²/с; а – коэффициент температуропроводности, м²/с, определяемый по формуле:

(17)

где с_р – изобарная теплоемкость газа (жидкости), ккал/(кг·ºС); λ_ж – коэффициент теплопроводности среды (жидкости или газа), ккал/(м·с·ºС); ρ – плотность среды, кг/м³.

Определение коэффициента С и показателей степени п и т приведенных в формуле (15), производится по следующему алгоритму. На первом этапе с помощью экспериментов устанавливают зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса при постоянном значении критерия Прандтля. Логарифмирую зависимость (15) получают равенство:

(18)

Показатели п и т определяются с помощью графического представления экспериментальных данных. На завершающем этапе, при известных значениях Nu, Re, Pr, п и т из формулы (15) определяют неизвестный коэффициент С.

Характер взаимодействия воздушных потоков и ледового поля соответствует обтеканию поверхности льда воздухом. В данном случае теплообмен характеризуется критериальными уравнениями, приведенными в работах [6, 7, 13, 14] при обтекании плоской пластины.

Для ламинарного пограничного слоя уравнение подобия примет вид:

(19)

где – средний критерий Нуссельта; Рr_ж – критерий Прандтля для жидкости; Рr_ст – критерий Прандтля для стенки;

Для турбулентного пограничного слоя уравнение подобия примет вид:

(20)

Выше было отмечено, что режим течения жидкости или газа характеризуется числом Рейнольдса. В инженерных задачах не требуется большой точности в определении области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный [15], поэтому принято считать, что критическое значение числа Re, при котором происходит переход от одного режима течения к другому, составляет 5·10⁵.

В рассматриваемом случае конвективного теплообмена поверхности льда с воздухом можно принять, что Pr=0,71, в результате уравнения (19) и (20) примут вид приведенный ниже.

- для ламинарного пограничного слоя:

(21)

- для турбулентного пограничного слоя

(22)

Определение коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене поверхности льда и внутреннего воздуха осуществляется с помощью совместного решения уравнений (16), (21) и (22) в зависимости от характера течения в пограничном слое.

В результате проведенных исследований было выявлено, что наиболее целесообразной схемой воздухораспределения систем кондиционирования ледового поля, с точки зрения энергоэффективности, является схема с подачей приточного воздуха из верхней зоны помещения и его удаления через вытяжные устройства находящиеся в непосредственной близости от поверхности льда.

Кроме того, при изучении алгоритма расчетов притока теплоты к ледовой поверхности было показано, что наиболее сложным при данном расчете является определение величины конвективного теплообмена поверхности льда и окружающего воздуха, интенсивность которого характеризуется коэффициентом теплоотдачи. При этом основным недостатком при расчете коэффициента теплоотдачи является использование осредненных формул, что может привести к погрешностям в вычислениях. Решение данной проблемы предлагается осуществить с помощью критериальных уравнений подобия для конвективного теплообмена при продольном омывании плоской поверхности ледового поля воздушными потоками.

Библиографический список

1. Мелькумов, В.Н. Организация воздухораспределения крытых многофункциональных ледовых арен/В.Н. Мелькумов, С.В. Чуйкин//Научный вестник Воронеж. гос. арх.- строит. ун-та. Строительство и архитектура. – 2012. - №3(27). – С. 29-36.

2. Мелькумов, В.Н. Современные способы создания микроклимата крытых ледовых арен и катков/В.Н. Мелькумов, С.В. Чуйкин//Инженерные системы и сооружения. – 2012. №2(7). – С. 68-73.

3. Кокорин, О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха/О.Я. Кокорин. – М.: Изд-во физ.-мат. лит., 2003. – 272 с.

4.Панкратов, В. В. Особенности климатизации ледовых арен/В. В. Панкратов, Н. В. Шилкин//AВОК. – 2009. – №8. – С. 24-36.

5. Различные области применения холода/под ред. А.В.Быкова. – М.: издательство «Агропромиздат». 1985. – 272 с.

6. Михеев, М.А. Основы теплопередачи/М.А. Михеев, И.М. Михеева. – 2-е изд. стереотип. – М.: «Энергия». 1977. – 344 с.

7. Архаров, А.М. Криогенные системы. В 2 т. Т.1. Основы теории и расчета: учебник для студентов вузов по специальности «Техника и физика низких температур»/А.М. Архаров, И.В. Марфенина, Е.И. Микулин. – М.: «Машиностроение». 1996. – 576 с.

8. Булыгина, С.Г. Моделирование конвективного теплообмена человека с воздухом производственных помещений ресторанных комплексов / С.Г. Булыгина, О.А. Сотникова // Инженерные системы и сооружения. – 2011. – №2 (5). – С.55-66.9. Булыгина, С.Г. Разработка теплофизических моделей оборудования влажностно-тепловой обработки продуктов в ресторанных комплексах / С.Г. Булыгина, О.А. Сотникова // Инженерные системы и сооружения. – 2012. – № 2 (7). – С.38-49.

10. Турбин, В.С. Разработка математической модели тепломассообмена в напорных теплоутилизаторах/В.С. Турбин, О.А. Сотникова, Н.А. Петрикеева //Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2005. – Т.1. № 6. - С. 79.

11. Скляров, К.А. Распределение вентиляционных воздушных потоков в помещении от источника теплоты / К.А. Скляров, С.А. Колодяжный, С.О. Потапова // Вестник МГСУ. – 2011. - №7. – С. 554-558.12. Сотникова, О.А. Моделирование распределения трехмерных стационарных воздушных потоков в помещении/О.А. Сотникова, И.С. Кузнецов, Л.Ю. Гусева//Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2007. - Т. 3. - № 6. - С. 121-123.

13. Мухачев, Г.А. Термодинамика и теплопередача: учебник для авиационных вузов/Г.А. Мухачев, В.К. Щикиин. – 3-е изд., перераб. – М.: «Высшая школа». 1991. – 481 с.

14. Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник для вузов/В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – 3-е изд., перераб. – М.: «Энергия». 1975. – 488 с.

15. Цветков, Ф.Ф. Тепломассообмен: учебное пособие для вузов/Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 550 с.

Код для цитирования: Скопировать