Большинство построенных в прошлом веке отечественных крытых катков не позволяют круглогодично поддерживать оптимальные параметры микроклимата. Оставляет желать лучшего энергетическая эффективность СКВ. При проектировании систем кондиционирования воздуха таких сложных объектов, как крытые ледовые арены, необходимо обратить внимание на зарубежный опыт. В современной мировой практике почти все строящиеся и реконструируемые крытые ледовые стадионы оснащаются осушителями адсорбционного типа, так как они более эффективны при низких температурах. Сорбционные осушители способны поддерживать чрезвычайно низкую относительную влажность, вплоть до 2 % при температурах до –20 °С. Это их главное преимущество по сравнению с конденсационными осушителями, эффективность которых резко падает с уменьшением относительной влажности и температуры воздуха (рис. 1).Принцип работы осушителя следующий (рис. 2): адсорбент (силикагель) поглощает воду из проходящего воздушного потока, поглощенная вода уносится из осушителя вместе с регенерирующим воздушным потоком. Адсорбция воды и ее выделение осуществляются в роторе, заполненном влагопоглощающим силикагелем. Воздушные потоки осушителя делят ротор на две части: осушающую часть и регенерирующую часть. Через ротор проходят два параллельных воздушных потока: обрабатываемый воздушный поток проходит через осушающую часть ротора, и осушенный воздух покидает осушитель. Регенерирующий воздушный поток проходит через фильтр на линии регенерирующего воздушного потока и попадает в нагреватель, где нагревается до 130 °С. Нагретый регенерирующий поток воздуха далее проходит через регенерирующую часть ротора (25 % поверхности ротора), происходит испарение адсорбированной воды и водяной пар покидает осушитель вместе с регенерирующим воздухом. Принцип двух параллельных воздушных потоков с вращающимся ротором позволяет получить автоматизированный процесс одновременного поглощения и выделения воды. Закрытые помещения с искусственными катками требуют применения систем МК, назначением которых являются: обеспечение отсутствия тумана у поверхности ледяной арены, отсутствие конденсата на строительных и ограждающих конструкциях помещений катков; обеспечение санитарно-гигиенических параметров воздушной среды на зрительских трибунах и в зонах помещения, где находятся люди. Исходя из этих трех основных задач рационально устройство трех по назначению систем МК. В предыдущей статье посвященной применению адсорбционных осушителей рассматривалось автономное размещение осушителя вблизи ледовой площадки [1]. Ниже будет рассмотрена система МК, обслуживающая зону ледяной арены с подачей осушенного воздуха непосредственно в зону присутствия людей. Традиционная (конденсационная) технология осушения воздуха в системе микроклимата искусственных катков была подробно рассмотрена [2]. В качестве примера ниже приводятся расчеты для стандартной хоккейной площадки. При игре в хоккей с шайбой в зоне льда (30×60 м) находятся 50 человек. В соответствии с рекомендациями ASHRAE [3] параметры воздуха на хоккейной площадке в теплый период года поддерживаются на уровне +10 °С/75 % RH (d = 5,8 г/кг). Производительность по воздуху двух центральных кондиционеров выбирается по условиям обеспечения достаточно полного покрытия поверхности льда приточным воздухом и составляет 34000 м3/ч. Для компенсации отвода тепла от воздуха ко льду нужно подавать приточный воздух с температурой +21 °С. При санитарной норме 80 м3/ч наружного воздуха на человека [4] минимальный воздухообмен составляет 4000 м3/ч. Температура точки росы воздуха в зоне нахождения людей на льду tр = +5,8 °С, что значительно выше температуры поверхности льда (tл = –5,5 °С для хоккея). Избыточное влагосодержание у поверхности льда может привести к интенсивному выпадению конденсата. Рассмотрим возможность осушения в воздухоохладителе центрального кондиционера. Температура охлаждающей жидкости tж = +2,5 °С, средняя температура поверхности воздухоохладителя tF = +5,6 °С. Если осушение производится только конденсационным методом, то влагосодержание можно уменьшить до уровня d = 5,8 г/кг. Основным источником влаги в летний период является свежий воздух, подаваемый системами вентиляции. В зависимости от географического местоположения объекта влагосодержание атмосферного воздуха колеблется в широких пределах. Для г. Москвы наружный микроклимат (параметры Б) задается температурой +26,3 °С и энтальпией 57,5 кДж/кг [5, 6] соответствующее значение влагосодержания 12,2 г/кг. Указанные расчетные значения определяют количество влаги в граммах, которое необходимо удалить из каждого килограмма воздуха, поступающего внутрь крытого стадионаMw = LсвρΔd = (1) = 4000⋅1,2⋅(12,2 – 5,8) = 30720 г/ч.Дополнительно [7] в воздух рабочей зоны на ледовой площадке поступают влаговыделения от спортсменов (170 г/чел⋅ч)Mмет = wметm = 170⋅50 = (2) = 8500 г/ч,где wмет — удельные метаболические влаговыделения, кг; m — количество людей, а испарения при заливке площадки горячей водой Mresurf = wresurf(n/T) = (3) = 26⋅3/12 = 6,5 кг/ч,где wresurf — расход воды на восстановление льда, кг; Т — показатель использования катка в сутки, час/сут; n — количество циклов восстановления льда за время Т.Суммарные влагопритоки могут составить∑М = Mw + Mмет + Mresurf = (4) = 30,7 + 8,5 + 6,5 = 45,7 кг/чВ традиционной схеме осушения, изображенной на рис. 3, для конденсации 45,7 кг/ч требуется холодо-производительность 120 кВт (процесс СМ–ОХ). Для последующего нагрева приточного воздуха (процесс ОХ–П) нужно 160 кВт тепловой мощности. С экономической точки зрения сорбционный метод более эффективен по сравнению с конденсационным при низких значениях температуры и относительной влажности. Кроме того, адсорбционные осушители позволяют поддерживать значения точки росы tBP < 0 °С (влагосодержание d < 3,8 г/кг). Тип адсорбционного осушителя выбирается с учетом затрат на энергетические ресурсы (электрическая энергия, пар, газ).На рис. 4 приводится схема комплексной обработки воздуха с адсорбционным осушением. Для того, чтобы избежать конденсации влаги на ограждении ледовой площадки при температуре льда –3 °С, температура точки росы должна поддерживаться на уровне +4 °С. Это соответствует параметрам воздуха в зоне присутствия людей +10 °С/65 % RH (d = 5,2 г/кг).Воздух рабочей зоны воспринявший тепло и влаговыделения (процесс В–Р) увеличивает параметры до tр = +13 °С, d = 5,7 г/кг. Наружу удаляется 4000 м3/ч воздуха, часть рециркуляционного воздуха (12 000 м3/ч) проходит через осушитель, другая часть (18 000 м3/ч) поступает в камеру смешения центрального кондиционера. Удельная производительность Δd = 3,6 г влаги на 1 кг осушаемого воздуха (параметры воздуха на входе +13 °С/60 % RH). Влагосъем в адсорбционном осушителе производительностью 12 000 м3/ч воздухаMОС = LОСρΔd = 12000⋅1,2⋅3,6 = (5)= 51840 г/ч.Происходит глубокое осушение воздуха до уровня d = 2,0 г/кг. Температура осушенного воздуха выше температуры воздуха на входе, что обусловлено выделением теплоты испарения и притоком теплоты от ротора. В рассмотренном выше примере температура воздуха после осушения повысится до 27 °С. Осушенный воздух смешивается с рециркуляционным и свежим воздухом (4000 м3/ч) в центральном кондиционере, смесь нагревается до 21 °С (процесс СМ2–П) с Qнагр = 19 кВт. Количество влаги привносимое в помещение свежим воздухомMw = LсвρΔd = (6)= 4000⋅1,2⋅(12,2 – 5,2) = 33600 г/ч.Суммарные влагопритоки могут составить ∑М = Mw + Mмет + Mresurf = (7)= 33,6 + 8,5 + 6,5 = 48,6 кг/ч. Присутствие зрителей, дождливая погода или другие факторы могут увеличить поступление влаги в помещение катка. В этом случае часть влаги будет конденсироваться в воздухоохладителе центрального кондиционера. В общем случае поступающая влага удаляется тремя способами (ассимиляция, конденсационный и адсорбционный). Расчетные режимы удаления влаги (рис. 5) показывают изменение влажности при разных методах осушения при инфильтрации в ночное время и поступлении влаги во время интенсивной эксплуатации катка (например, соревнований). Равновесное по влаге состояние микроклимата достигается при равенстве поступающей и удаляемой влаги. В ночном режиме при минимальном поступлении влаги баланс будет достигнут на уровне 2,0 г/кг (tBP = 13 °С и ϕBP = 20 %). Абсолютная влажность 2,0 г/кг соответствует температуре точке росы –7,5 °С. Благодаря предварительному глубокому адсорбционному осушению не происходит резкого повышения влажности. Оптимальная влажность (от 40 до 60 % RH при tв = +10 °С) обеспечивается в течении нескольких часов интенсивной эксплуатации катка. Максимальная влажность в конце работы катка (от 18:00 до 22:00 ч) не превышает допустимого предела с точки зрения образования тумана и конденсации влаги на ограждениях площадки. Для крытых катков, эксплуатирующихся менее 12 ч в сутки, осушитель подбирается по ночному режиму (люди в помещении отсутствуют и влага поступает только из-за инфильтрации воздуха). Подобная ситуация складывается и во время тренировок. Если учесть, что режим работы СКВ при параметрах наружного воздуха близких к расчетным (+26,3 °С/56 % RH) используется редко, то рациональный выбор осушителя позволит снизить плату за подключение к электросетям, уменьшить капитальные и эксплутационные расходы на инженерные системы. Особенно актуальным такой подход становится при строительстве небольших крытых катков и инвестировании государственных бюджетных средств. Ниже приводится алгоритм выбора осушителя для ночного режима. При объеме помещения 30000 м3 по причине инфильтрации в помещение может поступать до 3000 м3/ч (кратность воздухообмена 0,1). При влагосодержании наружного воздуха 12,2 г/кг для обеспечения влагосодержании внутри помещения не выше 5,2 г/кг нужно удалить влагуMОС = LОСρΔd = (4)= 30000⋅0,1⋅1,2⋅(12,2 – 5,2) = 25200 г/ч.Эта влага может быть удалена осушителем производительностью 6000 м3/ч.Таким образом, в зависимости от внешних или внутренних условий, количества поступающей влаги требуется точно управлять абсолютным внутренним влагосодержанием. Осушитель должен управляться посредством контроллера точки росы, а датчик влажности рекомендуется располагать в непосредственной близости от ограждения. При любых условиях это позволяет предотвратить образование тумана, запотевание прозрачных ограждений, капеж и ухудшение качества льда из-за выпадения конденсата на холодных поверхностях. Процесс осушения может управляться также микропроцессорным контроллером по уровню относительной влажности. Контроллер осушителя замеряет текущее значение влажности и, управляя агрегатом, поддерживает постоянный требуемый уровень относительной влажности. Алгоритм управления основан на замере относительной влажности датчиком с последующим сравнением замеренных или расчетных (точка росы) данных с заданной установкой. Выводы по результатам сравнения двух методов осушения воздуха Адсорбционные установки обеспечивают круглогодичное поддержание оптимальных параметров микроклимата внутри спортивных ледовых сооружений. В отличие от процесса осушения воздуха в воздухоохладителях, на поверхности которых температура точки росы не может быть ниже +3 °С, осушение воздуха в адсорбционных установках может производиться до самых низких параметров по температуре и влажности. Глубокое осушение воздуха в спортивном комплексе даже в условиях жаркого и влажного климата позволяет предотвратить конденсацию влаги на льду и ограждениях при игре в хоккей. Оснащение СКВ гигростатом и датчиком влажности, расположенным в непосредственной близости ото льда обеспечивает своевременное и эффективное удаление избыточной влаги. Управление внутренним влагосодержанием по датчику точки росы или по уровню относительной влажности, гарантирует стабильность микроклимата вне зависимости от сочетания внешних и внутренних факторов. Использование адсорбирующего осушителя для крытого катка позволяет значительно снизить потребность СКВ в холоде, что экономит ресурс холодильной машины, снижает расход электрической энергии. Исходя из приведенных выше расчетов для удаления 46 кг влаги в час требуется затратить Qох = 120 кВт и Qнагр = 120 кВт. В случае адсорбционного осушения на удаление 51,9 кг/ч расходуется Qнагр = 84 кВт. В крупных городах стоимость подключения составляет 35–40 тыс. руб. за 1 кВт. При наличии газа адсорбционные осушители позволяют на порядок снизить электрическую мощность установки. Цена природного газа в европейской части России сейчас составляет около 2 руб/м3. Осушительный агрегат производительностью по воздуху 12000 м3/ч расходует 8,4 м3 газа на 92 кВт⋅ч [8], что соответствует стоимости 0,18 руб/(кВт⋅ч) (для сравнения 1 кВт⋅ч электроэнергии — 1,8 руб.). Приведенные выше расчеты производились для объекта расположенного в зоне умеренного климата. Для южных регионов (г. Сочи tн = 30,2 °С и dн = 15,3 г/кг по параметрам Б) выгода еще более очевидна. Благодаря глубокому осушению воздуха можно решить еще одну важную проблему, связанную с опасными для здоровья грибками и плесенью. Во влажных зонах ледовых арен присутствуют идеальные условия для размножения плесневых грибков, что приводит к высокой концентрации спор и микотоксинов в воздухе помещения. Низкая относительная влажность препятствует формированию плесени. Рекомендуемыми уровнями влажности являются 40 % относительной влажности при tв = +10 °С, в то время как конденсационный метод осушения не позволяет поддерживать влажность ниже 70 % RH в зоне ледовой площадки.
1. Вишневский Е.П. Особенности и технические средства микроклиматической поддержки крытых ледовых стадионов // Журнал «С.О.К.» №7/2004. 2. Кокорин О.Я., Варфоломеев Ю.М. Системы и оборудование для создания микроклимата помещений. — М.: «ИнфраМ». 3. ASHRAE Refrigeration Handbook. Chapter 33. Ice Rinks. 4. Справочное пособие к СНиП 2.08.02–89 «Проектирование спортивных залов, помещений для физкультурно-оздоровительных занятий и крытых катков с искусственным льдом». 5. СНиП 4101–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М., 2004. 6. СНиП 2301–99. Строительная климатология. 7. 13AN — Indoor Ice Rink Dehumidification. —http://www.desertaire.com. 8. Технический каталог фирмы HB COTES A/S (Дания) 2007.
