Рис. 1. Преимущественные области использования сорбционного и конденсационного методов осушения воздуха
Рис. 2. Результаты расчетов с использованием климатических параметров «А»
Рис. 3. Результаты расчетов с использованием климатических параметров «Б»
Рис. 4. Типовой пример установки адсорбционных осушителей (план)
Рис. 5. Типовой пример установки адсорбционных осушителей (разрез)
Табл. 1. Потребное количество свежего воздуха, м3/ч
Табл. 2. Количество воды, расходуемое при восстановлении поверхности льда, кг
Табл. 3. Удельные метаболические влаговыделения, кг
Табл. 4. Адсорбционные осушители воздуха производства фирмы HB COTES A/S, установленные на крытых ледовых стадионах
Федеральный закон «О физической культуре и спорте» №80-ФЗ от 29 апреля 1999 г. [1], а также концепция развития физической культуры и спорта в Российской Федерации на период до 2005 г., одобренная распоряжением Правительства Российской Федерации от 29.10.2002 г. за №1507-р [2], определяют государственную политику в области физической культуры и спорта.
Ресурсное обеспечение в области физической культуры и спорта предусматривает, наряду с мерами государственной поддержки, строительство и содержание физкультурно-оздоровительных, спортивных и спортивно-технических сооружений за счет местных бюджетов.
Так, например, целевой программой «Развитие физической культуры и спорта в Санкт-Петербурге» на 2003–2006 гг. [3] на указанные цели планируется финансирование в объеме не менее 1,5% от общей суммы доходов городского бюджета. Объемы нового строительства, установленные генеральной схемой развития и размещения объектов физической культуры и спорта в г. Москве до 2010 г. [4], базируются на использовании как бюджетных, так и внебюджетных источников финансирования.
Объем внебюджетного финансирования предполагается не ниже 60% от всех капитальных вложений в новое строительство. С инженерной точки зрения наиболее сложными, капиталоемкими и энергетически насыщенными являются спортивные сооружения типа крытых ледовых стадионов, в которых сочетаются между собой требования по одновременному поддержанию режимов охлаждения и нагрева в пределах единого строительного объема.
При этом следует отметить, что зимние виды спорта, такие как хоккей, скоростной бег на коньках и фигурное катание, являются традиционно наиболее популярными в России. В последнее время все большее распространение также получает керлинг. На текущий момент Москва располагает 19 ледовыми дворцами с единовременной пропускной способностью 1070 человек.
Дальнейшее развитие сети крытых ледовых стадионов предусматривается комплексной городской целевой программой «Спорт Москвы 2004–2006» [5], разработанной во исполнение Постановления Правительства Москвы №1171 от 25 декабря 2001 г.
В настоящее время действуют 22 нормативных документа по созданию и строительству физкультурно-спортивных объектов и сооружений, в том числе СНиПов (строительные нормы и правила) — 11, ТСН (территориальные строительные нормы) и МГСН (московские городские строительные нормы) — 4, ВСН (ведомственные строительные нормы) — 5, СН (строительные нормы) — 1, НД (нормативные документы) — 1.
Однако действующие и не отмененные нормативы по многим параметрам устарели и не отвечают современным мировым требованиям к инженерно-тех-ническому оснащению крытых ледовых стадионов, в частности, тех, которые предназначены для круглогодичного функционирования. Одной из особенностей подобных объектов является необходимость использования осушителей воздуха адсорбционного типа.
Причина использования осушителей воздуха именно адсорбционного типа, в отличие от конденсационных осушителей, заключается в особенностях их принципа действия, обеспечивающего повышенную эффективность при сравнительно низких температурах воздуха, а также благодаря их способности поддерживать низкую относительную влажность.
На рис. 1 представлены преимущественные области использования осушителей обоих типов. Из представленного на рис. 1 следует, что использование осушителей воздуха конденсационного типа является предпочтительным, например, в плавательных бассейнах, аквапарках и на других объектах, характеризуемых температурой воздуха порядка нескольких десятков градусов и относительной влажностью превышающей 50%.
В то же время, крытые ледовые стадионы имеют температуру воздуха над поверхностью льда приближающуюся к 0°С, а на удалении от поверхности льда, во избежание конденсации, относительная влажность воздуха должна поддерживаться на уровне существенно ниже 50%. Отсюда, использование на крытых ледовых стадионах осушителей воздуха адсорбционного типа не имеет альтернативы.
В современной мировой практике почти все строящиеся, реконструируемые и вновь проектируемые крытые ледовые стадионы оснащаются такого рода осушителями. Осушение воздуха преследует следующие основные цели [6]:
- улучшение качества льда за счет предупреждения конденсации влаги на его поверхности;
- предотвращение образования тумана над ледовой площадкой;
- предотвращение конденсации влаги на прозрачных ограждениях хоккейной площадки;
- сокращение энергетической нагрузки на холодильные машины за счет предотвращения утолщения слоя льда в результате конденсации влаги на его поверхности;
- снижение ощутимых запахов;
- предотвращение повреждений интерьера и коррозии металла за счет конденсации влаги на ограждающих конструкциях, подверженных радиационному выхолаживанию;
- предотвращение капежа конденсируемой влаги с внутренней поверхности кровли в целях сохранения идеально гладкой поверхности льда (в особенности, на дорожках для керлинга).
В текущем году программные средства Arena EE Wizard [7] упрощенного моделирования работы инженерных систем микроклиматического обеспечения крытых ледовых стадионов (хоккейные площадки, катки для скоростного бега на коньках и фигурного катания, ледовые дорожки для керлинга и др.) включены в состав компьютерной системы моделирования CBIP (Commercial Building Incentive Program).
Указанная система моделирования реализуется в сети Internet, представляя собой самостоятельную компоненту комплексных компьютерных программ по энергетическому анализу зданий Energy Plus и DOE-2.1E [8], разработанных американской лабораторией LBNL — Lawrence Berkley National Laboratory (г. Беркли).
Система моделирования определяет почасовой расход энергии производит оценку энергетических затрат с учетом часовых показателей погоды (температура, скорость ветра, солнечная радиация), характеристик систем отопления, вентиляции, кондиционирования и других факторов.
Отечественная ассоциация АВОК проявила большой интерес к данной системе моделирования [9] и намерена активно ее внедрять в отечественную практику. В отсутствие полноценных возможностей компьютерного моделирования упрощенный расчет осуществляется путем составления влажностного баланса по следующей схеме.
1. Основным источником влаги в летний период (при круглогодичной эксплуатации крытых ледовых стадионов) является свежий воздух, подаваемый системами вентиляции.
В зависимости от географического местоположения объекта влагосодержание атмосферного воздуха колеблется в значительных пределах. Используя климатические данные по параметрам «А» и «Б», приведенные в СНиП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», производится расчет избыточного влагосодержания приточного воздуха в теплый период года по отношению к точке росы, значение которой принимается равным температуре поверхности льда.
В отечественной практике проектирования [10] расчетная температура поверхности льда составляет –8°С. В соответствии с рекомендациями ASHRAE [11] расчетная температура поверхности льда дифференцирована в зависимости от вида проводимых спортивных мероприятий следующим образом:
- хоккей — –5,5°C (22°F);
- фигурное катание — –3,3°C (26°F);
- керлинг — –4,4°C (24°F);
- катание на коньках — –2,2°C (28°F).
Вышеуказанные расчетные значения определяют количество влаги в граммах, которое необходимо удалить из каждого килограмма воздуха, поступающего внутрь крытого стадиона.
Результаты расчетов для некоторых городов России с использованием климатических параметров «А» и «Б» представлены соответственно на рис. 2 и 3. В общем случае расчет сводится к следующему:
А) По данным СНиП 2.04.05–91* для конкретного города определяется температура (t, °С) и удельная энтальпия (h, кДж/кг) воздуха в теплый период года. Далее вычисляется его влагосодержание (Xout, г/кг) с использованием следующей формулы: Xout = (h – t і Cpa)/ (hg + t і Cpv) і 103, (1) где: Cpa — удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении при 0°С (1 кДж/(кг•°С), Cpv — удельная теплоемкость паров воды при постоянном давлении при 0°С (1,805 кДж/(кг•°С), hg — удельная энтальпия насыщенных водяных паров при 0°С (2501 кДж/кг).
Б) В зависимости от целевого назначения крытого ледового стадиона (культивируемые виды спорта) выбирается расчетное значение температуры поверхности льда, рассматриваемое как точка росы (tdp, °С).
Соответствующее влагосодержание воздуха (Xin, г/кг) непосредственно над поверхностью льда рассчитывается с использованием следующей последовательности формул: Xin = (MV/MA) і і (PS/(P – PS) і 103, (2) где: MV — молекулярная масса воды (0,01802 кг/моль), MA — молекулярная масса воздуха (0,02896 кг/моль), P — атмосферное давление (101330 Па на уровне моря), PS — парциальное давление насыщенных паров воды при температуре tdp, Па. Последний из указанных параметров вычисляется по эмпирической формуле, справедливой в температурном диапазоне от –100 до 0°С. PS = exp(g/T + h + k і T + l і T2 + + m і T3 + n і T4 + q і ln(T)], (3) где: g = –5,6745359 і 103, h = 6,3925247, k = –9,677843 і 10–3, l = 6,22115701 і 10–7, m = 2,0747825 і 10–9, n = –9,484024 і 10–13, q = 4,1635019, T = tdp + 273,15, K. Комбинируя последние два выражения, имеем следующую формулу для практических расчетов: Xin = 622/[P і exp(–g/T – h – – k і T – l і T2 – m і T3 – (4) – n і T4 – q і ln(T)) – 1].
В) Количество избыточной влаги (X, г/кг), поступающей внутрь крытого стадиона, определяется по формуле: X = Xout – Xin. (5) Потребный влагосъем по рассматриваемой компоненте влажностного баланса (Dfresh hair, кг/ч) составит: Dfresh hair = X і r і L і 10–3, (6) где: r — плотность воздуха (1,2 кг/м3), L — расход свежего воздуха, м3/ч.
В отечественной практике [10] расход свежего воздуха определяется в количестве не менее 80 м3/ч на одного занимающегося спортсмена и не менее 20 м3/ч на одного зрителя. Согласно стандарту ASHRAE 62-1989 количество свежего воздуха в расчете на одного человека должно составлять 25,5 м3/ч (15 cfm).
Вместе с тем количество свежего воздуха должно составлять не менее 9 м3/ч на м2 ледовой поверхности (0,5 cfm per sq foot). Последний параметр, как правило, является определяющим при числе зрителей менее 500 человек. Для типовых ледовых площадок потребное количество свежего воздуха представлено в табл. 1.
2. Технология восстановления поверхности льда предусматривает использование горячей воды, имеющей температуру от 600°C (1400°F) до 700°C (1600°F). Количество воды (Wresurf, кг), расходуемое при каждом очередном восстановлении поверхности льда, представлено в табл. 2. Потребный влагосъем по рассматриваемой компоненте влажностного баланса (Dresurf, кг/ч) составит: Dresurf = Wresurf і n/Tday, (7) где: Tday — количество часов, в течение которых ледовый стадион эксплуатируется на протяжении суток, час/сутки, n — количество циклов восстановления поверхности льда на протяжении времени Tday.
Как правило, восстановление льда происходит от 4 до 8 раз в сутки. Таким образом, при Tday = 24 ч. Dresurf может достигать 30 кг/ч.
3. Метаболические выделения влаги обусловлены присутствием людей на стадионе. Удельные метаболические выделения [6] сведены в табл. 3. Потребный влагосъем по рассматриваемой компоненте влажностного баланса (Dmet, кг/ч) составит: Dmet = е2i = 1wimet і pi і 10–3, (8) где: pi — вместимость ледового стадиона по категориям посетителей (i = 1,2), чел.
Итоговый влажностный баланс (D, кг/ч) определяет потребный влагосъем внутри ледового стадиона: D = Dfresh air + Dresurf + Dmet . (9) Типовой пример установки адсорбционных осушителей воздуха представлен на рис. 4 и 5. Среди производителей осушителей воздуха адсорбционного типа существенно выделяется фирма HB COTES A/S (Дания), поставляющая широкий спектр агрегатов различных типоразмеров.
Основной элемент осушителя — ротор — на 82% заполнен высоко эффективным силикагелем на стекловолоконном носителе. Высокий процент заполнения силикагелем, а также оптимальный размер пор насадки обеспечивают интенсивную адсорбцию избыточной влаги при минимальном потреблении энергии.
В наибольшей степени специфике обработки воздуха крытых ледовых стадионов отвечают осушители воздуха серии CR..., использующие элек-трический нагрев регенерирующего воздушного потока до температуры 100–1400°С, а также серии CRT...G, использующие газовые нагреватели и регулирование производительности по заданному значению точки росы.
Перечень крытых ледовых стадионов, на которых установлены адсорбционные осушители воздуха производства фирмы HB COTES A/S, приведен в табл. 4.
