За последние годы в России спроектировано, построено и введено в эксплуатацию немало новых объектов с искусственным льдом. Профиль площадок самый разнообразный — от спортивных арен различного уровня и назначения до развлекательных площадок для проведения ледовых шоу.

Вместе с тем сегодня проектировщик инженерных систем для таких объектов сталкивается с дефицитом информации и методик, дающих возможность принять оптимальные технические решения и произвести подбор основного оборудования.

В данной статье описываются сложности, возникающие у проектировщика при расчетах системы вентиляции и кондиционирования, и применение математического моделирования для сравнения полученных расчетов и внесения корректировки и изменений в проектные решения.

Характерные особенности организации микроклимата ледовых арен

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, его 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 8 до 10 °С, а температура в зоне зрительских трибун должна составить 18 °С в холодный период года и 25 °С — в теплый.

Для проведения тренировок температура в зоне ледового поля поддерживается в районе 12 °С, для проведения соревнований по фигурному катанию — в районе 14 °С.

Кроме того, при конструировании систем кондиционирования воздуха применяются различные способы организации воздухораспределения, наибольшее распространение из которых получили перемешивающая вентиляция зоны ледового поля и зоны зрительских трибун.

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

Основными задачами систем кондиционирования над поверхностью ледового поля являются поддержание качества льда в заданных интервалах и предотвращение образования тумана над поверхностью льда. Это достигается путем жесткого контроля над параметрами внутреннего воздуха, такими как влагосодержание (d), температура (t), энтальпия (I) и пр., над поверхностью льда.

Как правило, при организации воздухораспределения рассматриваемой зоны ледового поля принято использовать схемы «сверху-вверх». В этом 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.1).

В случае применения схемы «сверху-вверх» в теплый период года для поддержания надлежащего качества льда приточный воздух после смешения необходимо осушить, что осуществляется с помощью его охлаждения в поверхностном водяном воздухоохладителе и десикантном осушителе. После этого приточный воздух нагревается до температуры, определяемой по формуле [1]:

где Qт.к — конвективный приток теплоты от воздуха к поверхности льда, Вт; Qт.л —теплопритоки от людей в зоне ледового поля, Вт; tвл — требуемая температура воздуха у поверхности льда, °С; Lп — расход приточного воздуха, м3/ч; ρп, ср — плотность и теплоемкость приточного воздуха.

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.

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. При выполнении данного условия наибольшие трудности возникают при учете влияния на приточную струю гравитационных сил, возникающих вследствие разности плотностей воздуха в нижней и верхней частях помещения ледовой арены.

Вторым, не менее важным при расчете требуемого воздухообмена является принцип равномерного заполнения ледового поля приточным воздухом и создание условий для снижения его температуры от tп до tвл.

Выполнение данного принципа напрямую зависит от выбранного способа воздухораспределения и типа приточных насадок. Поскольку величина расхода свежего приточного воздуха, как правило, недостаточна для выполнения поставленного условия, недостающий расход воздуха восполняется рециркуляцией.

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.

Сложности, возникающие при расчетах

Первая — определение конвективных притоков теплоты от воздуха к поверхности льда.

Наиболее сложным при решении формулы по определению температуры приточного воздуха является определение конвективных притоков теплоты Qт.к от воздуха к поверхности льда.

В общем случае приток теплоты к элементарной поверхности за элементарный промежуток времени при конвективном теплообмене определяется по формуле Ньютона-Рихмана [1]:

где αк — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·град); tж — температура жидкости (газа), °С; tст — температура стенки (поверхности), °С; dF — площадь элементарной поверхности, м2; dτ —элементарный промежуток времени, с.

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

Коэффициент конвективного теплообмена поверхности льда и окружающего воздуха рекомендуется определять по формулам [1]:

где vл — скорость воздуха у ледового поля, м/с.

Однако с помощью приведенных формул можно определить лишь осредненный 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 αк с учетом состояния среды и режима ее течения.

Решение задач конвективного теплообмена сводится, как правило, к определению коэффициента теплоотдачи на основании уравнения подобия для конвективного теплообмена при продольном омывании плоской поверхности ледового поля воздушными потоками [1].

Вторая — оценка влияния радиационной составляющей теплопритоков от потолка и конструкций, окружающих ледовую площадку.

В кондиционировании воздуха крытых ледовых катков приходится решать задачу предотвращения образования конденсата на внутренних поверхностях ограждений зала. Чаще всего конденсат образуется на нижней поверхности конструкций потолка, обращенных к ледовой поверхности.

Температура поверхностей, подвергающихся лучистому охлаждению, может снизиться до температуры точки росы воздуха в зале.

Точное решение уравнений относительно температуры поверхности потолка требует громоздких вычислений, и задача решается приближенными методами, с принятием дополнительных упрощений в виде выражения плотности лучистого теплового потока через коэффициент теплопередачи и разницу температур для системы потолок-лед [2].

bп–л — температурный коэффициент, учитывающий аппроксимацию разностей абсолютных температур в четвертой степени к температуре в °С.

По формулам можно провести расчеты результирующей температуры поверхности потолка tп при разных значениях температуры воздуха в зале катка, по величине степени охлаждения потолка определены значения относительной влажности воздуха в зале φ, при которых будет наблюдаться выпадение конденсата. Результаты расчетов отражены в Таблице [2].

Физическая картина рассматриваемых процессов, следующая: в результате радиационного охлаждения от ледовой площадки поверхность потолка охлаждается. Благодаря разнице температур возникает радиационный теплоперенос от остальных поверхностей к потолку.

Из-за разницы температур с воздухом возникает свободная конвекция от поверхности потолка. В процессе сложного теплообмена потолок приобретает такую температуру, при которой устанавливается тепловой баланс.

Надо отметить, что для разной геометрии залов крытых ледовых арен, наличия трибун и их количества эти данные будут корректироваться.

Из совместного рассмотрения видно, что с увеличением геометрических размеров зала за счет уменьшения коэффициента облученности плотность радиационного теплового потока от потолка к ледовой площадке убывает [2].

В тепловом балансе потолка увеличивается вклад радиационного нагрева от стен, величина конвективной составляющей, наоборот, падает по причине уменьшения глубины охлаждения поверхности.

Третья — нестандартные особенности архитектурно планировочных и технологических решений.

При организации помещений крытого катка должно быть учтено множество дополнительных и специфичных требований в отличие от обычных зданий. Изолированные стены без оконных проемов и потолок делают возможным контролирование микроклимата независимо от климата снаружи.

Но иногда встречаются нестандартные особенности архитектурно-планировочных и технологических решений, которые вносят существенные изменения в расчеты систем вентиляции и кондиционирования крытых ледовых катков. Например высота, чем выше отметка потолка в ледовой арене, тем сложнее организовать системы воздухораспределения и обеспечить равномерное заполнение воздушными струями поверхность ледового поля. Также от высоты расположения сопла зависят температура приточного воздуха, угол наклона сопла и параметр регулировки.

Другой особенностью являются нестандартные технологические решения. В рассматриваемом нами объекте по технологическому заданию предусмотрен режим проведения шоу. Его особенность — это уменьшение стандартного ледового поля до размеров 50 х 20 м. Также отсутствие бортов ограждения ледовой площадки, добавляются дополнительные выдвижные трибуны по ее периметру.

Сложность заключается в том, что в рабочей зоне спортсменов необходимо поддерживать жесткие требования по микроклимату: такие как температура воздуха, влагосодержание и подвижность, а для зоны трибун — свои требования. Борт является как бы границей двух климатических зон. Но в нашем случае бортов нет и зрительские трибуны в буквальном смысле находятся в рабочей зоне, предназначенной для спортсменов.

Математическое моделирование (CFD)

Математическое моделирование является мощным инструментом для анализа и оптимизации систем вентиляции, позволяя повысить их эффективность, снизить затраты и улучшить качество воздуха в помещениях. Более того, традиционные расчеты не могут полноценно учесть сложное взаимодействие струй приточного воздуха, конвективных потоков от людей, радиационного охлаждения и специфики архитектуры [3].

Основные задачи применения математического моделирования

Основной целью работы является с помощью методов вычислительной гидродинамики рассчитать распределение параметров микроклимата по объему помещений ледовых арен в теплый период года в различных режимах их функционирования и заполнения людьми и спортсменами.

В качестве метода исследования выбрано компьютерное CFD-моделирование скоростных, температурных, влажностных полей и полей углекислого газа.

Результатом работ математического моделирования является сравнение расчетов и принятых принципиальных решений по организации систем вентиляции и кондиционирования ледовых арен и корректировка проектных решений в части параметров приточного воздуха и рециркуляционного воздуха, объема воздухообмена, количества воздухораспределительных устройств, угла установки и параметра настройки воздухораспределителей, а также корректировки подбора климатического оборудования [3].

Описание работ математического моделирования

Проектирование систем вентиляции и кондиционирования крытых ледовых арен осложнено необходимостью поддержания существенно отличающихся значений параметров воздуха в зоне ледового поля и в зоне нахождения зрителей. Также в случае ошибок при проектировании систем ОВиК создается угроза попадания теплого влажного воздуха в зону ледового поля, что является недопустимым (т. к. может происходить подтаивание льда, искривление его поверхности, образование тумана над ледовым полем).

При проектировании воздухораспределения ледовых арен необходимо рассматривать взаимодействие потоков, создаваемых приточными устройствами, и конвективных потоков от массива зрителей. Учитывая очень сложный характер течения, формирующийся при этом в объеме арены, отделить зоны влияния данных потоков, спрогнозировать их поведение становится трудно. Кроме того, в задачах с искусственным льдом возникает необходимость учета радиационной составляющей на значительной части поверхностей, участвующих в теплообмене (поверхности льда, кровли, стен) [3].

В рамках данной статьи рассмотрим только один режим эксплуатации.

Для ледовой арены № 1 — это режим ледового шоу, основной особенностью которого является уменьшенный размер площадки (до 50 х 19,5 м), наличие большого количества зрителей и отсутствие бортиков.

Исходные данные для моделирования

Исходные данные для моделирования по различным режимам сведены в Таблице [3].

Требуемые параметры воздуха в помещении залов

Зона ледового поля арены № 1 в режиме ледового шоу:

1. температура внутреннего воздуха на отметке 1,5 м: tв = +14 °С;
2. относительная влажность внутреннего воздуха на отметке 1,5 м: φ не более 55%;
3. температура внутреннего воздуха у зрителей: tв = +21 °С;
4. относительная влажность внутреннего воздуха у зрителей: φ не более 65%;
5. подвижность воздуха: vв не более 0,3 м/c.

Результаты моделирования

CFD-моделирование исходного проектного решения показало, что на отметке +1,5 м над ледовой поверхностью температура воздуха оказывается выше требуемых значений, а вблизи зрителей и льда наблюдаются повышенные скорости воздуха.

В результате расчета представленной в статье модификации проектного решения (табл.2) получено решение, удовлетворяющее требованиям по подвижности воздуха. Разнесение в пространстве воздушных струй от диффузоров и решеток привело к интенсивному перемешиванию воздуха в верхней зоне арены, без образования сосредоточенных воздушных потоков вниз — к зрителям и льду. Более равномерное опускание воздуха вниз в этой модификации позволяет не превышать скорость более 0,35 м/с в рабочей зоне. При этом в основном она составляет 0,1–0,3 м/с у льда и 0,2–0,3 м/с в области зрителей.

В результате CFD-моделирования была показана принципиальная невозможность без устройства бортов поддерживать существенно разные температуры вблизи льда и у зрителей. Так для представленной модификации температура воздуха на отметке 1,5 метра надо льдом составляет 21–22 °С и полностью определяется средней температурой воздуха в целом по объему арены, которая составляет 21–23 °С. Температура вблизи зрителей находится в пределах 22–23 °С. Чуть более низкие значения отмечены в нижней части трибун.

Воздушные струи из сопел после достижения высоты около 3 метров надо льдом разворачиваются в сторону центра площадки и уходят вверх.

Важно, что в данной модификации не зафиксировано врывание теплых воздушных масс в нижнюю зону у льда, что позволяет поддерживать равномерную температуру поверхности льда по всей площади.

Уровень влагосодержания в арене получился ниже, чем в исходном проектном решении (6,5–7,5 г/кг), что улучшит качество льда, т. к. снизит интенсивность конденсации влаги на лед. Относительная влажность в целом по объему достаточно равномерная и составляет 40–50%.

Выводы моделирования [3]

При помощи численного моделирования были проанализированы проектные решения для нескольких режимов функционирования двух ледовых арен для теплого периода года.

При численном моделировании исходного проектного решения было установлено, что система ОВиК обеих арен нуждается в доработке, т. к. некоторые показатели микроклимата не удовлетворяли требуемым значениям. На данном этапе исходное проектное решение было переработано и проанализированы несколько его модификаций.

Моделирование продемонстрировало, что режим работы без бортов («шоу») существенно отличается от классических режимов работы ледовых арен. Было показано, что для достижения требуемых температур над ледовым полем необходимо соответствующим образом понизить температуру воздуха в целом по объему арены, что приведет к низким температурам вблизи зрителей. Принятым альтернативным вариантом явилось изменение требований к температуре вблизи льда в сторону повышения. В этом случае необходимо обеспечить увеличение холодопроизводительности систем поддержания льда для исключения его таяния.

Для снижения влагосодержания воздуха водяной охладитель был заменен на фреоновый с охлаждением воздуха до +8 °С.

В результате расчетов измененного проектного решения все выявленные при анализе исходного проекта проблемы были решены . Так, скорость воздуха вблизи зрителей и на отметке 1,5 метра ото льда не превышает 0,35 м/с, в основном находясь в пределах 0,2–0,3 м/с. Отсутствуют врывания воздушных струй из области зрителей в нижнюю часть ледового поля, что позволяет иметь равномерную температуру льда по всей его площади.

ЛИТЕРАТУРА

1. 1. Статья. Характерные особенности организации микроклимата крытых ледовых арен. Чуйкин С.В., Ефанов Д.Р., Попов Д.Л., Симонов К.С. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет Воронеж, Россия.
2. 2. Статья. Русаков С.В. К расчету тепловых и влажностных нагрузок ледовых катков. Нагрузка от радиационного переноса теплоты. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование» № 1, 2014.
3. 3. Научно-технический отчет. по результатам математического моделирования микроклимата, формируемого в объемах ледовых арен №1 и №2 многофункционального спортивного комплекса. ЭТАП 2.