Design and Energy Efficiency of Recreational Artificial Skating-rink
Guangdong Jirong Air-conditioning equipment CO.
By Zhang Heping
Abstract:This paper briefly describes the methods of design, installation and operation for recreational artificial skating-rink. The viewpoint that the recreationalartificial skating-rink cab be used to select refrigerating machine by keeping load is posed, which is cost effective on the aspects of investment and operation.
Keywords:recreational artificial skating-rink, design, installation, operation, energy efficiency
1.前言
随着人们生活水平的提高，无论是在北方还是在南方，人们都对冰上运动产生了浓厚的兴趣。人工冰场的兴建满足了人们的需求。人工冰场从其功能上，可分为供运动员训练和比赛用的冰场和速滑冰场；供娱乐用的大众冰场等。它可不受季节的限制，为人们提供冰球、速滑、花样、冰上舞蹈、大众娱乐滑冰等冰上活动场所。目前我国的人工冰场大部分是冰上体育运动设施，供冰上运动员训练和比赛用。60年代末建成了我国第一座人工冰场—首都体育馆冰场，随后在长春、哈尔滨、齐齐哈尔等地相继建成了多座冰上训练基地。近几年在广州、深圳、天津、武汉、石家庄等地先后建成了一批娱乐性人工冰场，使冰上运动面向大众，成为一项高雅的体育娱乐活动。人工冰场的建设初投资高，运行耗电量大，因此对冰场的设计很值得研究。本文将某娱乐性人工冰场的设计介绍给大家，以促进我国冰上娱乐运动的发展。
2.设计条件及设计参数的确定
2.1 设计条件
冰面面积F=800m2
2.2 设计参数
蒸发温度tz=-12℃
冷凝温度tl=36℃
冰面温度tb=-3℃
冻冰时间t=48h
冰面厚度d=40mm
3.冰场场地构造
原设计采用永久性地板，冷排管浇铸在混凝土内，后来在施工中因故改为填充砂式地板，冷排管埋在砂层内。
4.冰场冷负荷的计算
Q=q×F
=（qc+qm+qr+qg+qi）×F
式中：
Q—冰场冷负荷 Ｗ
q—室内冰场单位面积冷负荷 W/m2
qc—对流放热负荷 W/m2
qm—对流传质负荷 W/m2
qr—太阳辐射负荷 W/m2
qg—地下传热负荷 W/m2
qi—冻冰热负荷 W/m2
F—室内冰场面积 m2
4.1 对流放热负荷
qc=a（ta-ti）
=2.5（22+3）
=62.5 W/m2
式中：
a—对流放热系数取2.5W/℃ m2
ta—室内空气温度 22℃
ti—冰面温度 -3℃
4.2 对流传质负荷
qm=s（da-di）÷1000×g
=2.5÷920（23.4－2.8）÷1000×2836×1000
=159W/m2
式中：
s—传质系数s=a/920
da—空气的含湿量23.4g/kg
di—冰温下饱和空气的含湿量2.8g/kg
g—水蒸汽的汽化潜热和凝固潜热2836×1000J/kg
4.3 太阳辐射负荷
qr=0室内冰场qr=0
4.4 地下传热负荷
qg=K（tg-tp）
=0.167（22+4）
=4.34W/m2
式中：
tg—地坪温度取28℃
tp—冷排管表面温度取-4℃
K—地坪传热系数 0.167 W/m2℃
4.5 冻冰热负荷
qi=b×r×h÷t
=0.001×917×448000÷4320
=95 W/m2
式中：
b—每次浇水厚度 0.001 m
r-----—冰的密度 917kg/m3
h—水冷却并结冰的放热量 448000J/ kg
t—每次浇水冻结时间1.2h
4.6 单位面积冷负荷
Q=qc+qm+qr+qg+qi
=62.5+159+0+4.34+95
=320.84W/m2
4.7 冰场冷负荷
Q=q×F
=320.84×800
=256672W
5.制冷系统的选择
本设计采用氨直接蒸发制冷系统，氨泵供液方式。
5.1 场地冷却排管
场地冷却排管采用D38×2.5无缝钢管，间距90mm，沿冰场宽度方向布置。排管分四组并联，每两组设供液和回气集管。供液回气管采用同程管道系统。在冰场的一侧沿长度方向设管沟，总供液、回气管布置在管沟内，通向机房供液、回气调节站。
5.2 机房制冷系统
冰场负荷可分为初冻负荷和维持负荷，由于娱乐性大众冰场对初冻时间的长短没有严格的要求，为了节省一次投资和能源，采用延长初冻时间和在夜间进行冻冰的措施，减少初冻负荷。本设计取维持负荷为设计冷负荷，根据冷负荷Q选两台4AV-12.5氨压缩机，当tl=36℃，tz=-12℃时每台机器的产冷量为135kW。
6.冰场对其它专业的要求
6.1 对建筑专业的要求
6.1.1 屋顶和墙体具有良好的保温隔热措施，其表面不产生结露现象。本设计屋顶采用球形网架结构，屋顶采用100mm聚苯乙烯双面彩色夹心板，墙体采用350mm厚加气混凝土块。混凝土柱内喷20mm厚聚氨脂保温。
6.1.2 为了减少冰场向地下土壤传递冷量，防止土壤冻结，要解决好地板的防冻问题。本设计采用150 mm聚氨脂隔热，下设f250mm自然通风管。
6.1.3 冰面上部空间6m高度以内不设任何设施，否则会因冰面冷辐射结露凝水。
6.1.4 冰场四周围栏顶部标高，距冰面尺寸为1220mm，冻冰地面无坡度。
6.2 对空调专业的要求
6.2.1 冰场内空气温度小于22℃，相对湿度小于60%。
6.2.2 冰场内任何出风口不可直射冰面，空调出风口风速应小于2m/S，否则冰面易融化。
6.2.3 为了防止屋顶结露，可采用低温干燥的空气对冰场进行空气调节，或者将室外空气加热到30℃，送入冰场上空，在屋顶内上部形成一个热空气层。为了节省投资本设计采用了第二种方法，在屋顶下设一台吊顶式新风机组，配置均匀送风道，喷风口送风。在过渡季节，由供热站提供60~50℃热水，送至新风机组。在夏季直接将室外大于32℃的室外热空气通过新风机组，从送风口水平射出，在屋顶内上部形成一个热空气层，从而避免屋顶结露。
6.3 对给排水专业的要求
6.3.1 冰场场地范围内禁设给排水管道，给水管道可设在与冰场相近的常温房间内，使用时用软管接至冰场。
6.3.2 在冰场一侧的两端头设融冰排水地漏，融冰低温水排至冷却水池，清扫的冰屑也送往水池，使冷却水温度降低，以利节能。
6.3.3 冷却水采用循环供水方式，冷却塔选用低噪声玻璃钢冷却塔。
6.4 对电气自控专业的要求
制冷压缩机设高低压安全保护、油压保护、冷却水断水保护，制冷系统设氨泵自控回路，冰面温度远程监测。
7.制冷系统的安装
7.1 场地冷却排管的安装
材采用普通无缝钢管，安装前应对管道逐根清污、除绣。排管制成后分组进行单体试压、排污。然后再整体试压、排污、抽真空、氨试漏。为了保证冰面的平整度，对冷却排管的安装精度要求±2mm。
7.2 机房制冷系统的安装
设备布置紧凑，管道流程合理、美观。系统管道保证坡度，系统试压、排污、试真空、氨试漏按有关规范要求进行。管道、设备保温材料采用聚氨脂，外裹玻璃布。
8.为保证冰场室内无氨渗漏，保证人员安全，本设计采用以下措施：
8.1 冷排管采用标准定尺无缝钢管，排管制作前应逐根检查，确保钢管的质量。
8.2 冷排管的制作尽量减少焊口，在冰场的冷排管以及管沟内的管道上，不设任何控制阀门和仪表，减少氨渗漏的可能性。
8.3 有条件的地方，冷排管制作可采用亚弧焊接方式。
8.4 本设计在冰场的一侧沿冰场长度方向设管沟，沟宽1000mm，深600mm，其内壁设防潮隔汽层，二根供液和二根回汽总管布置在管沟内，与制冷机房的调节站相连。在制冷系统进行试压、试漏合格后，管沟及管道整体采用聚氨脂现场发泡。这样做的优点是：管道保温、防腐效果好，减少了管沟内管道渗漏的机会。
8.5 在冰场内房间的上部设二台消防排烟风机，每台风机的排烟量为24000m3/h。
8.6 为了保证冷排管的稳定和平整，每组冷排管沿冰场宽度方向间隔3m设一支架。支架采用50#槽钢，用f8U型管卡将排管固定，不平处用钢垫片垫平，点焊固定。排管和支架刷二道耐酸沥青漆防腐，并对冰场以后操作管理提出严格要求：冰场投入使用后，一般情况下不允许将埋管的砂冻层融化。停业时或清理冰面时，只可将砂冻层以上的冰层融化，不可融化砂冻层。这样一是保证了冰场基层不被冻融循环产生破坏影响，二是解决了砂层内支架与排管的防腐问题。
9.冰场运行情况
冰场建成后，制冷系统正式运行。冰场的运行可分为两个阶段。
9.1 冰场初冻阶段
冰场使用前首先对冰场基层进行预冷，程序如下：开始先将场地砂层平整（砂面层的厚度高于冷排管上皮20mm左右），边灌水边供冷。系统刚开始运行时由于负荷较大，蒸发压力较高，故先采用直接膨胀式供液，当蒸发压力降至0.22Mpa时停止直接膨胀式供液，采用氨泵供液。待砂层冻结成整块时即可洒水冻冰。洒水为逐层洒水每层冻冰1mm左右，当冰层厚度达到40mm（砂面层以上的冰层厚度）时即可停止洒水，冻冰过程结束。整个过程约用了40小时。
9.2 冰场维持阶段
根据冰场的使用要求，冰面温度控制在-2.3~-2.5℃之间，维持冰面温度不变。
9.3 冰面的修整
冰场经使用一段时间后，冰面上会出现许多冰刀划出的沟痕和冰屑，影响继续使用。因此必须进行修整，清理冰屑，再洒水将沟痕冻平或暂时停机使冰层表面融化。为了节省能源，浇水可用冷凝器出口的冷却水。
10.为保证冰面的温度均匀，本设计采取的技术措施：
10.1 制冷系统采用氨泵强制供液方式，以蒸发量6倍的供液量向冷排管供液。
10.2 场地排管采用并联的方式，以减小每根管的长度，每根管长45m。
10.3 供液、回气管道采用同程系统以保证每组排管供液的均匀性。
10.4 在机房供液、回汽调节站上设二组阀门，可调节冰场内排管的供液量。在供液、回汽调节站的集管上分别设压力表。在汽体调节站上设有热氨管，在液体调节站上设有排液管，供系统冲油用。
10.5 系统初运行时，采用直接膨胀式供液方式，先开启一组供液、回汽阀门，观察其砂层表面冻结的均匀性和回汽压力。待压力降至0.22MPa，砂层冻结正常时（能明显地看到砂层下面一根根管道均匀冻结的痕迹），再开启另一组供液、回汽阀门，系统全部投入运行。当吸气压力再降到0.22MPa时，即可切换为氨泵供液方式运行。
10.6 由于冷排管处在低温工况下工作，系统经长时间的运行后，润滑油会在管道的内壁形成一层油膜影响传热效果，本设计在调节站上设了热氨冲油系统，机房内设有排液桶。可二组排管冲油，二组排管正常制冷工作，交替进行。系统冷排管除油一般情况下每年进行二次，系统冲油操作时，热氨压力控制在0.6MPa左右。
11.结论
该冰场以较小的设计负荷作为选择压缩机和附属设备的依据，节省了基建投资，降低了经常运行费用。该冰场经过近二年的实际运行表明，制冷系统运行正常，冰场冻冰质量好，冰面温度均匀，硬度适中，达到了设计要求。
12.参考文献
12.1 陆亚俊、马最良、庞志庆编著，《制冷技术与应用》中国建筑出版社，1992年4月
12.2 邹月琴、贺绮华编著，《体育建筑空调设计》中国建筑出版社，1991年1月
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