Рекуперация сбросной теплоты от работы холодильной машины
Для системы горячего водоснабжения здания и периодического восстановления (обновления) поверхности льда ледовой арены требуется вода с высокой температурой. Для нагрева воды можно использовать теплоту сжатия рабочего газа (хладагента) в компрессоре холодильной машины. Проблема с горячим водоснабжением и водоснабжением для восстановления ледяной поверхности заключается в сильном разбросе расхода воды в течение суток. Из-за этого необходимо предусмотреть накопительные емкости для хранения воды. Для предварительного нагрева воды для горячего бытового водоснабжения достаточно емкости объемом 7 571 л (часто используются две емкости объемом 3 785 л каждая). При таком объеме воды рекуперированной теплоты от работы холодильной машины достаточно для нагрева 7 571 л воды до температуры 77 °С – этого хватит для работы в течение всего дня. Анализ энергосбережения в некоторых аренах показывает, что рекуперация избыточной теплоты из хладагента достаточна для полного обеспечения потребности в горячем водоснабжении и воды для восстановления поверхности льда. Годовая экономия энергии может достигать 130 000 кВт·ч.
Насосы хладоносителя
В районе Монреаля было проведено несколько исследований, в которых изменялась гидравлическая схема раздачи (распределения) хладоносителя в основании ледового покрытия. Вместо традиционной схемы с двумя проходами в модифицированной гидравлической схеме применялось четыре прохода. Это сильно повлияло на энергопотребление рассольного насоса – оно снизилось до 50 %. Во время испытательного периода качество льда не пострадало и не было отмечено каких-либо изменений в характеристиках льда. В одном случае было даже отмечено улучшение характеристик льда на арене с модифицированной четырехзаходной схемой раздачи. Это наблюдение относилось к двум ледовым аренам с единым холодильным центром, из которых одна арена имела четырехзаходную схему раздачи хладоносителя, а вторая – двухзаходную. Вследствие ошибки изготовления основания арены с двухзаходной схемой раздачи (была выполнена слишком большая толщина бетона над пластиковыми трубками) при эксплуатации оператору пришлось понизить температуру хладоносителя в процессе создания льда на арене с двухзаходной схемой. При этом при более высоком уровне температур (–16 °С) качество льда было лучше на арене с четырехзаходной схемой раздачи.
Толщина слоя бетона над пластиковыми трубками и толщина слоя льда на бетонном основании оказывают определяющее влияние на интенсивность теплопередачи. Толщина бетонного слоя должна быть равномерна по всей арене, с тем чтобы толщина слоя льда была минимальна и ограничена 25 мм. Слой бетона над пластиковыми трубками также не должен превышать 25 мм. При толщине бетонного слоя в 102 мм для сохранения качества льда потребуется снизить температуру хладоносителя на 5,5 °С.
Ряд вопросов касается выбора величины скорости хладоносителя в трубке. Следует ли поддерживать турбулентный режим течения хладоносителя в трубке? При этом часто оказывается, что теплоотдача ото льда к хладоносителю снижается. На стандартной (канадской!) арене используется примерно 16 150 м пластиковых полиэтиленовых трубок. Если нагрузка на систему охлаждения ледовой арены составляет 246 кВт, то удельная теплоотдача в трубке составит 15 Вт/м. Это означает, что ламинарный поток хладоносителя имел бы меньше влияния на теплопередачу. Термический пограничный слой, присущий ламинарному потоку, оказывал бы более существенное влияние на теплообмен при суммарном коэффициенте теплопередачи, например, 961 Вт/м для трубки.
В четырехзаходной схеме раскладки труб снижается расход энергии в насосах при прокачивании хладоносителя на 70 000 кВт·ч и на 20 000 кВт·ч снижается связанный с этим расход энергии на работу холодильных машин (меньше тепла поступает к хладоносителю от насосов). Для арен в районе Монреаля это дает экономию порядка 6 000 долларов США в год.
Рекуперация теплоты для отопления
Холодильное оборудование арены также может выполнять функцию теплового насоса. Всю теплоту, отводимую ото льда, можно использовать для отопления помещений, а наружный воздух – для вентиляции. Хотя теплота рекуперируется из вытяжного воздуха, для вентиляции все равно требуется дополнительное количество теплоты. Рекуперированную теплоту от холодильного оборудования можно легко использовать, так как она не требует высокой температуры конденсации. Более того, рекуперация теплоты не оказывает отрицательного влияния на производительность холодильных компрессоров.
Конденсаторы с теплообменниками – рекуператорами теплоты можно использовать для обогрева помещений. Необходимо использовать низкотемпературное отопительное оборудование, которое не требует высокой температуры конденсации (38 °С).
Энергии, полученной при полной рекуперации теплоты с холодильного оборудования, будет достаточно практически для всего отопления и вентиляции. Это даст общую экономию энергии 475 000 кВт·ч в год.
Использование энергосберегающих потолочных перекрытий
Холодильная нагрузка ледяной арены зависит от сочетания сложных процессов радиационного теплового излучения и конвекции воздуха. Исследования показывают, что основное влияние на холодильную нагрузку ледяной арены оказывает тепловое излучение поверхности потолочного перекрытия. Лучистый теплообмен между льдом и потолком можно уменьшить за счет потолков с пластиковыми пластинами с алюминиевым покрытием с высокой отражающей способностью (энергосберегающие потолки). При этом снижается лучистый теплообмен с потолком, но повышается лучистый теплообмен со стойками по периметру из-за повышенной отражательной способности. ASHRAE сейчас проводит исследования, которые помогут понять процессы лучистого теплообмена в арене. Добавление вышеописанных потолков дает 15 % снижение расхода энергии в холодильном оборудовании, что обеспечивает годовую экономию в 67 500 кВт·ч.
Повышение энергоэффективности системы освещения
Для снижения энергопотребления арены можно повысить энергоэффективность системы освещения. Светильники над ледяным полем обладают большим тепловым излучением, и поэтому они создают дополнительную нагрузку на холодильную систему. Для арен можно использовать творческий подход к освещению. Положительный опыт был получен при использовании флуоресцентных систем освещения Т-5 и Т-8, так как они позволяют изменять освещение в зависимости от активности занятий на ледовом катке. Уровень освещения можно адаптировать к типу активности. Очевидно, что ребенок, не достигший 10-летнего возраста, не сможет бросить шайбу со скоростью 45 м/с, в отличие от профессионального хоккеиста. Не всегда требуется высокий уровень освещения. Более эффективное освещение может снизить расход энергии на 50 000 кВт·ч в год.
Использование высокоэффективного холодильного оборудования
В отношении холодильного оборудования можно применить определенные меры энергосбережения, такие как: регулирование давления конденсации, предварительное охлаждение жидкости, электронные терморасширительные вентили (ТРВ), испарители с полностью затопленной поверхностью нагрева, приводы переменной частоты на компрессорах, аккумуляция тепла и т. д. Лучший инструмент для оценки преимуществ конкретных улучшений – это моделирование работы холодильного оборудования. Часто снижение энергопотребления холодильного оборудования оказывается невозможным, если для отопления требуется рекуперация тепла при более высоком давлении конденсации. Переохлаждение жидкости необходимо при использовании альтернативных хладагентов, таких как R-410 или R-507. Снижение давления конденсации улучшит холодильный цикл, но, если требуется рекуперация теплоты, давление конденсации следует повысить.
Если требуется теплота, ее всегда лучше рекуперировать из холодильного оборудования, а не улучшать сам холодильный цикл. Энергоэффективность существующей арены была повышена без снижения давления конденсации.
В результате рекуперации теплоты затраты энергии на обогрев были уменьшены почти в два раза (с 1 600 000 до 820 000 кВт·ч). Можно улучшить холодильное оборудование, но здание всегда следует рассматривать как единую систему, а не фокусироваться исключительно на холодильном оборудовании.
Улучшение охлаждения позволит уменьшить энергопотребление на 30 %, что соответствует 120 000 кВт·ч в год. Использование энергоэффективного оборудования обязательно, если рекуперация теплоты осуществляется при помощи теплового насоса с водяным контуром вместо системы с рекуперацией теплоты непосредственно с конденсатора.
Энергосбережение
При реализации всех вышеописанных энергосберегающих мероприятий (и 20 % улучшении охлаждения) стандартная арена будет потреблять меньше энергии. Экономия может составить 57 % в год.
Общее энергопотребление улучшенной арены (840 000 кВт·ч) также можно разделить, как показано на рис. 2.
Рисунок 2. Энергопотребление улучшенной арены (840 000 кВтч)
Заключение
При анализе энергоэффективности арен здание следует рассматривать как единое целое со всеми механическими и архитектурными системами. Поскольку кроме холодильной нагрузки имеется потребность в обогреве, холодильная система должна функционировать как тепловой насос, перекрывающий часть потребности в теплоте. Для многих арен эффективная система рекуперации теплоты может обеспечить снижение годового энергопотребления на 50 %.
(см. статью «Энергоэффективные системы климатизации физкультурно-оздоровительных комплексов», 2009, № 5).