Повышение энергоэффективности инженерных систем хоккейных арен

Муниципальные ледовые арены в Канаде предназначены, в основном, для проведения хоккейных матчей, но также могут использоваться и для других целей. В большинстве небольших муниципалитетов ледовые арены – это общественные здания с самым высоким годовым расходом и потреблением энергии.

В провинции Квебек работают приблизительно 450 арен. Общее исследование нескольких арен сопоставимого размера показывает, что суммарный расход тепловой и электрической энергии в здании стандартной ледовой арены составляет 1 500 000 кВт·ч/год. Наиболее энергоэффективные арены расходуют приблизительно 800 000 кВт·ч/год, в то время как менее эффективные потребляют почти в три раза больше – 2 400 000 кВт·ч/год.

Для лучшего понимания энергопотребления арены нам необходимо определить – что подразумевается под термином «стандартная арена». В контексте данной статьи арена используется восемь месяцев в год; активность начинается в августе (хоккейные тренировки) и обычно завершается в апреле. Основное пространство занимает амфитеатр с ледовым покрытием.

Площадь среднего амфитеатра составляет 2 230 м² (включая скамейки на 500 человек), а площадь ледового покрытия 1 517 м² (стандартный ледовый каток Национальной хоккейной лиги 26 на 61 м). Также на аренах имеются раздевалки – 260 м², комнаты для механического и электрического оборудования – 56 м², помещения для оборудования для восстановления поверхности льда – 28 м², офисы и залы для совещаний – 232 м², буфет и кухня – 139 м², главный вход – 139 м², сервисные помещения – 74 м². В целом общая площадь здания составляет порядка 3 159 м².

Обычно ледовые арены используются 18 часов в день по выходным и 12 часов в день по будням. Стандартная арена используется около 100 часов в неделю. Поверхность льда восстанавливается приблизительно 65 раз в неделю.

На освещение неэффективного амфитеатра во время проведения различных мероприятий уходит приблизительно 32 кВт. Большая часть светильников подвешена над ледовым катком (20,5 Вт/м²), а над трибунами подвешены светильники с меньшей плотностью освещения (7,5 Вт/м²). В других частях здания средняя плотность освещения составляет приблизительно 21,5 Вт/м², а общая мощность – 15 кВт. Мощность наружного освещения может достигать 2 кВт.

Расход вентиляции в амфитеатре составляет приблизительно 4 719 л/с, при этом вентиляция не используется непрерывно: она включается на 15 мин после каждой обработки поверхности льда для отвода выхлопных газов, вырабатываемых машинами для ухода за льдом при сжигании пропана. В нескольких аренах установлены датчики загрязненности воздуха, контролирующие вентиляцию; это объясняет, почему вентиляция не работает непрерывно. Для других вентилируемых зон используются отдельные вентиляционные системы с общим расходом свежего воздуха в 3 304 л/с.

Холодильная нагрузка стандартной арены, работающей восемь месяцев в год, составляет 246 кВт на охлаждение, при средней мощности холодильных компрессоров 82 кВт. Насос для рассола (54 л/с) обычно работает от электродвигателя мощностью 19 кВт. Холодильное оборудование используется на протяжении всех восьми месяцев работы арены.

Для отопления используется природный газ, пропан, мазут или электричество. В провинции Квебек для отопления нескольких арен используется электричество, но большая часть арен используют двойной источник энергии (газ и электричество либо мазут и электричество). Трибуны отапливаются в большинстве муниципальных арен. При отоплении температура трибун поддерживается на комфортном уровне при помощи панельных газовых обогревателей.

В целях проведения анализа энергосберегающих мероприятий предположим, что у нас имеется неэффективная арена с годовым расходом энергии в 1 950 000 кВт•ч. Общий расход энергии можно распределить, как показано на рис. 1.

В существующих катках или новых зданиях можно применить целый ряд энергосберегающих мероприятий.

Рекуперация теплоты вытяжного вентиляционного воздуха

Основное энергосберегающее мероприятие в северных регионах – это рекуперация теплоты, покидающей здание с вытяжным воздухом. Ее можно использовать для подогрева наружного воздуха, подаваемого для вентиляции. Эта мера оказывает существенное влияние на общий энергетический баланс здания. В частности, в данном типовом здании при использовании роторного рекуператора с 75 % эффективностью можно добиться годовой экономии энергии 250 000 кВт·ч. Это позволяет уменьшить нагрузку на систему отопления.

Подогрев грунта под несущей плитой за счет использования сбросной теплоты

Если арена используется более семи месяцев в году, необходимо предотвратить замораживание слоя почвы под фундаментной бетонной плитой. В нескольких аренах пришлось заменить бетонную плиту под катком, так как она была повреждена из-за замерзания и вспучивания почвы. Для устранения этой проблемы под бетонной плитой устанавливается полистироловая теплоизоляция толщиной 102 мм. Для предотвращения замерзания почвы под теплоизоляцией требуется ее обогрев, средняя потребность в теплоте составляет 6–8 кВт. Обогрев используется в течение всех восьми месяцев эксплуатации арены. Для обогрева грунта под плитой можно использовать сбросную теплоту конденсатора холодильной машины (отбор теплоты производится в форконденсаторе).

Рисунок 1. Энергопотребление неэффективной арены (1 950 000 кВт•ч)

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 %.

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского А. В. Нестерука.