Системы кондиционирования воздуха (СКВ) в помещениях искусственных катков должны обеспечить отсутствие тумана у поверхности ледового ПОЛЯ и максимальное снижение конденсации водяных паров из воздуха на поверхности льда. Это достигается путем поддержания температуры воздуха в интервале 6-8 °С при игре в хоккей с шайбой и до 15 °С при развлекательном катании на коньках. При этом, независимо от поддерживаемой температуры воздуха, его относительная влажность не должна превышать 80% [1].

Наиболее сложно выполнить эти требования в теплый период года, когда по новым нормам [8] имеет место высокая влажность наружного воздуха во многих климатических районах России [2]. Так, по [2, 8], например, при расчетных параметрах наружного воздуха в теплый период года в климате города Москвы влагосодержание равно d_нн= 12,2 г/кг и энтальпия i_нн = 57,5 кДж/кг [2]. Для московского климата по прежним нормам параметров Б влагосодержание наружного воздуха только d_н= 10 г/кг и энтальпия i_нн = 54 кДж/кг [3]. На рис. 1 представлено построение на i-d-диаграмме расчетного режима работы СКВ в климате Москвы в теплый период года в помещении искусственного катка, используемого для игры в хоккей с шайбой.

Создание и поддержание требуемой температуры льда обеспечивается от работы холодильных машин, в испарителях которых круглый год поддерживается постоянная температура кипения холодильного агента t_o= -18 °С. Охлажденный до -15...-14°С антифриз насосами подается в трубчатые змеевики, заложенные в материале плиты, на которой намораживается лед. Для игры в хоккей с шайбой температура льда поддерживается на уровне t_л = -6 °С. Площадь поверхности льда находится в пределах 1400-1900 м2. Толщина льда может составлять от 50 до 150 мм.

Параметры воздуха в зоне нахождения людей на ледовой арене в теплый период года поддерживаются на уровне t_вл = Ю°С и φ_вл = 75% [1] при подвижности не более 0,3 м/с [7]. Работа СКВ должна обеспечить максимальное снижение конденсации водяных паров из воздуха на поверхности льда. Температура «точки росы» воздуха t_вл.р = 5,9 °С, что значительно выше температуры поверхности льда t_Л = -6°С. Без принятия специальных предохранительных мер прилегающий к поверхности льда воздух будет охлаждаться в пограничном слое ниже <вл.р> что приведет к интенсивной конденсации влаги на поверхности льда и ухудшит его качество. Для замедления переохлаждения воздуха у поверхности льда и снижения интенсивности конденсации, подаваемый через сопла приточный воздух должен быть нагрет до температуры t_п= 20,4 °С, которая находится расчетом по методике, подробно изложенной в монографии [4]. Поступая к зоне обитания людей на ледовой арене, приточный воздух снижает температуру с t_п = 20,4°С до t_вл = 10 °С. Это обеспечивает компенсацию конвективного потока тепла от воздуха с t_вл = 10°С к поверхности льда с температурой t_л = -6°С и замедляет интенсивность конденсации.

Для снижения расхода энергии в СКВ круглый год обрабатывается только санитарная норма наружного воздуха. При игре в хоккей с шайбой в зоне льда находятся n = 50 человек. При санитарной норме V= 80 м3/ч наружного воздуха на человека [7] минимальный воздухообмен составляет:
L_пн = nV = 50 х 80 = 4000 м3/ч.

Производительность по воздуху двух центральных кондиционеров выбирается по условиям обеспечения достаточно полного покрытия поверхности льда приточным воздухом, поступающим через сопла из приточных воздуховодов, располагаемых по обе стороны длинной стороны ледового ПОЛЯ [4]. По построению на рис. 1 следует, что холодоноситель, поступающий в воздухоохладитель СКВ, должен иметь температуру не менее, чем на 4°С ниже t_ох = 6,8°С. Выбор рациональной температуры холодоносителя проводим методом построения условного «сухого режима охлаждения», изложенного в [4]. На i-d-диаграмме соединяем прямой точки начальных параметров охлаждаемого воздуха (т. СМ) и требуемого охлаждения (т. ОХ). Продолжаем прямую до пересечения с кривой φ = 100% в точке ƒ, температура которой отвечает средней поверхности воздухоохладителя. Из т. ƒ проводим вертикальную линию d_ƒ = 5,5 г/кг и в местах пересечения с энтальпиями, определяющими требуемый режим охлаждения и осушения, находим: при i_см = 32,5 кДж/кг эквивалентное значение t_см.сух = 20,5 °С; при i_ох = 21 кДж/кг эквивалентное значение t_ох.сух = 7,2 °С. Теплотехническую эффективность воздухоохладителя в режиме условного «сухого охлаждения» рекомендуется ограничить верхним значением показателя эффективности θ_t.ox.cyx = 0,74 [4]. Из преобразованного выражения для показателя θ_t.ox.cyx находим требуемую температуру охлаждающей жидкости, поступающей в трубки воздухоохладителя:
t_ж1 = t_см.сух - (t_см.сух — t_ох.сух)/θ_t.ox.cyx = 20,5 - (20,5 - 7,2)/0,74 = 2,5 °С.
Получение холодоносителя температурой t_ж1 = 2,5 °С возможно при температуре испарения холодильного агента в испарителе холодильной машины (ХМ) при t₀ = 0°С.

Для получения качественного ледового поля процесс намораживания льда из приготовленной воды на плиту катка осуществляется не менее суток (как правило, 48 ч). Для этого процесса холодопроизводительность холодильных машин с температурой испарения холодильного агента в испарителе t₀ = -18°С потребуется не менее 600 кВт. В период рабочей эксплуатации для поддержания постоянной t_л = -6°С  холодопроизводительность холодильного центра ледового поля обычно составляет половину расчетной и достаточна в 300 кВт. Технические решения холодильного центра для обслуживания ледового поля могут быть различны. При отсутствии отапливаемого пространства под основанием катка, как правило, необходимо осуществлять подогрев опорной бетонной плиты основания для исключения выпучивания материала плиты катка. В этом случае используют парокомпрессионные водяные ХМ с водяным охлаждением конденсатора. Отепленную в конденсаторе холодильной машины ледового поля жидкость температурой около 25 °С подают для обогрева опорной бетонной плиты основания ледового поля. Избыток тепла конденсации, при его наличии, сбрасывают в атмосферу через агрегаты воздушного охлаждения (АВО), именуемые также как «сухими градирнями» или «драйкулерами» (от англ. dry cooler — сухой охладитель). Последнее, в основном, осуществляется в теплый период года. Температура конденсации холодильного агента в ХМ может варьировать в зависимости от направления сброса тепла. При обогреве опорной бетонной плиты t_к = 30 °С, при сбросе в атмосферу t_к = 40-50 °С.

Мощность холодильных машин ледового поля, выбранных на режим намораживания льда, работающих в режиме поддержания t_л = -6°С, остается свободной в 300 кВт и принципиально может быть использована для обеспечения холодом СКВ. Такое ошибочное решение, как правило, принимается разработчиками систем холодоснабжения катков с целью экономии капитальных затрат на холодильный центр. Однако, выработка холода при работе холодильных машин в режиме t₀ = -18 °С имеет пониженный холодильный коэффициент по сравнению с ХМ, работающими в режимах СКВ (t₀ > 0°С). Расчет фактического холодильного коэффициента может быть осуществлен по формуле:
η_х.маш = Q_{х .маш}/N_ком (1)
[кВт холода/кВт электроэнергии].

На рис. 2, в качестве примера, представлен график изменения холодильного коэффициента в зависимости от температуры испарения холодильного агента t₀ при постоянной температуре конденсации t_к = 30 °С. График построен на основе обобщения многочисленных экспериментальных и расчетных данных по различным холодильным машинам, приведенным в справочнике [5]. Характер изменения холодильного коэффициента при других значениях температуры конденсации аналогичен.

Традиционно в СКВ холодильные машины работают при t₀ = 5 °С, что обеспечивает выработку холода с холодильным коэффициентом η_х.маш = 3 и выше (рис. 2). В режиме намораживания льда на катке для игры в хоккей с шайбой при t₀ = -18 °С имеем η_х.маш = 1,65.

При использовании в СКВ, обслуживающих ледовое поле в режиме по построению на рис. 1, и необходимости подавать в воздухоохладитель t_ж1 = 2,5 °С, холодильная машина может работать при t₀ = 0°С с холодильным коэффициентом η_х.маш = 2,65. По сравнению с режимом получения холода при t₀ = -18°C выработка холода для СКВ при t₀ = 0°С может осуществляться с понижением расхода электроэнергии в 2,65/1,65 = 1,6 раза. При повышении температуры кипения в ХМ растет ее холодопроизводитель- ность, что и отражается в росте холодильного коэффициента (рис. 2).

Для режимов работы СКВ ледового поля характерна одновременная потребность в холоде и тепле (рис. 1). В работе [4] получено, что для стандартного ледового поля для игры в хоккей с шайбой рационально применение двух кондиционеров производительностью по Приточному воздуху L_п.н =17 тыс. м3/ч. По построению на рис. 1 расчетные расходы холода и тепла в СКВ:

для охлаждения и осушения смеси приточного воздуха
Q_х.п = 2 x 17000 х 1,23 х (32,5 - 21)/3600 = 133,6 кВт;
для нагрева осушенного и охлажденного приточного воздуха
Q_т.п = 2 х 17000 х 1,2 х 1,005 х (20,4 - 6,8)/3600 = 154,9 кВт.

При работе холодильной машины в ее конденсаторе дополнительно выделяется и тепло, эквивалентное затрате электроэнергии на работу приводного электродвигателя компрессора. Преобразуем выражение (1) к виду нахождения затраты электроэнергии на выработку холода
N_ком = Q_{x. маш}/η_х.маш = 133,6/2,65 = 50,4 кВт.
В конденсаторе холодильной машины количество переданной жидкости теплоты определится как сумма:
Q_т.к = 133,6 + 50,4 = 184 кВт.
Излишки тепла, которые не могут быть использованы в процессе обработки приточного воздуха, составят
ΔQ_т.к = 184 - 154,9 = 29,1 кВт.

Из вышеизложенного следует, что наиболее рациональное по затратам энергии решение холодильного центра СКВ должно включать одновременную комплексную выработку холода и тепла с возможностью вывода излишков тепловой энергии из процесса, например, в окружающую среду.

Одним из таких решений для климатических условий Москвы (или близких к ним условий) является водяная ХМ Awa Enersave 1170Z С R NT SE-2B, которая состоит из одного холодильного контура с тандемом спиральных компрессоров, имеет воздушный и водяной конденсаторы, встроенный гидромодуль со свободным напором 250 кПа, включающий два насоса (один рабочий, второй резервный), бак-аккумулятор 300 л и расширительный бак. Возможны исполнения на хладонах R22 и R407c, в т.ч. с пониженным уровнем шума и малошумные (соответственно вместо кода NT записывается LN или SLN).

Холодопроизводительность машины при использовании 40% раствора гликоля и t_ж1 = 2,5 °С: на R22 — 158 кВт; на R407c — 151 кВт. Теплопроизводительность — 196 и 188 кВт, соответственно, на R22 и R407c. Производитель — фирма Thermocold Costruzioni s.r.l. (г. Бари, Италия) [6]. Эта ХМ соответствует наивысшему классу «А» по европейской классификации энергоэффективности холодильных машин для кондиционирования воздуха [6, 9]. В рассматриваемом расчетном режиме ее минимальный рабочий холодильный коэффициент составляет η_х.маш = 4,2. При снижении нагрузки менее 100% рабочий холодильный коэффициент увеличивается. Для данного типоразмера ХМ стандартный каталожный среднесезонный холодильный коэффициент ESEER = 5,5 [6,9].

Thermocold также производит аналогичную двухконтурную модель на экологически безопасном хладоне R410A, который более рационален в эксплуатации, чем R407C, поскольку им можно дозаправлять ХМ как жидкостью, так и газом. Марка упомянутой модели ХМ Awa-ES Prozone 2170Z С R NT SE-2B, основные технические характеристики которой примерно соответствуют Awa Enersave 1170Z С R NT SE-2B на R22 [6]. Наличие двух компрессоров и двух насосов в перечисленных моделях ХМ обеспечивает высокую надежность системы холодоснабжения СКВ. Бак-аккумулятор в гидромодуле компенсирует колебания нагрузки в системе, что ведет к стабильному поддержанию температуры холо- доносителя на входе в воздухоохладители СКВ и снижает число пусков и остановов компрессоров, что, в свою очередь, способствует увеличению рабочего ресурса и срока безотказной работы последних. В качестве системы управления на отмеченных моделях использу-ются электронные контроллеры PCOl производства фирмы Carel Tecnologia ed Evoluzione S.p.A. (Италия) [10].

Эта система управления обеспечивает стабильную, надежную и рациональную работу ХМ во всех режимах, контролирует равномерность эксплуатационной загрузки всех компрессоров и насосов, фиксирует в реальном времени все нарушения нормальной работы ХМ по кодам ошибок и сохраняет их в нестираемой памяти (от 100 до 5000 случаев в зависимости от комплектации).

Также возможно подключение управления ХМ к локальному или удаленному персональному компьютеру, в т.ч. по интернету, сети или телефонному кабелю посредством модема. Управление ХМ может быть включено в единую систему управления и диспетчеризации здания (ВМБ) по стандартным коммуникационным протоколам.

Для мест строительства в других климатических условиях, отличных от московских, из типоразмерных рядов Аша Епегеауе и Аша-ЕБ Ргоюпе могут быть подобраны ХМ необходимой холодо- производительности (диапазон по холо- допроизводительности указанных типов ХМ в стандартном режиме — от 119 до 814 кВт, интервал работы по наружным температурам — от -12 до +45 °С). Для районов строительства, в которых отсутствует теплоснабжение СКВ вне отопительного периода (t_н > 8°С), могут быть использованы реверсивные ХМ с работой в режиме теплового насоса (ТНУ), источником низкопотенциального тепла в котором служит наружный воздух температурой = -5...+18°С [6].

Определяем затраты электроэнергии на выработку холода в вышеотмеченных типах ХМ:
N_ком = Q_х.маш/η_х.маш = 133,6/4,2 = 31,8 кВт.
В конденсаторе холодильной машины количество переданной жидкости теплоты определится как сумма:
Q_т.к = 133,6 + 31,8 = 165,4 кВт.
Излишки тепла, которые не могут быть использованы в процессе обработки приточного воздуха, составят:
ΔQ_т.к = 165,4 - 154,9 = 10,5 кВт.

В рассматриваемом варианте использования холодильной машины в СКВ для одновременного полезного использования холода, получаемого в испарителе, и тепла, получаемого в конденсаторе, энергетический показатель использования электроэнергии вычисляется по измененной формуле (1):
η_х.маш = (Q_х.маш + Q_т.к.маш)/N_ком. (2)

Для рассматриваемого режима работы СКВ ледового поля по формуле (2) получим:
η_х.маш = (133,6 + 154,9)/31,8 = 9,07.

Если использовать для целей СКВ холодильные машины, предназначенные для намораживания льда, энергетический показатель использования электроэнергии по формуле (2) составит:
N_ком = Q_х.маш/η_х.маш = 133,6/1,65 = 81 кВт
η_х.маш = (133,6 + 154,9)/81 = 3,56.

То есть, фактически, применение специализированных ХМ для СКВ ледового поля более чем в 2,5 раза энергетически эффективнее, чем использование для этих целей холодильных машин, предназначенных для намораживания льда. Предварительная оценка экономии электроэнергии на СКВ ледового поля в годовом цикле при рациональном выборе холодильного центра показывает, что можно высвободить свыше 120 МВт-ч электроэнергии в наиболее напряженное для городских электросетей время (с 7 до 23 ч). Годовая экономия расходов на эксплуатацию катка от экономии электроэнергии по холодильному центру СКВ составит свыше 84 тыс. руб.

В соответствии с вышеизложенным, могут быть сформулированы следующие рекомендации по проектированию холодильных центров крытых катков для игры в хоккей с шайбой:

1. Для холодо- и теплоснабжения СКВ крытых катков для игры в хоккей с шайбой в теплый и переходные периоды года целесообразно использовать специализированные (для СКВ) водяные холодильные машины с двумя (воздушным и водяным) конденсаторами.
2. При выборе расчетной мощности холодильного центра следует ее дифференцировать по холодопроизводительности на обслуживание льда и на обслуживание системы кондиционирования воздуха ледового поля, с последующим подбором соответствующего оборудования для каждого типа нагрузки.
3. Не рекомендуется использовать свободные мощности холодильных машин по обслуживанию льда для холодоснаб- жения СКВ, т.к. это ведет к значительному перерасходу электроэнергии на обработку приточного воздуха и снижает на-дежность системы холодоснабжения льда из-за снижения остаточного рабочего ресурса указанных холодильных машин.

1. ASHRAE Refrigeration Hand book. Ch. 33. Jce Rinks.
2. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. — М., 2000.
3. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция, кондиционирование. — М., 1998.
4. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. — М.: Физматгиз,2003.
5. Холодильные машины. Справ. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.
6. Технический каталог фирмы Thermocold Costruzioni
S.r.1. (Италия), 2007.
7. СНиП 2.08.01-89*. Общественные здания и сооружения. — М., 2000.
8. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. — М., 2004.
9. Air-conditioning and refrigeration certification programs, Eurovent Certification.
10. Application program for pCO 1 pC02 pCOC and pCOXS. ReL 2.0. Carel Tecnologia ed Evoluzione S.p.A. (Италия).

Автор: О.Я. КОКОРИН, д.т.н., профессор; С.И. ЖАДИН, к.т.н., доцент