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1、冰场环境营造与高效运行冰场环境营造与高效运行关键问题探讨关键问题探讨刘晓华刘晓华清华大学清华大学 建筑学院建筑学院2023年4月2023年年中国制冷展中国制冷展1.背背景景2.需需求求3.方方法法4.应应用用1目目 录录1.背背 景景2022年北京冬奥会为我国冰雪运动的发展带来历史性机遇年北京冬奥会为我国冰雪运动的发展带来历史性机遇22016.112022.022022.04全国冰雪场地设施建设规划(20162022年)2015年底我国滑冰场200余座,预计2022年达到650座2022.01关于以2022年北京冬奥会为契机大力发展冰雪运动的意见建设公共冰雪运动场地设施2019.03“带动三亿
2、人参与冰雪运动”统计调查报告全国居民冰雪运动参与人数为3.46亿人冰雪运动发展规划(2016-2025年)大力普及群众性冰雪运动2015.07北京冬奥会、冬残奥会成功申办2020年全国冰雪场地分布北京冬奥会、冬残奥会成功举办北京冬奥会、冬残奥会总结表彰大会 管理好运用好北京冬奥遗产管理好运用好北京冬奥遗产 继续推动冰雪运动普及发展继续推动冰雪运动普及发展2023.02北京冬奥会成功举办一周年纪念重大需求:重大需求:20222022北京冬奥会冰上场馆可持续环境营造北京冬奥会冰上场馆可持续环境营造热湿环境热湿环境冬奥项目场馆冬奥项目场馆核心保障要求核心保障要求国际冰壶联合会技术规程国际冰壶联合会技
3、术规程29条中条中14条与热湿环境相关条与热湿环境相关运行能耗运行能耗制冰、空调等能耗高制冰、空调等能耗高,300-700kWh/(年)年)11 M.Taebnia,S.Toomla,L.Lepp,J.Kurnitski,Air Distribution and Air Handling Unit Configuration Effects on Energy Performance in an Air-Heated Ice Rink Arena,Energies,12(4)(2019).风机供热照明泵其他制冰除湿46%6%9%制冰系统除湿系统空调系统2.需需 求求32.需需 求求不合理的环境
4、营造策略会导致冰场区不合理的环境营造策略会导致冰场区湿度失控湿度失控,导致,导致结霜、升华、结霜、升华、起雾、结露起雾、结露等问题等问题4结霜结露起雾升华2.需需 求求冰场热湿环境保障系统冰场热湿环境保障系统5冰面冰面座椅座椅制冰机组制冰机组冰面温度冰面温度空调机组空调机组新风新风加热处理加热处理为主为主除湿机组除湿机组新风新风除湿保障除湿保障为主为主保障冰面保障冰面温度温度顶部送风顶部送风观众席温观众席温湿度湿度冰场区域冰场区域温湿度温湿度回风回风回风回风冷媒半空间侧送半空间侧送底部送风底部送风冰场环境控制的关键问题冰场环境控制的关键问题6 高效除湿系统、制冰系统设计高效除湿系统、制冰系统设
5、计 场馆环控系统场馆环控系统整体能效整体能效提升方法提升方法系统系统空气空气 冰场不同区域冰场不同区域热湿环境保障热湿环境保障要求要求 冰区不同冰区不同空调方案空调方案的除湿需求的除湿需求 冰面制备、维持、修冰等过程冰面制备、维持、修冰等过程对制冰负荷的需求对制冰负荷的需求 冰面冰面升华升华/凝华凝华机理及不同规格冰面的具体要求机理及不同规格冰面的具体要求冰面冰面2.关关 键键冰面传热传质:冰面传热传质:浇冰、维持、修冰浇冰、维持、修冰等阶段等阶段7 维持过程:稳态传热维持过程:稳态传热 浇冰、修冰过程:动态传热浇冰、修冰过程:动态传热 浇冰:1030常温水35mm厚 修冰:4070热水0.4
6、mm厚热湿环境控制系统制冰系统对流传热传质辐射传热Q外Q内Q外Q内=稳定维持Q外Q内降温/相变相变3.1 冰冰 面面建立建立载冷剂载冷剂冰层冰层环境全尺度、环境全尺度、冰面冰面浇筑浇筑维持维持修整全过程修整全过程的的冰面传热传质理论分析方法冰面传热传质理论分析方法1.Li L.,Liu XH,et al.Build.Environ.2021,196:107779.3.1 冰冰 面面8-75062温度()时间(h)制冰维持维持修冰0200400600062换热量(W/)时间(h)制冰维持修冰维持-20002004000612182
7、4303642换热量(W/)时间(h)制冰维持修冰维持冰面动态传热过程冰面动态传热过程为场馆环控系统控制及空气热湿环境营造奠定基础为场馆环控系统控制及空气热湿环境营造奠定基础主要影响因素:冻/修冰水温浇注厚度空气温湿度冷媒温度3.1 冰冰 面面冰面稳态传热过程:冷媒冰面稳态传热过程:冷媒-冰面冰面-周围环境之间存在复杂换热过程周围环境之间存在复杂换热过程9对流换热+传质长波辐射换热AUSTTa,daTsTcAUSTTadaqsqcqsrqlrqchqcmRconTbRiceRlrRch(Ts,d)Rcm-10 -3-18 -10530降低冰面维持能耗:降低冰面维持能耗:壁面参数壁面参数+空气参
8、数空气参数+冰层冷媒冰层冷媒1 Li L,et al.J.Build.Eng.,2020,34.长波辐射换热长波辐射换热是制冰负荷最重要来源是制冰负荷最重要来源3.2 空空 气气分区控制的空调方案:分区控制的空调方案:精确、高效、节能精确、高效、节能营造热湿环境营造热湿环境10Jet air supplyIce surfaceView standJet air supplyIce surfaceView stand 全空间空调:全空间空调:空调控制高度比赛高度韩国江陵冰壶馆韩国江陵冰壶馆德国德国Inzell速滑馆速滑馆 半空间、置换空调:半空间、置换空调:空调控制高度=比赛高度冰立方冰壶馆冰立
9、方冰壶馆空调控制高度比赛高度置换送风观众席喷口喷口奥运冰场热湿环境高效节能营造方法奥运冰场热湿环境高效节能营造方法1 Li L,Liu XH,et al.Build.Environ.,186.3.2 空空 气气1115m3-5m10m12m 全空间空调全空间空调 半空间空调半空间空调 比赛区空调比赛区空调置换喷口风量G 30万m/h送风d 1g/kg风量G 25万m/h送风d 1g/kg风量G:3-6万m/h送风d 1g/kg风量G 2g/kg控制高度降低,除湿能耗、风量降低控制高度降低,除湿能耗、风量降低节能效果分析节能效果分析除湿风量需求除湿风量需求以控制冰面以控制冰面结霜、升华量结霜、升
10、华量为目标,为目标,空气湿度参数范围空气湿度参数范围有助于进一步有助于进一步确定合理的除湿、制冰负荷确定合理的除湿、制冰负荷12-5005003000:001:303:004:306:007:309:0010:3012:0013:3015:0016:3018:0019:3021:0022:30Heat flux(W/)Time短波辐射对流换热长波辐射对流传质 0:006:00 12:00 18:00 24:00Time55.5%32.6%8.2%3.7%湿度控制得当,传质负荷占比很少制冰负荷制冰负荷除湿负荷除湿负荷Q=Q长波长波+Q短波短波+Q对流对流+Q传质传质Q=Q人
11、员人员+Q传质传质+Q渗风渗风分区控制方式下,应根据控制效果重新考虑分区控制方式下,应根据控制效果重新考虑传质负荷传质负荷3.3 系系 统统3.3 系系 统统13减少换热环节损失,减少换热环节损失,提高制冰系统能效提高制冰系统能效-20-18-16-14-12-10-8-6-4-2000T()Q(W/m2)冰场TeTiceTbTbsTeTbTbsTice0QT冰场TeTiceTeTice0QT直冷系统直冷系统间冷系统间冷系统COP1.43.01.919775124TeTbTbsTiceCO2直冷直冷间接间接制冷系统实测制冷系统实测COP=1.4-3.0,CO2直冷系统直冷
12、系统能效最优能效最优3.3 系系 统统14常见深度除湿需求常见深度除湿需求4g/kg1g/kg,当前多,当前多为转轮式,为转轮式,能效水平较低能效水平较低0204060800246810AinA1AoutRoutR1Rint()(g/kg)A2需选取满足深度除湿需求的高效除湿装置(需选取满足深度除湿需求的高效除湿装置(转转轮低温再生式、溶液式轮低温再生式、溶液式),提升除湿机组能效),提升除湿机组能效E-heaterCoolerSupply airAoutRoutRinR1AinA1A2Outdoor airExhaust airCoolerReturn airFanOutdoor air11
13、.3 103m3/hHeater 45 0.2 0.9 g/kg76 0.9 g/kg46.5 9.5 g/kg3.7 103m3/h16.3 3.3 g/kg6.7 16.4 5.9 0.5 g/kg0.1/3.9乙二醇E-heater硅胶10 rph0.1/4.137.2 电加热再生,系统COP较低77被处理空气被处理空气送风送风级间流冷凝器蒸发器R EGD EH28 8.2 g/kg35.7 14 g/kg8.2 11.7 g/kg10.5 3.5 g/kg某溶液式深某溶液式深度除湿流程度除湿流程(COP2)03691215t()(g/kg)原湿负荷湿负荷AinAo
14、ut再生冷冻溶液除湿深度除湿工况满足湿度处理需求基础上,需满足湿度处理需求基础上,需提高空气处理装置能效提高空气处理装置能效适于d2.5g/kg15从冰场能源需求出发,实现从冰场能源需求出发,实现冷热综合利用冷热综合利用、减少外部投入、减少外部投入可利用余热可利用余热空调空调除湿除湿制冰制冰除湿再生热除湿再生热制冰冷凝热制冰冷凝热修冰修冰生活热水生活热水余热用途余热用途地面防冻结地面防冻结气密性气密性围护结构围护结构建筑自身建筑自身考虑温度品位,合理利用余热考虑温度品位,合理利用余热3.3 系系 统统建筑自身建筑自身+冰场内冷热综合利用冰场内冷热综合利用面向冬奥冰上场馆建设面向冬奥冰上场馆建设
15、/保障重大需求:体型高大、冷热源复杂的空间特征保障重大需求:体型高大、冷热源复杂的空间特征 20222022北京冬奥会高大空间冰场北京冬奥会高大空间冰场冰立方冰立方冰壶:冰壶:30m约约20m20m19.3m19.3m高高14m14m约12m12m约20m20m约15m15m1998长野2002盐城湖2010温哥华2014索契2018平昌2026米兰场场馆馆高高度度2006都灵约15m15m首都体育馆首都体育馆花滑:花滑:29m国家速滑馆国家速滑馆速滑:速滑:33m 历届冬奥冰壶场馆历届冬奥冰壶场馆五棵松冰馆五棵松冰馆冰球:冰球:37m国家体育馆国家体育馆冰球:冰球:30m4.应应 用用164
16、.1 冰立方冰立方17难点难点1:最大体量冰壶场馆最大体量冰壶场馆冰壶冰壶-热环境要求最严苛热环境要求最严苛的冰上运动!的冰上运动!Tice=-8.5 CTa=10 C(h=1.5m)空气温度空气温度冰面温度冰面温度露点温度露点温度Td-4 C(即即2.7g/kg)va0.2m/s(near the ice)风速风速冰面冰面观众席观众席围挡围挡“水立方”“水立方”“冰立方”“冰立方”冬奥需求冬奥需求难点难点2:最严苛的参数要求最严苛的参数要求 难点难点3:如何实现高效营造如何实现高效营造4.1 冰立方冰立方18降低营造需求:降低营造需求:空腔自然空腔自然通风通风,气密性改造气密性改造05101
17、52025300:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00温度/时间自然通风工况无通风工况697090015202530冰面长波辐射得热(W/m2)温度()冰面温度-8.520.726.4%长波辐射冰面降低营造需求:除湿降低营造需求:除湿要求要求风量风量降低降低73%(22万万6万万m3/h)冰面冰面基本热舒适基本热舒适围挡座椅座椅冰面区域严格保障严格保障布袋布袋屋顶不结露不结露制冰机组制冰机组除湿机组除湿机组空调机组空调机组冷媒冷媒参与冰立方参与冰立方冬奥保障全过冬奥保障全过程程2021年10月国内测试赛轮椅冰壶世锦赛2022.2.04-3
18、.15 冬奥会、冬残奥会2021年4月相约北京测试赛2019.12-2020.2首次测试赛2016-2019系统方案理论研究现场改造00.30.60.91.21.522.533.544.55标题标题Humidity(g/kg)Height(m)DayNightHumidity ratio(g/kg)1.51.20.90.60.30Height(m)22.5 3 3.5 4 4.5 5Humidity ratio(g/kg)05345678高度 m含湿量 g/kg012234高度 m含湿量 g/kg冬奥历史上冰壶场馆首次实现分区热环境控制观众席观众席冰面冰面围挡围挡顶部环形
19、喷口送风全空间控制Tice=-7-5 CTa=1015 C空气温度空气温度冰面温度冰面温度va1.5m/s风速风速19难点难点1:亚洲最大冰面亚洲最大冰面难点难点2:如何实现“最快”的冰如何实现“最快”的冰 难点难点3:如何实现高效营造如何实现高效营造4.2 速滑馆速滑馆20提高系统效率:提高系统效率:CO2直直冷系统冷系统提高制冷能效提高制冷能效降低营造需求:降低营造需求:低发射率低发射率铝覆顶膜铝覆顶膜降低辐射换热量降低辐射换热量首个采用CO2跨临界制冷的冬奥大道速滑场馆4.2 速滑馆速滑馆高效营造:优化高效营造:优化超大冰超大冰面冰层构造面冰层构造参数参数“最快”的冰:冬奥期间13次打破奥运记录21冰场节能设计冰场节能设计+高效运行高效运行能耗能耗E=能效比能效比冷热量冷热量Q冰面冰面观众席观众席围挡围挡制冰机组制冰机组除湿机组除湿机组空调机组空调机组低发射率辐射冷却tceiling 分区空调湿度阈值直冷式直冷式观众席基本热舒适基本热舒适冰面区域严格环境保障严格环境保障4.总总 结结谢谢谢谢大家!大家!2023年年中国制冷展中国制冷展