室內人工冰場設計與運行的節能措施探討

(深圳奧意建筑工程設計有限公司，廣東 深圳 518031)

0 引 言

近年來，室內娛樂型人工冰場相繼在各大城市的大型購物中心出現，真雪滑冰場逐漸成為了大眾休閑娛樂的項目之一。室內娛樂型人工冰場主要強調其商業性，基本不考慮賽事的場地技術要求[1-2]。冰場的設計以滿足冰場使用功能，提高人員的舒適度為目標，在此前提下，盡可能的提高系統效率，降低冰場能耗和日常運行費用。根據娛樂性冰場的自身特點，從節能角度出發，降低冰場的能耗其主要途徑為降低冰場耗冷量，提高系統運行效率[3-4]。

1 冰場耗冷量特點

室內娛樂型人工冰場通常在大型購物中心內，全年室內溫度通常在18～24 ℃，室內相對濕度50%～65%之間，冰場內的冰面低于周邊環境的溫度，可視為持續低溫冷源，圍護結構、周邊物體、燈光、人員等均為熱源，以冰面為研究對象，其冷負荷構成主要有三方面：對流換熱、輻射得熱和傳導得熱。對流換熱主要指由于與周邊空氣發生的對流換熱和空氣中水蒸汽凝結成冰的傳質過程；輻射得熱主要包括天花板等周邊圍護結構、燈及物體產生的輻射；傳導得熱主要包括：水泵的溫升、地面傳熱、人員散熱等等。此外，對于修整工況，冷負荷還包括修整冰面時澆水產生的水凝結為冰的潛熱。

根據對某冰場近一個月的實際測試結果分析，冰場的耗冷量特點分析如下：

1.1 冷負荷需求較為穩定，具有一定規律

根據對某冰場近一個月的實際測試，制冷站每天的總制冷量較為穩定， 以運行中的制冷機制冷量的連續測試的三天結果為例，圖1可以看出連續三天波動規律接近，峰值近似。

1.2 冷負荷波動主要由工況變化決定

根據冰場的實際運行特點，其工況主要分為以下幾種。

圖1 制冷機逐時制冷量

1.2.1 初次制冰

初次制冰的負荷包括對冰場進行預冷、澆水凍冰、至凍成一定厚度的并所需的制冷量。初次制冰階段需要制冷機全力運行，保證在一定時間內形成一定厚度的冰層，最終達到設定的冰層厚度。初次制冰的負荷的彈性較大，可以采取延長初凍時間等措施減少其負荷，一般該部分負荷不作為設計研究目標。作為以休閑娛樂為主要用途的室內冰場，從調研結果來看，通常在冰場以營業前進行了一次初次制冰過程，在沒有特殊情況下，很少進行全場融化再次制冰，該工況運行幾率較小。

1.2.2 標準工況

標準工況指冰場可供滑冰的日常運行工況，冰面保持設定溫度，滑冰者在冰面滑行。該工況下對冰面不采取任何特殊措施。標準工況下的冷負荷主要由對流放熱、對流傳質、輻射傳熱、太陽輻射、地面傳熱、照明負荷、人體負荷組成。

1.2.3 修整工況

修整工況指為保證冰面的平整，在冰場清場后，鏟除表面碎冰，灑水修整冰面。該工況下由修整車灑下的水在短時間內需要凍結為冰。

經調研，日常營業情況下，冰場的修整分為兩種，一是在營業狀態的下定時修整，通常修整凍結時間為20 min左右。二是在定期進行的在晚間營業結束后的對冰面厚度的修整，以保證冰面持續保持一定的厚度，并且厚度均勻，厚度修整工作持續6～7 h，該時段制冷站正常運行。

修整工況下的負荷除標準工況負荷外還包括由于澆冰帶來的水變成冰所釋放的熱量。

1.2.4 夜間覆蓋工況

為降低冰面消耗，節約能源，冰場停止營業后，將在冰面覆蓋毯子，降低冰面與周邊環境的換熱。通常在該工況下，制冷系統全部關閉，利用冰及冰面下圍護結構的蓄冷能力，保持冰面溫度持續在0 ℃以下。

2 冰場設計與運行的節能措施探討

根據娛樂性冰場的自身特點，從節能角度出發，降低冰場的能耗其主要途徑為降低冰場耗冷量，提高系統運行效率。

2.1 提高冰面設定溫度

根據國標GB/T19995.3-2006《天然材料體育場使用要求及檢驗方法 第3部分：運動冰場》中冰面溫度也要求-3～-5 ℃。冰面溫度較低，是一個持續的冷源，而周邊環境均為熱源，經測算，冰面溫度由目前的-6 ℃提到-4 ℃度，冷負荷將降低5%左右。同時適度提高冰面溫度，可有效地改善冰場周邊環境溫度。按照對冰場上方2 m處空氣溫度的實地測定，冰面溫度-6 ℃其白天的平均溫度約為18 ℃，對于周邊觀看者及休息等待的人員來說，舒適感較差。此外由于冰面溫濕度的影響，冰場周邊護欄玻璃等在早晨長時間出現結露現象，適度的提高冰面溫度，可有效緩解結露現象的產生。

2.2 降低圍護結構的輻射得熱

冰場的冷負荷的主要部分是輻射得熱，天花板、周邊圍護結構采用低發射率的材質，可有效降低輻射。在滿足美觀要求的基礎上可考慮采用一些低輻射材料作為天花板、周邊護欄擋板等，可大大消減輻射得熱。冰場上空盡量不設置任何設施，避免冰面冷輻射直接造成的影響。冰場四周的圍欄盡量高一些，例如2.5 m以上，有效阻止冰面向四周空間的冷輻射。

2.3 減少夜間散熱量

冰場在夜間工況下，需要盡量減少對周邊的散冷量。冰面夜間散熱方式主要為輻射，冰面就是一個巨大的冷源持續向外輻射冷量，可考慮選取上下表面均為鋁箔的低輻射材料表面，降低冰面向毯子的輻射的同時減少毯子上表面向周圍的輻射，最好能將毯子略微支起，使冰面和毯子中間形成一個較薄的空氣層，空氣層可阻隔傳導及對流。

2.4 減少由于冰面整修引起的負荷

根據對冰場冷負荷的研究，冷負荷的峰值取決于冰面休整所需冷負荷的大小，也就是休整冰面時用水量的大小和水的溫度。根據《1998 ASHRAE Refrigeration Handbook》，在冰面休整時采用帶有礦物質的水，可將冰面溫度提高1 ℉(0.556 ℃)，同時可以增強冰面的抗磨損能力。冰面的磨損減少，冰面休整需要的冷量及冰面休整的次數都將減少，從而降低由于冰面休整引起的負荷尖峰值及總冷負荷。

2.5 合理選擇制冰系統

人工冰場的供冷通常可選擇直接(膨脹)供冷和間接供冷兩種方式，直接供冷方式冷量損失少，在同樣的冰面溫度下，有較高的蒸發溫度，制冷機COP高，能耗低，輸送能耗遠遠低于間接蒸發冷卻系統，但直接蒸發系統安全性差，系統的蓄能能力小，對施工質量要求高，施工周期長。相比直接供冷，間接供冷系統的水容量大，蓄能能力強，適應負荷變化的能力強，安全性和環保性強。實際項目中，應綜合考慮冰場的實際條件，運行要求，合理選擇制冰系統。

2.6 制冷壓縮機過熱蒸氣的利用

在系統設計時，可考慮將壓縮機排出的過熱蒸氣的熱量加以利用，設置熱交換器供地坪防凍加熱、冰面整修需用熱水等用途。

2.7 合理控制制冷機啟停，降低制冷機電耗

冰場的實際冷負荷需求很穩定，主要隨工況變化，其不同工況的需求量也相對穩定，因此制冷機的最佳選擇應為按照冰場的負荷需求提供制冷量，可保證制冷機負荷率變化較小，運行平穩。同時選擇具有冷量調節的能力變頻制冷機，應充分發揮制冷機的卸載能力，根據不同的工況制定制冷機運行時間表和控制策略，確保冰面在一定范圍內變化，同時根據制冷機的實際調節能力，可以考慮利用冰的蓄冷能力，在不同階段設定不同冰面溫度，從而確保制冷機始終高效運轉。

2.8 科學合理地設計冰場的空調環境

冰場的空調環境不僅需要滿足使用者的舒適度要求，同時要求消除冰面和防護板上的霧氣，防止結露等方面。從節能角度考慮，建議冰場區域冬/夏季的溫度分別為18 ℃/22 ℃,冰場周邊環境空調冬/夏季的溫度分別為18 ℃/24 ℃,周邊必須是微正壓環境，以防止冰場外的濕熱空提過多進入冰場區域，冰場區域的氣流速度盡量控制在0.3 m/s以內，同時推薦將所有新風都進行深度干燥處理后進入冰場區域，不同季節、不同的使用時期，可適當減少處理新風量以降低能耗。

2.9 對于間接制冷系統，應合理控制乙二醇流量，降低水泵能耗

由于冰場制冰工藝的要求，系統需采用“大流量小溫差系統”，根據《1998 ASHRAE Refrigeration Handbook》中的規定：“對于直徑較大的場地，由于冷卻劑的供回水溫差需要控制在2～3 ℉(1.1～1.67 ℃)，因此冷卻液的流量控制在10～15 gpm/冷噸(每kW冷量對應流量0.18～0.27 l/s)”。

3 結束語

冰場的冷負荷根據工況的不同有較大差異，因此不同工況下應根據實際需要調整系統的流量，可考慮根據實際負荷需求，乙二醇水泵可根據實際工況及制冷機調節需求選取低流量水泵，提高水泵效率，降低水泵能耗。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網監控系統的設計與實現[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[2] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(2版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2008:2629-2631.

[3] ASHRAE. 1998 ASHRAE Refrigeration Handbook.ASHREA Inc,1998.

[4] 劉 亮.室內娛樂性冰場的環境空調設計[J].暖通空調，2013,43(10):79-82.