室內冰場節能設計分析

摘? 要：隨著2022年北京冬奧的臨近，室內冰場的數量逐年增加，截止2017年北京室內冰場已有73塊[1]。為保持冰場的全年使用，冰場的制冷設備需保持常年運行，這導致每塊冰場的年耗電量巨大。因此需要合理設計制冷機組，通過應用熱回收技術，合理設計運行方式，縮短設備的使用時間，提高設備的使用壽命，降低電耗，降低總運行成本。

關鍵詞：冰場;熱回收;能耗;節能

中圖分類號：TU245.1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）11-0000-00

0 引言

室內冰場的制冰系統主要有制冷主機、冷卻塔、泵組、除濕機和融雪磨冰設備組成。一塊標準的冰球場的面積為1751㎡[2]。為滿足冰場的全年運營要求，冰場的設備需保持全年運行。冰場的地理位置，冰場建筑的結構、材料、層高和總面積、新風負荷、人員負荷的變化都會影響冰場的冷負荷需求，從而影響冰場的總用電量。調查發現一塊冰場的最低用電量為89萬度電每年，最高用電量為134萬度。四塊標準冰球場在2018年的用電量見表1。

超高的能耗，昂貴的用電費用是每個冰場營運管理部門面臨的難題。如何合理有效地通過技術和管理手段降低冰場能耗，減少用電量，節能減排成為急需解決的關鍵問題。基于此，本文對冰場的系統設計和運行規律進行了節能潛力測試分析和研究。

1 冰場制冷系統的優化

目前國內主要冰場的制冷機組為螺桿壓縮機，使用HCFCs作為制冷劑，40%的乙烯乙二醇作為載冷劑。一般冰場的制冷系統為制冷機組的蒸發器側提供-12℃的冷乙二醇。僅在冷凝器側接一個熱交換器，為冰車房提供制冰所需的熱水。但研究發現這導致冷凝器側大量優質的熱能浪費。冰場的服務區，教練和運動員休息室的供暖，和衛生間和洗澡間的生活用水均可使用冰場制冷系統的熱回收。如圖1所示[3]，優化后的制冷系統的制冷側提供冷乙二醇為冰場冷支管和除濕機提供冷源。冷凝側加入熱回收技術，同時滿足冰車用水，服務用水和服務區取暖空調及地暖供熱。

如表2所示，每小時熱回收可為冰場的服務區提供62kw 的熱水總流量。在冬季可以為300㎡的服務器提供穩定的熱源，預計一個采暖季能節省功能用電量約20000度。

2 系統控制的調整

通常冰場制冷設備的啟動有三種模式：紅外線溫度模式，冰下溫度模式，冷乙二醇回水溫度模式。在任選一種模式中，當溫度高于設定1℃以上，冷乙二醇泵啟動。當冷乙二醇泵啟動后，壓縮機會根據冷乙二醇回液溫度逐一啟動。當第一臺壓縮機啟動后，冷卻塔水泵會根據壓縮機排氣壓力啟動，冷卻塔風扇會根據冷卻水回水溫度啟動。當第一臺壓縮機啟動后，熱回收泵啟動。當乙二醇回液溫度低于設定溫度1度時，壓縮機會一個接一個停止，當最后一臺壓縮機停止，冷卻塔泵，熱回收泵就會停止，乙二醇泵將繼續工作直到溫粘度跌落至設置點溫度1度。

冰場在白天運行時系統根據人員及使用負荷的變化自動調整供回水溫度，壓縮機會根據使用負荷的變化自動實行從25%，50%，75% 和100%四檔的能量調節。基本沒有節能空間。

冰場在夜間停止人員活動后，會使用冰場冰毯覆蓋冰面，減少冰面對周邊的輻射和對流。標準冰球場的制冷設備配置和功率如表3所示。壓縮機在夜間模式下只需啟動一臺，常規冰場的設計壓縮機根據設定溫度啟停，冷乙二醇泵保持一直運行不停機。

在冰場的熱負荷計算中，水泵的功耗做為固定熱負荷的一部分計算到總熱負荷中去，如果關閉了水泵的運行，除去能節省水泵的功率，同時還能減少總熱負荷，，關閉水泵后能節省1.5倍水泵的功率的耗電量。因為在管道沒有結冰風險，不會出現融冰的情況，調整制冷設備的控制邏輯，調整設備啟停點的設置溫度，使整個冰場的能耗有很大的節能空間。在夜間運行時，制冷設備的啟動模式設置為冰下溫度模式：停機點位-7℃，啟動點位-3℃。當冰面溫度達到設定溫度后關閉壓縮機和冷乙二醇泵。圖2所示為壓縮青島嘉年華冰球場，在測試期間的每天停機時間。

在一個測試周期中，水泵的壓縮機的停機時間為317小時，節省電耗約40576度。季節的變化會影響室內的溫度濕度和冰球場建筑的溫度，從而導致夜間的冷負荷需求變化和總停機時間的變化。如按全年平均，每天6個小時的關機時間，一年可節電費約為27468度。

3 冰場的燈光控制

競賽用冰面的照度應不小于1500lx，訓練用冰面照度應不小于300lx[4]。節能燈光的光效為90-130Lux/w。按15w/m2，冰面區域的燈具總功耗為27kw。并非所有時間的燈需要全開，在制冰和磨冰期間，只需使用一半的燈具就能完成作業。按每天磨冰5次，每次時間半個小時計算，每年能節省用電量為12015度。

4 澆冰用水溫度的調整

冰場的冰面在使用1到2個小時后需要對磨損的冰面進行修復，使用磨冰車削去表面有劃痕的部分約為1.5mm，同時在冰面上噴水，修復劃痕和裂縫部位，在舊的冰面上重新形成一層新的冰。一般都建議使用熱水澆冰。因為使用熱水澆冰能使原來的冰面上的裂縫劃痕和不平的地方融化，使新的冰面能與原來的冰面更加融合。而使用冷水澆冰，新的冰更脆，容易起劃痕。使用熱水澆冰的好處顯而易見，但水的溫度越高，澆冰時的熱負荷也越大，制冷設備的能耗也越大。實驗表明澆冰用水溫度從82℃到54℃范圍內，冰面的質量無明顯變化。更低水溫澆冰后，在打冰球時，冰面更容易被冰球棍擊碎。在冰球場使用的最低的溫度為48℃。表4為標準冰球場，不同水溫澆冰時的所需能耗。

根據不同的應用需求，調整澆冰時用水的溫度。按每天5次澆冰計算，使用75℃的水比使用45℃的水每年多耗能28835kw。

5 結語

在冰場設計中，制冷系統和制冷設備是安裝冰場的全負荷進行設計和選型的。而實際使用中卻因季節的更替，人員等因素的變化，導致較大的負荷變化，因此這有很大的節能潛力和空間。新建的冰場在系統設計時需要更多的考慮系統的配置和余熱的回收利用。而已有的冰場通過控制邏輯的優化，控制模式的改變，澆冰用水水溫的調整，燈光的控制調節，可在冰場能耗的降低上起到顯著效果。

參考文獻

[1] 紀俊峰.北京室內冰場信息大全[EB/OL].[2017-09-01].http：//www.sohu.com/a/150863499_729430

[2] GB/T 19995.3-2006.天然材料體育場地使用要求及檢驗方法第三部分運動冰場[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] International Ice Hockey Federation. Technical Guidelines of an Ice Rink [M].Pairs：International Ice Hockey Federation，2016.

[4] 北京照明學會設計委員會.照明設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2016.

收稿日期：2020-10-09

作者簡介：李小龍（1984—），男，安徽池州人，本科，研究方向：室內冰場、室內滑雪場的設計、設計咨詢、項目管理。