冰場用制冰機組性能測試方法研究

曹禹

承德市體育局體育場 河北 承德 067000

引言

冰場在打造滿足賽事的冰面的基礎上，如何降低場館運行能耗，在場館設計和制冰設備選型時應用了大量創新技術。直冷式制冰系統和間冷式制冰系統是冰場制冰常用的兩種制冰形式，在制冰系統中制冰機組是系統的核心設備，其性能指標決定冰場冰面的質量和冰場的運行能耗。人工冰場的制冰機組的運行工況參數和設備配置與現有機組標準存在差異。因此，將運行周期長、運行能耗占比高的制冰機組作為研究對象，通過對不同制冰機組的運行關鍵參數進行研究，是制冰機組精準的性能指標參數是可靠設計選型的重要保證，不同型號制冰機組在人工冰場冰面凍結的過程，為相應制冰機組準確設計性能指標和標準制定提供了技術參考。該研究對于保障冰場用制冰機組在實際使用中的安全可靠性具有重要意義。

1 冰場用制冰機組性能測試方法

本次實驗采取螺桿式制冰機組，其具體參數如下：額定制冷量：481kW；冷水進出水溫：-13～-15℃；冷卻水進出水溫：32～37℃；冷水流量：275m3/h；冷卻水流量：125m3/h；電功率：1888kW/380V。

1.1 測試目的

①通過對冰場用制冰機組進行測試，驗證制冰機組的制冷量、耗電量、蒸發溫度等關鍵技術參數，并確定各主要技術參數的測試精度；②通過對制冰機組的測試，獲得制冰機組的各項性能指標，為制冰機組在冰場實際使用過程中的運行提供理論基礎；③通過對制冰機組的測試，驗證各主要性能參數之間的關系，為制冰機的選型、設計、安裝和維護提供技術依據；④通過對制冰機組的測試，獲取冰場用制冰機組在實際運行過程中各個性能參數隨環境溫度、負荷變化而變化的規律，為制冰機在實際運行過程中進行實時監控和數據分析提供技術支撐[1]。

1.2 測試時間安排

從前期設計階段開始，要求冰場用制冰機組的產品設計方案與冰場實際工程方案（包括制冰機組選型、制冰工藝、制冰方式等）進行對比，以保證制冰機組設計方案的正確性。

1.3 測試地點選擇

測試地點的選擇原則上應選擇冰面平整、無風、無雜物，且具有一定傾斜角度的位置。同時，為保證測試結果的準確性，應在測試地點對制冰機組進行定期檢修。如有條件，可在冰場內的中央空調機房、電氣設備房等安裝空調和通風系統，為制冰機組提供適宜的工作環境。

1.4 測試條件

①水溫：冰場用制冰機組的水溫一般在-2～5℃，若采用-10℃水溫則應考慮到測試期間冰的融化溫度和冰的凍結溫度，應考慮到結冰溫度和融冰溫度之間的溫差，需要在冰場上搭建一個專門用于測試的水箱，一般水箱底部需要加墊，以避免在測試過程中由于水的沸騰造成漏入空氣而影響測試結果。②風速：在冰場上采用的制冰機組主要是針對制冰機中蒸發器部分進行制冷，由于蒸發器散熱面積小，其換熱量較小，在實際測試過程中可忽略不計。③濕度：對于采用濕球傳感器測量的實驗室制冰機，當水處于飽和狀態時濕度最大；而對于實際制冰機，水處于非飽和狀態時濕度最小[2]。

2 冰場用制冰機組性能測試影響因素

2.1 環境溫度

目前，國內外制冰機設備的標準測試方法主要是按照GB/T 5297 《制冰機組》和GB/T 5297-2010《冰蓄冷系統技術規范》進行測試，由于冰場用制冰機組的性能測試一般在室外環境進行，所以，目前國內外針對冰場用制冰機組的測試主要是采用GB/T 5297《冰蓄冷系統技術規范》進行[3]。

2.2 制冰機組類型

根據 GB/T 7405-2016 《冰場用制冷壓縮機組》和GB/T 7405-2015《冰場用制冷壓縮機組》的要求，GB/T 7405-2015中的第二章“制冰機組”對機組類型、測試工況及性能測試方法進行了規定。

2.3 測試用冰

不同的制冰機類型和制冰工藝對測試用冰的質量要求不一樣，根據制冰工藝不同，測試用冰主要包括直接制冰用冰和冷凍水制冰用冰。直接制冰用冰一般是天然或經人工加工而成的水，由于其不含氯，所以對水質要求不高，但在部分制冰機上其冷卻水量會有所下降，使水的溫度不能保持在一定的范圍內。

2.4 制冷系統及環境參數的影響

①制冷系統的溫升和壓力會對冰的形成造成影響，在進行制冷系統試驗時，應對制冷系統的溫升和壓力進行相應的測量；②對于冰場用制冰機組來說，在進行性能測試時，應對制冰機組的冷凝器溫度、蒸發器溫度、冷凍水溫度及壓力、冷凝器壓力等進行相應的測量；③在進行制冷系統試驗時，應對制冷機組的輸入功率、系統中制冷劑的充注量和冷卻水量、冷凍水溫度等進行測量；④在進行制冷系統試驗時，應對系統中各設備或管路、閥門的運行狀況和故障情況進行測量；⑤在進行制冷系統試驗時，應對測試環境溫度和濕度進行測量。

3 冰場用制冰機組性能測試方法注意要點

3.1 測試條件

第一為保證測試結果的準確性，測試溫度應控制在-10～+5℃之間，測試時間應為8h。第二建議使用冰場專用空調系統，與其他空調系統的不同之處是冰場專用空調系統有溫度自動控制功能，保證在整個測試過程中制冰機組的環境溫度恒定在-10～+5℃之間[4]。

3.2 試驗用冰

①在冰場用制冰機組性能測試中，由于冰的吸熱特性和溫度的變化，一般在冰的表面溫度達到0℃時，冰表面的溫度為-1.5℃；在0℃時，冰表面的溫度為-0.9℃；在-1.2℃時，冰表面的溫度為-0.9℃。②試驗用冰應取自室外環境下低于0℃的環境，并且要求所用冰表面具有一定的機械強度。③在室外環境下選取的冰，應確保其不含冰碴、冰片和冰片，且其總質量不大于40 kg；④所取冰料的粒度應符合 GB/T 24557-2009 《用于制造熱交換器用工業用冰》規定；⑤試驗用冰應根據測試項目要求進行選擇。

3.3 制冷系統

首先測試時的溫度、相對濕度和風速應與制冷系統的運行工況相一致，當制冷系統有輔助熱源時，應注意輔助熱源的熱量不能影響制冷系統的正常運行，輔助熱源溫度應與制冷系統運行工況相一致[5]。

其次在測試過程中應注意對輔助熱源的測量和控制，如果出現監測系統報警或出現故障時，應立即停止測試，并重新進行測試。

再者測試前應檢查制冷系統管路、閥門等是否有泄漏點，并進行檢查和修復。

最后制冷系統各部分的溫度不能太低，在測試過程中若出現溫度過低的情況時，應檢查和修復各個管路、閥門等處是否有泄漏點，同時還需檢查和修復各個部件之間的連接螺栓、墊圈等處是否有松動。

3.4 試驗用水

對于冰場用制冰機組，其運行的環境是非常惡劣的，特別是夏季時，氣溫高達40℃，對系統管路、設備、水泵等部件都會造成一定的損害，尤其是低溫條件下運行，系統中的管路和設備很容易出現結冰的情況。

在進行試驗時，由于冰場用制冰機組使用了不同于傳統冷卻塔或水循環制冷系統的新型制冷系統，所以在進行試驗時要特別注意對于使用水作為制冷系統循環冷卻水的冰機組來說，由于冰層與冷卻塔或水管、閥門、水泵等設備相接觸，會產生冷凝水；

3.5 試驗臺

在冰場用制冰機組的性能測試方法中，試驗臺的安裝位置非常重要，應該注意在試驗臺的安裝過程中，應注意避免機組發生震動，影響設備運行。由于不同廠家生產的冰場用制冰機組性能測試方法中對溫度測試點的要求不同，所以試驗臺上的溫度測試點不能完全照搬國外廠家所提供的數據，而應根據冰場用制冰機組的實際運行狀況，選取合適的溫度測試點。

為了保證冰的溫度測試結果能夠真實反映冰場用制冰機組的實際運行情況，試驗臺上需要放置若干個溫度傳感器，以便實時監控冰的溫度。同時應在試驗臺上安裝紅外熱像儀，以便對水溫進行實時監測。

4 冰場用制冰機組性能測試方法應用策略

4.1 實驗工況

為了保證冰場用制冰機組性能測試方法能夠真實地反映設備運行狀況，試驗條件應嚴格按照 GB/T 17137-1998 《冰場用制冰機組性能測試方法》中所規定的冰場用制冰機組性能測試方法中所規定的實驗工況進行，同時應注意以下幾點：①實驗工況的實際運行溫度應高于所選用設備的設計溫度，以保證設備能夠正常運行；②在進行制冷制熱效果對比時，應先對被測試設備進行制冷制熱試驗，以確定其是否滿足所選設備的性能指標要求；③在進行水冷卻和冰冷卻對比試驗時，應先對被測試設備進行冷卻實驗，以確定其是否滿足所選設備的性能指標要求。

4.2 設備溫度

在冰場用制冰機組性能測試方法中，設備溫度是一個非常重要的參數，應該注意以下幾點：①在進行設備制冷制熱效果對比試驗時，應選取相對較低的溫度進行試驗，并根據試驗結果來確定所選用的設備是否滿足設計要求；②在進行水冷卻和冰冷卻對比試驗時，應選取相對較低的溫度進行試驗，并根據試驗結果來確定所選用的設備是否滿足設計要求；③在進行設備冷卻實驗時，應選取相對較低的溫度進行試驗，并根據試驗結果來確定所選用的設備是否滿足設計要求；④在進行冰場用制冰機組性能測試時，應選取相對較高的溫度進行試驗，并根據試驗結果來確定所選用的設備是否滿足設計要求。

4.3 測試結果分析

具體來說，應從以下幾個方面進行分析：①設備的制冷量及制熱量是否滿足設計要求；②設備的蒸發溫度及冷凝溫度是否滿足設計要求；③設備的蒸發溫度及冷凝溫度是否符合設計要求；④設備的冷凝溫度和蒸發溫度是否滿足設計要求；⑤設備的冷凝器出水溫度和蒸發器出水溫度是否符合設計要求；⑥設備的進、出水壓力、流量、溫差以及總負荷等參數是否符合設計要求。

4.4 其他注意事項

在進行冰場用制冰機組性能測試方法中，還應注意以下幾點：①當室外環境溫度低于5℃時，應將設備的測試時間縮短為10min，并在測試結束后及時對測試數據進行分析，以確定所選用的設備是否滿足設計要求；②當室外環境溫度高于5℃時，應將設備的測試時間延長為20min，并在測試結束后及時對測試數據進行分析，以確定所選用的設備是否滿足設計要求；③當室外環境溫度高于10℃時，應將設備的測試時間縮短為10min，并在測試結束后及時對測試數據進行分析，以確定所選用的設備是否滿足設計要求；④當室外環境溫度高于15℃時，應將設備的測試時間延長為30min。

5 結束語

在冰場用制冰機組性能測試方法中，設備的各項性能指標是在進行各種測試條件下得出的，因此，研究人員應該通過對測試數據的分析來確定所選用的設備是否滿足設計要求。