室内冰场节能设计分析

摘  要：随着2022年北京冬奥的临近，室内冰场的数量逐年增加，截止2017年北京室内冰场已有73块[1]。为保持冰场的全年使用，冰场的制冷设备需保持常年运行，这导致每块冰场的年耗电量巨大。因此需要合理设计制冷机组，通过应用热回收技术，合理设计运行方式，缩短设备的使用时间，提高设备的使用寿命，降低电耗，降低总运行成本。

关键词：冰场;热回收;能耗;节能

中图分类号：TU245.1    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）11-0000-00

0 引言

室内冰场的制冰系统主要有制冷主机、冷却塔、泵组、除湿机和融雪磨冰设备组成。一块标准的冰球场的面积为1751㎡[2]。为满足冰场的全年运营要求，冰场的设备需保持全年运行。冰场的地理位置，冰场建筑的结构、材料、层高和总面积、新风负荷、人员负荷的变化都会影响冰场的冷负荷需求，从而影响冰场的总用电量。调查发现一块冰场的最低用电量为89万度电每年，最高用电量为134万度。四块标准冰球场在2018年的用电量见表1。

超高的能耗，昂贵的用电费用是每个冰场营运管理部门面临的难题。如何合理有效地通过技术和管理手段降低冰场能耗，减少用电量，节能减排成为急需解决的关键问题。基于此，本文对冰场的系统设计和运行规律进行了节能潜力测试分析和研究。

1 冰场制冷系统的优化

目前国内主要冰场的制冷机组为螺杆压缩机，使用HCFCs作为制冷剂，40%的乙烯乙二醇作为载冷剂。一般冰场的制冷系统为制冷机组的蒸发器侧提供-12℃的冷乙二醇。仅在冷凝器侧接一个热交换器，为冰车房提供制冰所需的热水。但研究发现这导致冷凝器侧大量优质的热能浪费。冰场的服务区，教练和运动员休息室的供暖，和卫生间和洗澡间的生活用水均可使用冰场制冷系统的热回收。如图1所示[3]，优化后的制冷系统的制冷侧提供冷乙二醇为冰场冷支管和除湿机提供冷源。冷凝侧加入热回收技术，同时满足冰车用水，服务用水和服务区取暖空调及地暖供热。

如表2所示，每小时热回收可为冰场的服务区提供62kw 的热水总流量。在冬季可以为300㎡的服务器提供稳定的热源，预计一个采暖季能节省功能用电量约20000度。

2 系统控制的调整

通常冰场制冷设备的启动有三种模式：红外线温度模式，冰下温度模式，冷乙二醇回水温度模式。在任选一种模式中，当温度高于设定1℃以上，冷乙二醇泵启动。当冷乙二醇泵启动后，压缩机会根据冷乙二醇回液温度逐一启动。当第一台压缩机启动后，冷却塔水泵会根据压缩机排气压力启动，冷却塔风扇会根据冷却水回水温度启动。当第一台压缩机启动后，热回收泵启动。当乙二醇回液温度低于设定温度1度时，压缩机会一个接一个停止，当最后一台压缩机停止，冷却塔泵，热回收泵就会停止，乙二醇泵将继续工作直到温粘度跌落至设置点温度1度。

冰场在白天运行时系统根据人员及使用负荷的变化自动调整供回水温度，压缩机会根据使用负荷的变化自动实行从25%，50%，75% 和100%四档的能量调节。基本没有节能空间。

冰场在夜间停止人员活动后，会使用冰场冰毯覆盖冰面，减少冰面对周边的辐射和对流。标准冰球场的制冷设备配置和功率如表3所示。压缩机在夜间模式下只需启动一台，常规冰场的设计压缩机根据设定温度启停，冷乙二醇泵保持一直运行不停机。

在冰场的热负荷计算中，水泵的功耗做为固定热负荷的一部分计算到总热负荷中去，如果关闭了水泵的运行，除去能节省水泵的功率，同时还能减少总热负荷，，关闭水泵后能节省1.5倍水泵的功率的耗电量。因为在管道没有结冰风险，不会出现融冰的情况，调整制冷设备的控制逻辑，调整设备启停点的设置温度，使整个冰场的能耗有很大的节能空间。在夜间运行时，制冷设备的启动模式设置为冰下温度模式：停机点位-7℃，启动点位-3℃。当冰面温度达到设定温度后关闭压缩机和冷乙二醇泵。图2所示为压缩青岛嘉年华冰球场，在测试期间的每天停机时间。

在一个测试周期中，水泵的压缩机的停机时间为317小时，节省电耗约40576度。季节的变化会影响室内的温度湿度和冰球场建筑的温度，从而导致夜间的冷负荷需求变化和总停机时间的变化。如按全年平均，每天6个小时的关机时间，一年可节电费约为27468度。

3 冰场的灯光控制

竞赛用冰面的照度应不小于1500lx，训练用冰面照度应不小于300lx[4]。节能灯光的光效为90-130Lux/w。按15w/m2，冰面区域的灯具总功耗为27kw。并非所有时间的灯需要全开，在制冰和磨冰期间，只需使用一半的灯具就能完成作业。按每天磨冰5次，每次时間半个小时计算，每年能节省用电量为12015度。

4 浇冰用水温度的调整

冰场的冰面在使用1到2个小时后需要对磨损的冰面进行修复，使用磨冰车削去表面有划痕的部分约为1.5mm，同时在冰面上喷水，修复划痕和裂缝部位，在旧的冰面上重新形成一层新的冰。一般都建议使用热水浇冰。因为使用热水浇冰能使原来的冰面上的裂缝划痕和不平的地方融化，使新的冰面能与原来的冰面更加融合。而使用冷水浇冰，新的冰更脆，容易起划痕。使用热水浇冰的好处显而易见，但水的温度越高，浇冰时的热负荷也越大，制冷设备的能耗也越大。实验表明浇冰用水温度从82℃到54℃范围内，冰面的质量无明显变化。更低水温浇冰后，在打冰球时，冰面更容易被冰球棍击碎。在冰球场使用的最低的温度为48℃。表4为标准冰球场，不同水温浇冰时的所需能耗。

根据不同的应用需求，调整浇冰时用水的温度。按每天5次浇冰计算，使用75℃的水比使用45℃的水每年多耗能28835kw。

5 结语

在冰场设计中，制冷系统和制冷设备是安装冰场的全负荷进行设计和选型的。而实际使用中却因季节的更替，人员等因素的变化，导致较大的负荷变化，因此这有很大的节能潜力和空间。新建的冰场在系统设计时需要更多的考虑系统的配置和余热的回收利用。而已有的冰场通过控制逻辑的优化，控制模式的改变，浇冰用水水温的调整，灯光的控制调节，可在冰场能耗的降低上起到显著效果。

参考文献

[1] 纪俊峰.北京室内冰场信息大全[EB/OL].[2017-09-01].http：//www.sohu.com/a/150863499_729430

[2] GB/T 19995.3-2006.天然材料体育场地使用要求及检验方法第三部分运动冰场[S].北京：中国标准出版社，2006.

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

[4] 北京照明学会设计委员会.照明设计手册[M].北京：中国电力出版社，2016.

收稿日期：2020-10-09

作者简介：李小龙（1984—），男，安徽池州人，本科，研究方向：室内冰场、室内滑雪场的设计、设计咨询、项目管理。