Отдел перспективных разработок компании «Баир Вест» разработал две инновационные системы распределения воздуха в ледовых аренах

Сравнение систем распределения воздуха ледовых арен.

Компания «Баир Вест» является производителем вентиляционного оборудования для ледовых арен. Однако при проектировании ледовых арен, кроме грамотно подобранного оборудования, очень важным является система распределения воздуха внутри ледовой арена. Именно поэтому нами проведена разработка систем распределения воздуха методом вычислительной гидродинамики (CFD) с помощью прикладного пакета ANSYS CFX. Результаты и выводы можно изучить в материале.

Правильность конструкции и работы системы вентиляции и осушения ледовых арен во многом зависит от выбора правильной концепции системы распределения воздуха в помещении. Тем не менее, нет чётких стандартов и руководящих принципы для выбора таких систем на аренах катка, что является необходимым для исследования в этой области. На сегодняшний день методика вычислительной гидродинамики (CFD) является наиболее распространенным методом, используемым в данном конкретном случае. Это численный метод, используемый для решения системы дифференциальных уравнений, которая описывает поток жидкости в связи с теплообменом, включая поток вентиляционного воздуха. Одна из самых популярных программ на основе этого метода ANSYS CFX (www.ansys.com) применяется в этом исследовании.

Арена катка является одним из мест, где использование систем распределения воздуха сопряжено с трудностями и с возможными ошибками и плохими последствиями (рис. 1). Нам приходится иметь дело с температурой поверхности льда ниже 0°C и присутствием людей, как наблюдателей, так и фигуристов, хоккеистов, чьи требования различны.
Важной проблемой, возникающей на таких аренах, является избыточная влага, приводящая к конденсации водяного пара, содержащегося в воздухе, на поверхности стен и образование наплывов над поверхностью льда. Литература указывает лишь на несколько экспериментальных и численных исследований о системах распределения воздуха в ледовых аренах, например, каток в Монреале, Greater Boston (США) (Yangetal. 2000), Олимпийский Gjøvik в Норвегии (Вентиляция … 1998) и арены Череповец и Ходынка в России (Lestinenetal.2007).

 

Рис.1 Проблемы и источники проблем на ледовых аренах

 

Требования к вентиляции ледовых катков

Система вентиляции на арене катка должна выполнять следующие функции:
-вентиляция / функция воздушного отопления, поддерживая адекватные тепловые и влажностные условия для зрителей и спортсменов;
-функция осушения путем удаления избытка влаги над поверхностью льда.
Требования к параметрам воздуха выглядит следующим образом:
-температура воздуха в помещении – 10 ÷ 12°С в течение сеанса и 12 ÷ 14°С во время соревнований;
– температура воздуха в зоне для зрителей – 14 ÷ 15°С;
– относительная влажность воздуха – 40 ÷ 65%;
– скорость воздуха над льдом – 0,25 м / с.

Значение скорости чуть выше поверхности льда очень важно с точки зрения теплообмена между внутренним воздухом и поверхностью катка. Когда скорость увеличивается, теплопередача также увеличивается. Поверхность льда становится теплее, и в результате качество льда снижается, а нагрузка на чиллер ледового поля повышается.
Из-за опасности образования тумана важно, чтобы температура поверхности льда должна быть выше температуры точки росы в помещении. Кроме того, внутренняя поверхность потолка холоднее воздуха под ним. Для предотвращения конденсации температура внутренней поверхности потолка также должна быть выше температуры точки росы воздуха в помещении (Крытый лед… 2007).

Разработанные нами системы распределения воздуха бывают двух типов:
1) «Система единого воздушного потока» (Далее СЕВП), в которой подача воздуха не разделяется на зоны. Подготовка воздуха единая для всех зон ледовой арены.
2) Система зональной подачи воздуха (Далее СЗПВ), в которой подготовка воздуха для различных зон отдельная и воздух подаётся в каждую зону отдельно.
В СЕВП (рис. 2) каток с трибуной представляет собой единую зону. Подача сухого воздуха осуществляется струйными форсунками большого диаметра, расположенными непосредственно под крышей, что помогает защититься от конденсации воды.
Забор воздуха расположен в пространстве трибуны возле пола.

 

Рис. 2. Пример решения СЕВП на катке

 

Такое решение предпочтительнее в местах с небольшими трибунами и небольшим количеством зрителей, потому что не имеет смысла делить такую ледовую арену на две зоны -это будет слишком дорого.
В СЗПВ (рис. 3) зал разделен на две зоны: зону трибуны и зону катка.

 

Рис.3 Пример решения СЗПВ

 

Подача воздуха осуществляется с помощью длинных форсунок, расположенных в верхней части зала. Падающие струи над трибуной направлены таким образом, что воздух распространяется по зоне трибуны и не влияет на поверхность льда. Параметры этого подаваемого воздуха обеспечивают и поддерживают соответствующие тепловые и условия влажности для зрителей. В зоне катка подаваемый воздух был предварительно высушен в адсорбционном осушителе. Объем потока воздуха составляет 7 ÷ 10% от объема потока воздуха. Падающие струи из таких форсунок направлены на поверхность катка. Индивидуальный выхлоп в каждая зона может быть размещена в верхней части зала.

Описание исследуемого объекта и его численная модель
Исследуемый объект представляет собой спроектированный крытый каток. Внешние размеры этого объекта следующие: длина – 40 м, ширина – 28 м, максимальная высота – 16 м. Размеры ледяного поля внутри объекта 30 на 20 метров. Внутренние части исследуемой арены катка включают южную стену близко к трибуне, восточную стену и пол катка. Остальные части конструкции внешние. На северной стене здание оборудовано окнами. Внутренние источники тепла: система освещения, зрители и фигуристы.
Численная модель для объекта исследования была разработана с использованием программы Ansys CFX, принимая во внимание габаритные размеры и геометрию оформленного зала. Каток, посетители, спортсмены, система освещения были смоделированы в систему вентиляции (рис. 4). Плоскость симметрии XY была введена из-за симметрии этого объекта.

 

Рис. 4. Численная модель для половины зала катка

 

СЕВП выполнена в виде 16-ти струйных форсунок диаметром 110 мм.
Сопла были размещены на воздуховоде с диаметром 1200 мм на высоте 13 м под крышей. Воздух, подаваемый из сопел, направлен под углом 40°.

 

Рис. 5. Конфигурация зала катка а) СЕВП; б) СЗПВ

 

Тот же набор сопел используется и для СЗПВ (рис. 5б) и был локализован на высоте 10 м. Кроме того добавлены 4 струйных форсунки диаметром 150мм расположенные на высоте 8,5м на воздуховоде диаметром 400мм для раздачи осушенного воздуха диаметром 150 мм и расположенные на подводящем воздуховоде диаметром 400 мм на высоте 8,5 м на северной стене. Воздух, подаваемый из форсунок направлен горизонтально.
В обоих случаях использовано 12 вытяжных решеток с размерами 325 × 525 мм.
Подготовка данных была основана на расчетных данных для наружного воздуха при температуре 12°C, наиболее неблагоприятная с точки зрения баланса тепла и влаги. Предполагалось поддерживать температуру воздуха в помещении 12°С и относительную влажность воздуха 40%.

Баланс тепла и влаги был составлен для определения пограничных условий и включал:
-прирост тепла и влаги от людей – 162 фигуриста и 208 зрителей;
-прирост тепла от системы освещения состоящий из 32 металлогалогенных ламп;
-передача тепла через стены;
-потери тепла и влаги от ледяного покрова.
Расход и состояние воздуха приведены в таблице 1

 

Воздухораспределительная система	Приточный воздух
	Расход воздуха	Температура воздуха	Абсолютная влажность
	м3/ч	°С	г/кг
СЕВП	12546	4	2,25
СЗПВ	12546	4	2,25
	1254,6	12	3,0

Таблица 1. Расход и состояние воздуха

 

Процесс расчета

Численные расчеты проводились с использованием кода ANSYSCFX 12.1 в стационарном режиме в трехмерных и неизотермических условиях. При моделировании использовалась модель транспортной турбулентности ShearStress. Тепловое излучение в зале было выполнено с помощью модели дискретного переноса. Дискретизация модельных уравнений была проведена методом конечных объемов.
Применяемая неструктурированная сетка дискретизации (рис. 6) состояла в основном из четырехгранных элементов и состояла почти из 10 миллионов ячеек и около 2 миллионов узлов в обоих случаях. Расчеты проводились с использованием итерационного метода, и были получены сходящиеся решения.

 

Рис. 6. Локальное уточнение сетки дискретизации вокруг решеток (слева) и пограничного слоя вокруг приточного воздуховода и крыши (справа)

 

Результаты и выводы

Результаты численных расчетов были разработаны с использованием постпроцессор кода CFX Ansys и показаны на рис. 7 ÷ 14.
На рис. 7 показано сравнение карт скорости воздуха на арене катка в обоих случаях – вертикальная плоскость и горизонтальная плоскость, расположенные вблизи ледяного щита. Среднее значение скорости воздуха в двери на высоте 10 см над поверхностью льда составляла 0,32 м/с в СЕВП и 0,34 м/с в СЗПВ. Кроме того, в обоих случаях локально было превышено допустимое значение скорости воздуха (≥ 0,25 м/с), хотя для большей части поперечного сечения в СЗПВ. Это послужило причиной разной степени осушения воздуха на всей поверхности льда. Это также видно по распределению скорости воздуха в вертикальном сечении.
На рис. 8 приведено сравнение характера воздушных векторов в вертикальных плоскостях. Картина векторов скорости воздуха в зонах приточного воздуха. Циркуляционная зона в центре катка была получена в СЕВП. Воздух, подаваемый из правой части сопел, поступал чуть выше поверхности вторичной циркуляции льда. Однако воздух, подаваемый из левого ряда форсунок, частично проходил под поверхностью крыши и частично направлялся в центр ледяной корки, где создавалась область циркуляции воздуха.
В СЗПВ вихри влажного воздуха можно наблюдать у зон трибуны: у южной стены за последней ступенью трибуны и под крышей. Тем не менее, осушенный воздух вылетал над поверхностью льда, а затем, в середине катка образовывалась циркуляционная зона. Циркуляционный осушенный воздух частично добрался до зоны трибун и смешался с влажным воздухом, затем частично попал в вытяжные решетки

 

Рис. 7. Сравнение карт скорости воздуха на арене катка

 

На рис. 9 представлено сравнение карт температуры воздуха в вертикальных и горизонтальных плоскостях, расположенных в зоне трибуны. В случае СЕВП холодный приточный воздух не влиял на тепловые зоны над зрителями. За последней ступенью трибуны воздух был теплее, чем в СЗПВ, в результате прироста тепла от зрителей. Более высокая температура воздуха в помещении наблюдается под крышей южной части здания. Температура воздуха в помещение в зоне трибун рядом с южной стеной примерно 13°C и 12°C при СЕВП и СЗПВ соответственно.

 


Рис. 8. Сравнение картины вектора скорости воздуха на арене катка а) Z = 6,1 м; б) Z = 8,7м; в) Z = 10.1м

 

 


Рис. 9. Сравнение карт температуры воздуха в ледовой арене а) СЕВП; б) СЗПВ

 

В СЗПВ тепловые потоки от конькобежцев были вытеснены приточными струями от осушителя в направлении вытяжки и трибун. В СЕВП, тепловые шлейфы от фигуристов были лишь частично направлены в сторону вытяжки. В обоих случаях аналогичная средняя температура воздуха около 12°C была получена в зале. Средняя температура воздуха на 10 см выше поверхности льда была 10,8°С в случае СЕВП и 10,9°С в случае зональной системы. Температура воздуха не превышала 12,8°С в обоих случаях (рис. 10).
На рис. 11 показаны изотермические карты на внутренней поверхности крыши. Средняя температура поверхности крыши была 12,5°С и 12,1°С в СЕВП и СЗПВ соответственно. Средняя температура поверхности крыши в СЕВП была немного выше, чем в случае СЗПВ из-за поступления теплого воздуха под поверхность крыши и из-за большего воздействия освещения. В обоих случаях поверхность крыши имеет достаточно высокую температура выше точки росы воздуха в помещении. Внизу она составляет около -4- -2°C, для предотвращения конденсации водяного пара.
На рис. 12 показано сравнение карт относительной влажности воздуха в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Относительная влажность не должна превышать 38%, чтобы предотвратить запотевание на уровне льда, если средняя температура воздуха над поверхностью льда около 11°C, а температура поверхности льда составляет –3°C. Средняя относительная влажность воздуха на высоте 10 см над поверхностью льда в обоих случаях составляла около 32%, что означает что нету риска образования тумана над поверхностью льда.

 

Рис. 10. Сравнение карт изотермы воздуха на катке арены а) СЕВПб) СЗПВ

 

Рис. 11. Сравнение изотермических карт на внутренней поверхности кровли а) СЕВП б) СЗПВ

 

Рис. 12. Сравнение карт относительной влажности воздуха на ледовой арене льда а) СЕВП б) СЗПВ

 

Рис. 13. Сравнение карт относительной влажности воздуха в зона трибуны
а) СЕВП; б) СЗПВ

Кроме того, воздух, поступающий от осушителя из СЗПВ вызывал только локальное снижение относительной влажности воздуха, но на большей части поперечного секция, чем подаваемый воздух в СЕВП. Относительная влажность воздуха в зоне трибуны находилась в диапазоне 30 ÷ 32% и 31 ÷ 34% в СЕВП и СЗПВ. Максимальное значение относительной влажности воздуха на 4,24 м выше поверхность льда составляла около 34% в обоих случаях (рис. 13).

Выводы

1. Обе разработанные системы распределения воздуха в состоянии поддерживать требуемую температура воздуха в помещении за счет поддержания адекватного теплового баланса в условиях влажности СЕВП была бесполезна, потому что струи приточного воздуха не влияли на тепловые потоки над посетителями, в частности, зрителями.
2. В СЗПВ можно ожидать, что скорость воздушного потока превысит допустимые пределы над большей площадью ледового поля.
3. Риск запотевания над поверхностью льда и опасность конденсации водяных паров на поверхности ограждающих конструкций не появлялось ни в одной системе.
4. СЗПВ должна использоваться в больших ледовых аренах, с большим количеством зрительных мест.