Komplexní řešení energetiky zimního stadionu. Hokejová hala mládeže v Brně
Chlazení ledové plochy a požadavky na její optimální provoz
Optimální provozní stav ledové plochy
• Teplota chlazené desky - 7.2 °C, teplota ledu na povrchu - 4,0 °C • Teplotní odchylka na povrchu chlazené desky do 0,5 K • Teplota nad ledovou plochou do +10 °C rel.vlhkost max. 80% • Teplota rosného bodu uvnitř haly nad ledovou plochou do + 5 °C • Průměrná zátěž ledové plochy v optimálních podmínkách cca 150 W/m2 při chlazené ploše 1700 m2 ztráta chladu 255 kW
• Celková tepelná zátěž ledové plochy 255 kW má tři složky: a) zátěž od vzdušné vlhkosti cca 57 kW b) zátěž od konvekce tepla, osvětlení a případně oslunění 118 kW c) zátěž od úpravy ledové plochy rolbou 90 kW • Běžně je tato tepelná zátěž odváděna pouze pomocí chlazení betonové desky ledové plochy. Efektivněji lze alespoň složku zátěže od vlhlkosti odvést odvlhlčováním.
Požadavky na techologii chlazení ledové plochy: Použití ekologicky nezávadných a bezpečných médií Minimalizace provozních náplní chladiva Energetická účinnost Dlouhá životnost instalovaných strojních součástí bez nákladných revizí Kontrukce chlazené desky s délkou životnosti min 20 let Jednoduchá obsluha a bezpečný provoz. 100% využití veškerého odpadního tepla pro zařízení zázemí stadionu
Řešení: • Nepřímý chladicí systém s minimálním obsahem bezpečného a ekologického chladiva R 134 A, celkem 140 kg • Použití v současné době nejlepšího nosiče chladu FREEZIUM • Optimalizace chladicího cyklu a integrace nových prvků za účelem zvýšení energetické účinnosti
Použití hybridních chladicích věží pro odvod nevyužitelného odpadního tepla, 80% úspora vody oproti odpařovacím kondenzátorům Použití kompaktních šroubových kompresorů s životností 100.000 provozních hodin bez nutných revizí Konstrukce chlazené betonové desky provedena s ohledem na požadovanou dlouhou životnost - vyhřívání podloží, bezkanálové provedení rozvodů chladiva v ledové ploše, kvalitní kluzná vrstva ledové plochy Zcela automatický provoz zařízení se vzdáleným přístupem obsluhy Kaskádní systém řazení výměníků pro využití odpadního tepla, instalovaný ve čtyřech nezávislých okruzích Použití frekvečních měničů na všech významných pohonech - chladicí věž, oběhová čerpadla ledové plochy
Udržování klimatu nad ledovou plochou Požadavky: Teplota vzduchu nad ledovou plochou ve výšce 1m v rozmezí od +4 do +12 °C Zamezit proudění vzduchu ve vertikálním a horizontálním směru nad ledovou plochou Zamezit kondenzaci vzdušné vlhlkosti na povrchu ledové plochy a prochlazených konstrukcích mantinelu, střechy a dalších stavebních konstrukcích Teplota rosného bodu do +5 °C Dodržení těchto požadovaných hodnot není možné bez řízeného přístupu venkovního vzduchu do prostor stadionu a jeho odvlhčování. ZÁSADA: Do vnitřních prostor stadionu by se neměl dostat neřízeně venkovní vzduch. Problém vnikání teplého a vlhlkého vzduchu do prostor stadionu. Následně vzniká energetická zátěž na chlazení a odvlhčování.
Řešení: Úprava cirkulujícího vzduchu a přístup čerstvého vzduchu do stadionu je realizován pomocí vzduchotechnické jednotky umožňující: a) ochlazení vzduchu b) dohřátí vzduchu c) odvlhčení, a to buď absorpčním nebo kondenzačním způsobem Energetické nároky pro vzduchotechnickou jednotku pro běžný stadion s jednou ledovou plochou s ochozy do 1000 diváků Tepelný výkon pro dohřev vzduchu cca 60 kW Chladicí výkon pro ochlazení vzduchu cca 40 kW, respektive 90 kW v případě kondenzačního odvhlčování Odvlhčovací výkon do 50 kg/h při vstupní teplotě vzduchu +10 oC a 80% rel.vlhkosti
S ohleden na provozní a investiční náklady je výhodné využít strojního zařízení pro výrobu a udržování ledu jako zdroje tepla i chladu a pro provoz vzduchotechnického zařízení. Z toho vyplývají následující výhody: využití odpadního tepla; využití výkonové rezervy zařízení v režimu chlazení pro odvhlčování za energeticky příhodnějších podmínek (vyšší odparná teplota - 8 oproti -12 oC); využití odpadního tepla z odvlhčování pro další ohřev v zázemí stadionu: pro ohřev TUV, vody pro rolbu a vytápění prostor stadionu.
Akumulace chladu a tepla V průběhu provozní doby zimního stadionu vznikají nesoudobé požadavky na dodávku tepla a chladu. Chceme-li využít veškeré odpadní teplo z chladicího zařízení, je nutné do systému zařadit prvek akumulace tepla a chladu. Konvenčním řešením je instalace dvou zásobníků – zásobníku tepla a chladu. Toto řešení je prostorově náročné a nedostačující s ohledem na malý poměr mezi objemem zásobníku a akumulovaným teplem a chladem. V případě vhodného provedení zdroje chladu pro výrobu a udržování ledu je možné využít skupenského zásobníku chladu a tepla. Skupenský zásobník je zařízení, ve kterém změnou skupenství voda - led a obráceně dochází při jeho nabíjení k akumulaci chladu a získávání odpadního tepla a naopak při jeho vybíjení dochází k akumulaci tepla.
Toto řešení umožnuje nezávisle na stavu vychlazení ledové plochy čerpat odpadní teplo pro ohřev: a) vody pro rolbu; b) ohřev TUV; c) vytápění zázemí stadionu; c) k odvlhčování. Akumulovaný chlad v zásobníku naopak pokrývá odběrové špičky chladu: a) pro chlazení ledové plochy; b) je zdrojem chladu pro chlazení haly s ledovou plochou a případně dalšího zázemí; c) je zdrojem chladu pro kondenzační odvhlčování. Vybíjením zásobníku je opět akumulováno teplo, které lze kdykoliv nezávisle na stavu chlazení ledové plochy využít při opětovném nabíjení skupenského zásobníku
Využití zdroje chladu ledové plochy v režimu tepelného čerpadla S ohledem na výše uvedený způsob akumulace chladu a tepla se z chladicího zařízemí stává v podstatě tepelné čerpadlo, které v závislosti na požadavku zajištuje plnohodnotně dodávku tepla pro zázemí stadionu. Oproti běžně konstruovaným zařízením pro chlazení ledu se takto koncipované zařízení odlišuje: a)kaskádní soustavou výměníků pro ohřev jednotlivých topných okruhů; b)chladicí zařízení je rozděleno do více chladicích okruhů tak, aby bylo možno část zařízení využívat s vyšší kondenzační teplotou pro ohřev v režimu tep.čerpadla a druhou část v režimu chlazení ledu při zachování max.energetické účinnosti; c)pracuje s ekologickým chladivem R 134 A umožňujícím dosažení vysoké energetické účinnosti v širokém teplotním rozsahu provozních režimů.
Rekuperace chladu z ledové tříště Jak bylo uvedeno v začátku této prezentace, je významnou položkou zátěže ledové plochy její úprava rolbou a to běžně min 12krát denně. V principu z ledové plochy odebereme cca 57 kWh chladu na jednu úpravu a to ve formě ledové tříště a upravovanou plochu tepelně zatížíme mrznutím teplé vody nanešené rolbou na její povrch. Obvykle je ledová tříšť rozpouštěna odpadním teplem. Jedná se sice o úsporné řešení, ale ztrácíme: •hodnotné odpadní teplo o teplotě min 30 oC, které je možné využít lépe například pro odvhlčování; a)57 kWh chladu. Při vhodně provedeném systému rozpouštění ledové tříště ve sněžné jámě získáme ledovou vodu o teplotě cca +3 oC. Pomocí této ledové vody snížíme pomocí vhodně instalovaného výměníku tepla vlastní energii kapalného chladiva před vstupem do výparníku. O toto podchlazení dojde ke zvýšení chladicího výkonu zařízení bez nárůstu příkonu el.energie. Dochází k rekuperaci chladu. Oteplená voda z výměníku o teplotě +25 oC je využita ke sprchování ledové tříště a tím i jejímu rozpouštění.
Podchlazovače kapalného chladiva
Schéma rekuperace chladu se sněžnou jámou
Rekuperace vody vzniklé táním ledové tříště Roztáním ledové tříště pomocí předešlého principu získáme zpět vodu, kterou po jejím vyčištění od mechanických nečistot a jejím ohřátí opět využijeme pro úpravu ledové plochy. Voda je filtrována kaskádní sestavou sítových filtrů a pískového filtru. Po přefiltrování je voda ohřívána pomocí výměníku na teplotu 35 st.C odpadním teplem z chlazení a přímo plněna do rolby. Plnění rolby je realizováno pomocí impulsního vodoměru, který automaticky po stisku tlačítka provede naplnění vody do rolby v požadovaném množství. Tímto způsobem ušetříme cca 10 m3 vody denně, to představuje položku cca 600 kč za jeden den na jedné ledové ploše.
Technologie sněžné jámy
Automatické plnění vody do rolby
Požadavky na kvalitu vody pro tvorbu a udržování ledu Veškerá voda používaná pro tvorbu a udržování ledové plochy by měla splňovat tato kritétria: • tvrdost do 2 stupňů německé stupnice tvrdosti; • bez přítomnosti solí; • bez přítomnosti pevných částic způsobujících její zakalení. Obecně lze považovat za ideální vodu destilovanou - snadno mrzne. Avšak s ohledem na mechanickou zátěž ledové plochy je led z destilované vody nevhodný pro svoji štípavost za nižších teplot pod -5 oC. Pro pevnost a houževnatost ledu je zásadní počet tzv. krystalizačních jader ve vodě. Krystalizační jádro je pevná mikroskopická částice (nečistota) od které začíná růst krystal ledu. Čím větší množství krystalizačních jader voda obsahuje, tím větší množství malých krystalů s větší vzájemnou silovou vazbou se vytvoří. To znamená, že led bude pevnější a bude mít menší tendenci ke štípaní.
Fotografie z průběhu realizace:
Instalace rozdělovače a sběrače
a připojování smyček pro plochu
Fotografie z průběhu realizace:
Zakončení jednotlivých smyček
Celkový pohled na trubkovnici
Fotografie z průběhu realizace:
Detail připojení trubkovnice plastového systému na zdroj chladu
a následné zaizolování proti ztrátě chladu.
H+H TECHNIKA, spol. s r.o. Netušilova 20, 614 00 Brno Tel: +420 545 21 21 13 Fax: +420 545 57 81 17 IČO:49436686 DIČ:CZ49436686
www.hhtechnika.cz
[email protected]
CHTS spol. s r.o. V Mokřinách 8/283, 147 00 Praha 4, tel.: + 420 296 226 130, fax: + 420 296 226 140, e-mail:
[email protected]
