供冷管布置对冰场蒸发温度和冰面温度的影响.pdf

REFRIGERATION42文章编号：ISSN1005-9180（2 0 2 3）0 3-0 0 42-0 5No.3,2023(Vol.42Total No.164)供冷管布置对冰场蒸发温度和冰面温度的影响尹浩伊1，张派伟12，管铮 2，张振迎!2（1.华北理工大学建筑工程学院，河北唐山，0 6 32 10；2.唐山市建筑环境低碳营造重点实验，河北唐山，0 6 32 10）摘要】建立了直接蒸发式冰场稳态传热的模型，分析了冰场内部的温度分布和冰面温度分布，对供冷管管径、管距、冷管上端距离与冰场蒸发温度和冰面温度的对应关系进行了研究。结果表明：供冷管间距和冷管上端距离增加，所需蒸发温度降低，冰面温度升高；供冷管径增加，所需蒸发温度升高，冰面温度降低。【关键词冰场；传热；供冷管布置；蒸发温度；冰面温度中图分类号 TB61+2；G 8 6 2文献标志码 Adoi:10.3969/J.ISSN.1005-9180.2023.03.010Effect of Cooling Pipe Layout on Evaporation Temperatureand Ice Surface Temperature of Ice RinkYIN Haoyi 2,ZHANG Paiwei,CUAN Zheng,ZHANG Zhenying1，2(1.School of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China;2.Tangshan Key Laboratory of Low-Carbon Built Environment,Tangshan 063210,China)Abstract:The steady-state heat transfer model of direct evaporation ice rink is established,the temperature distributioninside the ice rink and the ice surface temperature distribution are analyzed,and the corresponding relationship betweenthe diameter of the cooling pipe,the cooling pipe spacing and the upper distance of the cooling pipe and the evaporationtemperature of the ice rink and the ice surface temperature is studied.The results show that with the increase of thecooling pipe spacing and the upper distance of the cooling pipe,the required evaporation temperature decreases and theice surface temperature increases.As the diameter of the cooling pipe increases,the required evaporation temperatureincreases and the temperature of the ice surface decreases.Key words:Ice Rink;Heat Transfer;Cooling Pipe Layout;Evaporation Temperature;Ice Surface Temperature2022年的北京冬奥会的成功举办预示着我国的冰雪产业将进入高速发展阶段。然而，冰场制冷系统的能耗是非常巨大的1。冰场的传热优化研究对于冰场优化设计以及减少能耗起到至关重要的作用。收稿日期：2 0 2 3-1-6基金项目：河北省省级科技计划资助项目（2 0 47 450 1D）；唐山市科技创新团队项目（2 1130 2 0 2 D）。作者简介：尹浩伊（19 9 8-），男，硕士研究生，主要研究方向：冰场制冷系统及传热。通讯作者：张振迎（19 7 9-），男，教授，博士，主要研究方向：制冷热泵循环及设备、建筑节能。E-mail：z h a n g z h e n y i n g n c s t.e d u.c n国内外学者对于冰场传热的研究有很多。1995年，Strand等【2 1通过试验的方法对冰场传热进行了研究。2 0 0 6 年，Bellache等3 开发了一个二维冰场空气流动的热质传递瞬态模型，并计算了稳态条件下的散热量。2 0 0 7 年，Somrania等42023年9 月第3期（第42 卷总16 4期）通过隐式有限差分法建立了冰场传热模型，并通过该模型研究各种设计条件对于冰场热性能的影响。2 0 15年，Mun等5 通过控制成本和生命周期的算法，分别得出美国3个不同气候地区的热年耗电量、经济成本的关系，从而选择最佳保温层厚度。2 0 2 1年，林乐锋等【6 利用一种神经网络模型对冰层表面以及冰场冷水机组进行了模拟，发现可以通过其运算的结果来自动调节机组温度，满足冰场不同用途时所需冰面的要求。同年张振雯等7 通过回顾人工冰场的发展历史来分析CO,制冷技术的原理和优缺点，并对CO,制冷系统在未来的发展进行了展望。目前对直接蒸发式冰场传热优化研究较少。本文主要分析了冰场内部的温度分布和冰面温度分布，对供冷管管径、管距、冷管上端距离与冰场蒸发温度和冰面温度的对应关系进行了研究，以期对未来冰场建设提供参考。1模型建立本文建立的直接蒸发式冰场结构传热模型如图1所示。包括面层、基层和防冻层：其中面层采用钢筋混凝土；基层由保护层、滑动层、防水层和隔气层构成；防冻层采用夯填沙层内置pe热水管的方式。冰面温度要求为-5-7 8 ,O十30 mm冰层供冷排管170mmix筋问淀10 0 mm混凝土层0.2mm滑动一7mm沥青，0.2mm气层，0.25mm防潮层由于冰场运行时大多数时间处于稳态，所以对三维冰场模型进行稳态条件下的模拟。1）模型左右边界设置为绝热边界条件。2）模型上边界采用第二类边界条件，冰面热流通过文献得到，不同季节取值如表1所示9】3）冷管和防冻管采用第一类边界条件，即管壁温恒定。4）模型下部土壤边界：当深度超过10 m时，同一地区四季的土壤温度变化很小，可以视为常数；本文土壤边界采用地下10 米处温度，取1310 制冷默认条件：冰层厚30 mm、制冷管外径20mm、制冷管管心间距10 0 mm、冷管上端距离混凝土层上表面30 mm、将制冷管内蒸发温度设为定值，取-18，防冻管外径2 5mm、防冻管15，后续所提到的默认条均以此为准。表1不同季节所对应的冰面负荷季节夏季负荷(W/m)374.192冰场温度分布在默认条件下对模型进行模拟，季节选择过渡季、制冷管温度取-18。过渡季的冰场温度云图如图2 所示。可以看出，冷管表面的温度最低，冷管的冷量用来维持冰面的冷负荷，而防冻管的温度最高，产生的热量用来避免底部发生冻胀而破环结构；保温层上端与下端温差较大，因为聚苯板导热系数较低，所以保温管的温度对保温板上层的冰场结构影响很小。_50mm保护层图2 冰场温度云图150mm保护层由于制冷管布置的原因，冰面的温差是一定-75mm沙层存在的。冰面温度的均匀性决定了冰面整体的质地基量。本文中用不均匀性温差最值来表示冰面温度的均匀性。不均匀性温差最值指的是，在冰面沿图1冰场结构层着垂直于制冷管排列的X方向每两根制冷管间温度的最大值与最小值的差值。其中过渡季冰面温度分布图见下图3。-6.555.90F-5.95-6.05-6.10F6.15图3过渡季冰面温度分布图43过渡季冬季291.50223.43Temperaturet1512963-369121518200400X/R00REFRIGERATION443供冷管参数对传热的影响3.1供冷管间距的影响冰场供冷管道的布置对冰场的制冷效果有一定影响。在满足冰面温度-6 条件时，模拟得到不同冰面负荷下制冷管管距对蒸发温度的影响，如图4所示。在管距相同时，冰面热流越大，所需的蒸发温度越低。当冰面热流从10 0 W/m增加到500W/m时，8 0 mm供冷管距所对应的蒸发温度从-9.8降低到-2 4.8，热流每增加50 W/m所对应蒸发温度降低约1.9。在单位面积冷负荷相同时，管距越大，所需的蒸发温度越低，且不同管距所对应的蒸发温度的差值随着冰面热流的增大而增大，冰面热流为2 0 0 W/m时，冷管管距增加10mm，蒸发温度约降低0.32；冰面热流为40 0W/m时，冷管管距增加10 mm，蒸发温度约降低0.61。因为在其他条件不变时，冷管间距的增加导致了冷管数量的减少，即冷管的传热面积减少，在相同的冰场负荷需求下，冷管负荷变大，为了维持相同冰面温度必然需要更低的蒸发温度。80管距-890管库一10 0 管距-10110管距120管距-12-14-16-181数-2 0燕2 2 1-2426-283050100150200250300350400450500550图4不同供冷管距时冰面热流对应的系统的蒸发温度不同季节冷管管距对冰面温度的影响如图5所示。可以看出随着冷管管距的增加，冰面温度上升，不同季节下冷管管距对冰面温度影响的趋势一致，但是夏季的冰面温度上升幅度较大。冷管管距每增加10 mm，在夏季，冰面温度会增加约0.56；过渡季，冰面温度会增加约0.44；在冬季，冰面温度会增加约0.34。这是因为相比于冬季和过渡季，夏季的冰面负荷较大，对应冷管热流密度也会更大，相同蒸发温度下，对应的冰面温度会降低。No.3,2023(Vol.42Total No.164)夏季-4.571过渡季-5.05.5-6.06.5-7.0-7.5-80图5供冷管管距对冰面温度的影响3.2供冷管管径的影响在满足冰面温度-6 时，模拟得到了不同冰面负荷下供冷管管径对蒸发温度的影响，如图6 所示。可以看出，冰面热流越大，所需的蒸发温度越低。冰面热流相同时，管径越小，所需的蒸发温度越低，且不同管径所对应的蒸发温度的差值随着冰面热流的增大而增大，冰面热流为2 0 0W/m时，冷管管径增加2 mm，蒸发温度约升高0.24；冰面热流为40 0 W/m时，冷管管径增加2mm，蒸发温度约升高0.46。这是因为其他条件不变时，冷管管径增大导致了冷管的表面积增大，在相同的冰场负荷需求下，冷管负荷变小，为了维持相同冰面温度需要更高的蒸发温度。16管价一18 管径-820营径-10一2 2 管径+24管径-121-14-22冰面热流W/m-24-26-28150100150200250300350100150500550图6 不同供冷管径时冰面热流对应的系统的蒸发温度不同季节冷管管径对冰面温度的影响如图7 所示。可以看出随着供冷管管径的增加，冰面温度下降，不同季节下冷管管径对冰面温度影响的趋势一致，但是夏季的冰面温度变化幅度较大。冷管管径每增加2 mm，在夏季，冰面温度会降低约0.43；过渡季，冰面温度会降低约0.34；在冬季，冰面温度会降低约0.2 6。这是因为相比于冬季，夏季的冰面热负荷更大，对应冷管热流密度也会更大，因此在保持蒸发温度不变时所对90冰面热流W/m100管所mm1101202023年9 月第3期（第42 卷总16 4期）应的冰面温度会降低。-5.05.56.06.5-7.0-16图7 供冷管管径对冰面温度的影响3.3供冷管上方距离的影响供冷管在混凝土层的位置会对冰场的传热有一定的影响。在满足冰场的结构的基础上，对混凝土层中的供冷管位置进行了改变，即混凝土层的总厚度不变，将供冷管的位置向上移动，在满足冰面温度-6 时，不同供冷管上端距离对蒸发温度的影响如图8 所示。可以看出在冰面热流相同时，冷管上端距离越大，所需的蒸发温度越低，且不同冷管上端距离所对应的蒸发温度的差值随着冰面热流的增大而增大。冰面热流为2 0 0W/m时，冷管上端距离增加2 mm，蒸发温度约降低0.2 3；冰面热流为40 0 W/m时，冷管上端距离增加2 mm，蒸发温度约降低0.46。因为其他条件不变时，冷管上端距离增大导致了冷管与冰面之间的热阻会变大，为满足冰面的热流密度，维持冰面温度的前提下所需要的冷管蒸发温度自然降低了。-81-10-121-14O-16J恭2 2-241-26-28-3050100150200250300350400450500550图8 不同供冷管上端距离时系统的蒸发温度供冷管上端距离对冰面温度的影响如图9 所示。可以看出，随着供冷管上方距离的增加，冰面温度逐渐升高，冷管上方距离每增加2 mm，在夏季，冰面温度会增加约0.44；过渡季，冰面制冷温度会增加约0.33；在冬季，冰面温度会增加夏季约0.2 6。这是因为冷管的热流密度来自冰面的过渡季一冬季1820管径mm冰面热流网/45热流量、防冻管和土壤中的热流量，由于控制蒸发温度不变，冰面热流密度不变，冷管的数量不变，所以来自冷管上方的热流密度是不变的，但是防冻管的边界条件为固定温度15，而随着冷管上方的距离的增加时，导致防冻管与冷管之间的换热增加，所以冷管来自下方的热流量会增加，综合作用下，冷管的热流密度会增加，但是222428上端距30上端距一332上端距34上端一36 上端距增大比例特别小，在蒸发温度不变的前提下冰面温度必然升高。-4.51-5.0-5.5-6.0-6.5图9 供冷管上端距离对冰面温度的影响4结论本文对冰场结构参数对冷管蒸发温度和冰面温度的影响进行了研究，得出以下结论：（1）随着供冷管间距的增加，所需蒸发温度降低，冰面温度升高；冷管管距增加10 mm，所需蒸发温度降低0.32-0.6 1，冰面温度会增加约0.34-0.56。（2）随着供冷管径的增加，所需蒸发温度升高，冰面温度降低。冷管管径增加2 mm，所需蒸发温度约升高0.2 4-0.46，冰面温度降低约0.2 6-0.43 。（3）随着冷管上端距离的增加，所需蒸发温度降低，冰面温度升高。冷管上方距离每增加2mm，所需蒸发温度约降低0.2 3-0.46，冰面温度增加约0.2 6-0.44。参考文献：1张振迎等.采用自然工质的冰场制冷系统性能分析J低温与超导,2 0 2 2,50(0 4)：51-57.2 STRAND,KARL R.Heat source transfer functions and一夏季过渡季一冬季2830管上端距mm323436REFRIGERATION46their application to low temperature radiant heatingsystems D .Illinois:University of Ilinois at Urbana-Champaign.1995.3 BELLACHE O,GALANIS N,OUZZANE M.Two-Dimensional Transient Model of Airflow and Heat Transfer in IceRinks J.ASHRAE Transactions,2006,112(2):518-525.4 SOMRANI R,MUN J,KRARTI M.Heat transfer beneathice-rink floors J Building and Environment,2007,43(10):1687-1698.5 MUN J,KRARTI M.Optimal insulation for ice rink floors J.Energy and Buildings,2015(108):358-364.6 林乐锋.基于BP神经网络的人工冰场低温冷水机组预测控制算法J】.制冷与空调，2 0 2 1,2 1(0 4)：9 1-9 4.7 张振雯等.CO,制冷技术在人工冰场中的应用现状J】.制冷,2 0 2 1,40(0 2):2 8-33.【8 陆耀庆.实用供热空调设计手册M.北京：中国建筑工业出版社，19 9 3.9 王斌.以CO,为冷剂的人工冰场制冷系统应用研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 18.10 J ZHANG Z,WANG S,YANG M,et al.Parametric Evaluationof Cooling Pipe in Direct Evaporation Artificial Ice Rink.Energies.2022;15(21):7989.11刘西.以CO,为冷剂的冰场传热及制冷系统的研究D，唐山：华北理工大学，2 0 2 1.No.3,2023(Vol.42Total No.164)【6】张柯等.基于热环境评价指标的数据中心冷热通道隔离CFD模拟研究J，暖通空调2 0 2 2.52(S1)，2 8 9-2947 王福军.计算流体动力学分析一CFD软件原理与应用M.北京：清华大学出版社，2 0 0 4.8 冯薇，刘臣厚.采用CFD技术对某实验楼室内自然通风进行模拟分析研究J.中国设备工程，2 0 2 1,第24期,2 10-2 13【9 中国建筑科学研究院公共建筑节能设计标准GB50189-2015.北京：中国建筑工业出版，2 0 1510 北京市建筑设计研究院.体育建筑设计规范JGJ31-2003S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 3（上续第37 页）4结语本项目采用上送下回空调送风形式，通过合理布置送风，可以满足体育场馆对室内温度和风速的要求。通过CFD模拟，可以清晰反映出整个场馆内各处温度场和气流情况，为设计的合理性和可行性提供保证。参考文献：1周子芥.高层建筑通风模拟验证Fluent软件可信J绿色环保建材，2 0 2 0,第12 期，16 4-16 52 于涛等.基于CFD模拟的某危废综合处置厂房关键部位通风系统优化研究及设计应用J工程建设与设计,2 0 2 1(S1),134-1393林亚宏等.CFD模拟在某游泳馆通风空调设计中的应用J】.建筑热能通风空调，2 0 0 4,第5期，0 49-0 524刘锋等.某博物馆高大空间气流组织及节能设计研究J】.青岛理工大学学报，2 0 2 0,第4期，0 7 2-0 8 05刘晓东等.不同形态教学建筑通风环境研究J.建筑科学,2 0 19,第10 期,0 10-0 16