Reklama

Teplotní chování ledové plochy a temperovaného podloží na zimním stadionu

Vliv temperování podloží zimního stadionu na energetickou spotřebu

Ing. Vladimíra Linhartová, Ph.D., doc. Ing. Ondřej Šikula, Ph.D.

Recenzovaný

Dlouhodobým chlazením ledové plochy zimního stadionu může dojít ke zmrazení podloží, vyboulení aj. Temperování podloží slouží jako prevence. Předmětem článku je analýza a vyhodnocení tepelného toku z temperování v závislosti na teplotách temperovací kapaliny a tloušťce tepelné izolace.

Reklama

Úvod

Předmětem článku je analýza průběhu teplot ve skladbě konstrukce mezi registrem chlazení ledové plochy a vrstvou temperování podloží pod ledovou plochou na zimním stadionu. Ze systému měření a regulace, který je využíván na zimním stadionu, byly využity teploty ledu, teploty temperovací kapaliny a teplota na čidle v podloží. Zjištěné hodnoty sloužily ke kalibraci modelu v programu CalA [1]. Z výsledků modelované skladby uvedené konstrukce je patrné, že část tepelného toku z vrstvy temperování prochází do vrstvy chlazení a zvyšuje tak tepelnou zátěž odváděnou systémem chlazení. Jedním z cílů článku je návrh na snížení tepelné zátěže na zastřešenou ledovou plochu a snížit tak potřebu energie na chlazení.

1. Skladba konstrukce

1.1. Popis řešené skladby konstrukce

Skladba konstrukce na zimním stadionu, která je předmětem tohoto článku, je podrobně zobrazena na obrázku 1. Popis obrázku:

Tloušťka ledu je 30 mm.
Ocelové potrubí chlazení průměru 22 mm je zabudováno v betonové roznášecí desce tloušťky 100 mm.
Osová vzdálenost mezi potrubím chlazení je 100 mm.
Vrstva tepelné izolace je z extrudovaného polystyrenu tloušťky 150 mm.
Plastové potrubí temperování podloží o průměru 20 mm je zabudováno v betonové desce tloušťky 100 mm. Osová vzdálenost potrubí temperování je 300 mm.

1.2. Teplotní čidla

Obr. 1 Schéma skladby konstrukce – řez

Na horním povrchu betonové desky s potrubím chlazení je osazeno čidlo pro měření teploty ledové plochy, na obrázku 1 je označeno písmenem A. V ploše jsou osazena čtyři čidla a hodnocená teplota je průměrem všech naměřených hodnot. Teplota betonové desky je regulovanou veličinou v závislosti na teplotách naměřených těmito čidly.

Čidlo teploty zeminy v podloží je osazeno cca 1000 mm pod betonovou deskou s potrubím temperování; na obrázku 1 je označeno písmenem B. Teplota zeminy je regulovanou a sledovanou veličinou čidlem B.

Rozhraní materiálů je označeno:

BOD 1 – místo betonové konstrukce s potrubím chlazení a tepelnou izolací,
BOD 2 – rozhraní tepelné izolace a betonové konstrukce s potrubím temperování,
BOD 3 – kritický bod pro vyhodnocení největšího rizika zamrznutí podloží.

2. Tepelná zátěž na led uvažovaná v simulaci

Obr. 2 Schématický řez haly s ledovou plochou a vyznačení tepelné zátěže na led

Tepelná zátěž na ledovou plochu působí vedením, prouděním a sáláním; jednotlivé složky tepelné zátěže jsou schematicky zakresleny na obr. 2.

Prouděním (konvekcí) působí vzduch na led v hale v závislosti na své teplotě a vlhkosti.

Sálání ze střešní konstrukce a také od instalovaného osvětlení společně tvoří část tepelné zátěže radiací.

Tepelná zátěž vedením (kondukcí) je způsobena prostupem tepla ze souvrství temperování, tepelnými zisky od sportovců na ledu dle [2] a tepelnou zátěž přináší rolba v intervalech, kdy je led upravován (o přestávkách nebo mezi zápasy; uvažovaná délka úpravy ledové plochy je 15 minut).

3. Teploty zjištěné in situ

Obr. 3 Průběh teploty vody na přívodu a zpátečce, hodnoty z čidla temperování B ze dne 10. 1. 2015

V grafu na obrázku 3 jsou průběhy teploty kapaliny na přívodu a zpátečce potrubí temperování podloží měřené na rozdělovači a sběrači. Modrá křivka je naměřená teplota čidlem B v podloží. Veškeré hodnoty jsou ze dne 10. 1. 2015.

Teplota na čidle B v podloží se pohybuje od 4,3 do 5,6 °C. Teplota vody pro temperování na přívodu osciluje mezi 15,5 až 25 °C. Průměrná teplota byla stanovena z dat pro celý měsíc leden 2015 a její hodnota je 22,8 °C. Teplota na vratném potrubí je 6 až 20 °C, průměrná hodnota 16 °C (stanovena z dat pro celý měsíc leden 2015). Průměrný teplotní spád mezi přívodem a zpátečkou je 6,8 K.

3.1. Stručný popis chladicího oběhu

Kapalinou pro temperování podloží je upravená voda, která je ohřívána latentním teplem kondenzace chladiva odebíraným vloženým deskovým výměníkem do čpavkového chladicího oběhu. Maximální možný chladicí výkon chladicích strojů pro obě dvě plochy je 882 kW pro výpočetní jmenovitý stav o teplotě vypařovací −12 °C a teplotě kondenzační 35 °C; viz schéma na obrázku 7. Chladicí stroje připraví plochu s ledem o požadované teplotě za 24 hodin. Po tom, co je ledová plocha vytvořena, provozovatel umožňuje noční útlumy chlazení, kdy se teplota ledu zvýší o 1 °C.

3.2. Tvorba ledové plochy na začátku sezony

Postup tvorby ledové plochy probíhal následovně:

Po očištění betonové desky byly spuštěny všechny chladicí stroje na maximální výkon, dokud beton nedosáhl teplot −4 až −5 °C.
Poté byly nanášeny hadicemi vrstvy vody tloušťky 5 mm, které na betonu postupně zamrzaly.
Druhá vrstva ledu byla natřena na bílou barvu, aby na ploše vynikl puk, čáry a ostatní nápisy; pak následovala další vrstva vody. Nátěr betonu na bílou barvu před nanášením vody se neosvědčil, protože barva oprýskala.
Poté bylo možné na led připravit lajny a reklamy.
Nakonec byly doplněny dvě vrstvy vody až do požadované finální tloušťky ledu; první vrstva tloušťky 5 mm a poslední vrstva tloušťky 10 mm. Celková tloušťka ledu je 30 mm.

Průběhy teplot během tvorby ledové plochy na začátku sezóny byly využity pro kalibraci modelu, podrobněji popsáno v [4].

4. Popis výpočetního modelu v programu CalA

Obr. 4 Schéma výpočetního modelu šířky 150 mm

Souvrství konstrukce ledové plochy bylo modelováno v programu CalA [1].

Vzhledem k osové vzdálenosti potrubí temperování 300 mm, byla zvolena šířka modelu 150 mm. Diskreditace výpočetní sítě modelu byla 2×2 mm. Schéma modelu je na obrázku 4.

V tabulce 1 jsou uvedeny tepelně technické vlastnosti použitých materiálů. Změna skupenství vody na led byla definována třemi proměnnými parametry závislými na teplotě tekutiny (tepelná vodivost, hustota, měrná tepelná kapacita) jejichž hodnoty jsou uvedeny v [4].

Tab. 1 Tepelně technické vlastnosti materiálů
Materiál	Tepelná vodivost `λ` [W.m⁻¹.K⁻¹]	Hustota `ϱ` [kg.m⁻³]	Měrná tepelná kapacita `c` [J.kg⁻¹.K⁻¹]
Tepelná izolace	0,035	33	2060
Beton	1,23	2100	1020
Zemina	1,4	1800	600
Vzduch v hale	1000	1,2	1010
Voda – led	Proměnná v závislosti na teplotě	Proměnná v závislosti na teplotě	Proměnná v závislosti na teplotě

V simulaci je uvažováno, že chlazení a temperování je v provozu vždy současně, a to v období od července do konce dubna, zbytek roku není ledová vrstva udržována. Teplota vzduchu v hale je udržována konstantní systémem řízeného větrání s odvlhčováním na hodnotě 10 °C.

Obr. 5 Detail výpočetní sítě a zavedené okrajové podmínky

Modelovaná konstrukce a okrajové podmínky na povrchu budoucího ledu (na začátku simulace je zde voda) jsou graficky znázorněny na obrázku 5.

4.1. Vrstva „A“

Bezprostředně na vodní hladině je zaveden vnitřní zdroj tepla, který nahrazuje vliv tepelného toku odparem během zmrazování vody. Tento zdroj je zaveden v simulaci jen během změny skupenství. Na obrázku 5 označeno: Vrstva „A“.

4.2. Vrstva „B“

V modelu je vytvořena vrstva, která simuluje koeficient přenosu tepla konvekcí (tepelné zisky prouděním) a tepelné zisky sáláním ze střešní konstrukce (souvisí s emisivitou povrchu střechy). Na obrázku 5 označeno: Vrstva „B“.

4.3. Vrstva „C“

Následuje vrstva, která představuje vzduch v hale a tepelné zisky na ledovou plochu, tzn. zisk z úpravy ledové plochy rolbou, od osob, vzdušné vlhkosti, osvětlení. Teplota suchého teploměru vzduchu v hale je zadána 10 °C; v měsících, kdy není udržována ledová plocha (duben, květen, červen) je teplota vzduchu v hale stejná jako venkovní teplota. Tepelné zátěže jsou modelovány podle harmonogramu obsazenosti a požadované intenzity osvětlení hodnotami [W.m⁻²]. Na obrázku 5 je tato zátěž označena: Vrstva „C“.

4.4. Vrstva „D“

Jako čtvrtá je zavedena podmínka zohledňující distribuci přiváděného vzduchu do haly, schopnost promíchání proudů vzduchu a také teplotní vliv přívodního vzduchu na průměrnou teplotu v hale. Okrajová podmínka je definována součinitelem přestupu tepla ze vzduchové vrstvy na led a teplotou tohoto přívodního vzduchu. Okamžitá teplota vzduchu nad ledovou plochou je ovlivněna i teplotou ledové plochy a vnitřními tepelnými zisky v hale. Na obrázku 5 je tato podmínka označena: Okrajová podmínka „D“. Se zvyšující se rychlostí proudění vzduchu nad vodní hladinou se přestup tepla zvyšuje. Pokud je rychlost proudění vzduchu kolem budoucí ledové plochy nízká, je odpor při přestupu tepla vyšší. Rychlost proudění vzduchu a tudíž součinitel přestupu tepla mají velký vliv na rychlost zamrzání vodní hladiny [3].

Do simulace byla použita teplota neovlivněné zeminy v hloubce 100 m pod povrchem o teplotě 10,96 °C [4].

5. Vyhodnocení výsledků simulace – průběh teplot v konstrukci

Simulace byly provedeny pro skladbu konstrukce uvedenou na obrázku 1 včetně vrstvy zeminy do hloubky 1 m. Bod 3 byl zvolen pro vyhodnocení jako nejkritičtější bod z hlediska začátku zamrzání podloží.

Konstrukce byla pro porovnání výsledků modelována i bez potrubí temperování v betonu.

Bod 3 v souvrství bez temperování dosáhne teploty −0,1 °C po 61 dnech chlazení. Chlazení je v provozu bez přestávek a vypařovací teplota chladiva je konstantní −10 °C.

Průběh teplot v bodě 3 reálné konstrukce s instalovaným potrubím aktivace podloží se pohybují v rozmezí od 20,6 do 23,4 °C v závislosti na teplotě temperovací vody.

Obr. 6 Charakteristické vertikální rozložení teploty t [°C] a měrného tepelného toku [J.s⁻¹.m⁻²] při nestacionárním chování a teplotách temperovacího média zjištěných in situ

Je potvrzeno, že instalací potrubí temperování podloží zde teplota neklesá a závisí na teplotě temperovacího média. Pokud je v bodě 3 teplota nad bodem mrazu, předpokládá se, že v celé konstrukci je teplota vyhovující.

Na obrázku 6 jsou průběhy teploty a měrného tepelného toku v řezu konstrukce po 8 dnech provozu. Teploty temperovací vody viz obrázek 3. Z výsledků je patrné, že podloží je ohříváno na teploty vyšší, než je nutné jako prevence proti promrzání podloží.

Charakteristické vertikální rozložení teploty a měrného tepelného toku na obrázcích 6 a 7 je zobrazeno pro zadané materiály v konstrukci (beton, zemina, tepelná izolace, voda/ led). V oblasti uvnitř potrubí temperování a potrubí chlazení nejsou tyto hodnoty programem zobrazovány. Barva potrubí v modelu je zadána dobře viditelnou kontrastní barvou.

6. Průběh teplot v konstrukci po změně teploty přívodní kapaliny do okruhu temperování

Na základě výsledků předchozích simulací je v této kapitole zjišťován vliv snížení teploty temperovacího média.

6.1. Zdroj tepla pro temperování podloží

Využití latentního tepla kondenzace chladiva z chladicího oběhu je řešeno tak, že voda z příslušné akumulační nádrže bez ohřevu nebo ochlazení proudí do potrubí temperování. Teplota vody pro temperování podloží závisí na aktuální kondenzační teplotě v chladicím oběhu.

V dalším textu je posouzen jiný, odlišný koncept chladicího oběhu a využití tepla pro temperování podloží. Návrh spočívá v tom, že do chladicího oběhu by byl zaražen dochlazovač kapalného chladiva, za kterým jsou teploty chladiva nižší než v předchozím případě. V následujících výpočtech jsou uvažovány teploty vody pro temperování podloží 9 až 15 °C.

Stávající schéma zapojení chladicího oběhu a návrh na nový systém zapojení je uveden na obrázku 7.

Obr. 7 Stávající schéma zapojení v chladicím oběhu a návrh na nové zapojení s dochlazovačem

6.2. Vyhodnocení teplot v konstrukci s nižšími teplotami vody k temperování

Obr. 8 Charakteristické vertikální rozložení teploty t [°C] a měrného tepelného toku [J.s⁻¹.m⁻²] při nestacionárním chování a teplotách temperovacího média vypočtených za dochlazovačem (9 až 15 °C)

Popsaná skladba konstrukce byla modelována s nižšími teplotami temperovací kapaliny (tedy 9 až 15 °C), ostatní parametry modelu zůstaly zachovány. Na obrázku 8 jsou průběhy teploty a měrného tepelného toku v řezu konstrukce po 8 dnech provozu. Výsledky potvrzují razantní snížení teploty i tepelného toku z vrstvy temperování vzhůru k tepelné izolaci a ledu. Průměrná teplota po 360 hodinách simulace se v bodě 2, po snížení teploty temperovací vody, sníží z 21,9 °C na 10,2 °C, tj. o 11,7 °C.

7. Tepelná zátěž na ledovou plochu od systému temperování podloží

V této kapitole je řešen dopad teplotní hladiny temperovací kapaliny na tepelnou zátěž ledové plochy (resp. roční množství energie) vedením od temperování. Simulací byla prověřena daná konstrukce s tloušťkou tepelné izolace 150 mm pro několik teplot přívodního média do potrubí.

Obr. 9 Množství energie [kWh.rok⁻¹] předané na ledovou plochu od temperování pro variantní tloušťku tepelné izolace a variantní teploty temperovací vody

V grafu na obrázku 9 jsou výsledky výpočtu ročního množství energie [kWh.rok⁻¹] předané z temperovací vrstvy do ledové plochy. Pro tloušťku izolace 150 mm je proveden výpočet množství energie pro měřené teploty na přívodu 20 až 25 °C, pro teploty 9 až 15 °C (po zařazení dochlazovače do chladicího oběhu) a pro zvolené konstantní hodnoty teploty vody 10, 5 a 1 °C.

Vliv tloušťky tepelné izolace v konstrukci oddělující vrstvu temperování a chlazení byl simulován jen pro teploty média pro temperování zjištěné měřením in situ (20 až 25 °C) – obrázek 9.

7.1. Vyhodnocení

V případě snížení teploty přívodního temperovacího média na hodnoty v intervalu od 9 do 15 °C by byla snížena část posuzované tepelné zátěže od temperování (ročního množství energie) až o 35 %. V případě teploty přívodní vody 5 °C by toto snížení bylo až o 55 % ve srovnání s referenčními teplotami přívodní vody 20 až 25 °C. Uvedené hodnoty platí pro ledové hřiště plochy 1500 m².

Snížením teploty temperovací vody se sníží podíl řešené složky tepelné zátěže od temperování na ledovou plochu. Snížením teploty temperovací vody se sníží doba chodu zdroje chladu; viz tabulka 2.

Tab. 2 Snížení doby chodu zdroje chladu vzhledem k hodnoceným teplotám temperovací vody
Teplota temperovací vody [°C]	Snížení doby chodu zdroje chladu [%]
9 až 15	2,1
10	2,6
5	3,4
1	4,2

Technicky lze k temperování podloží využít i nemrznoucí směsi o teplotách do 1 °C, které zajistí nadnulové teploty v podloží. Toto řešení nezahrnuje využití odpadního tepla z chladicího oběhu, a proto není podrobněji analyzováno. Temperovací médium by bylo nutné dochladit např. studenou vodou ze sněžné jámy.

Pozn.: Sněžná jáma slouží k shromažďování a postupnému odtávání ledové tříště, kterou rolba odřízne z ledové plochy během úpravy ledu.

8. Závěr

Předmětem hodnocení konstrukce bylo posoudit vliv systému temperování podloží pod ledovou plochou na zimním stadionu. Tepelný tok, který projde tepelnou izolací oddělující chladicí a temperovací vrstvu, ovlivňuje složku tepelné zátěže na ledovou plochu vedením. Simulací byla zjištěna velikost tepelného toku a směry toku tepla v dané konstrukci.

Výsledky simulace ukazují, že stávající provozní teploty temperovacího média v objektu způsobují navýšení tepelné zátěže na ledovou plochu a vytápí podloží na vyšší teploty než je nutné.

Jako opatření proti přetápění podloží bylo stávající řešení porovnáno s alternativou, kdy by byl do chladicího oběhu za kondenzátor zapojen dochlazovač chladiva. Za dochlazovačem jsou teploty kapalného chladiva, které je zdrojem tepla pro temperování, nižší.

Vedlejším přínosem tohoto opatření je dodávka maximálně sytého chladiva k expanznímu ventilu a zvýšení hospodárnosti chladicího oběhu.

Uvedené opatření (s dochlazovačem chladiva) umožní snížit tepelnou zátěž na ledovou plochu s využitím minimálních investičních nákladů. Pokud je snížena tepelná zátěž, jako důsledek dojde ke snížení provozních hodin chladicích strojů.

Dalším možným opatřením pro snížení teploty vody k temperování podloží je doplnění trojcestného ventilu do okruhu (mezi akumulační zásobník a výměník). Jedná se o řešení jednodušší na provedení ve stávajícím systému, nevýhodou je limitovaná možnost regulace teploty vody v případě, když při malém odběru tepla z akumulační nádrže bude nádrž plná vody o stejné teplotě.

Vzhledem k mírnějším zimám v posledních letech příležitostí k využití venkovního přírodního kluziště ubývá. Lze předpokládat, že zájem o nová zastřešená kluziště se bude zvyšovat, a to i v menších městech, která mají menší rozpočet. Výši provozních nákladů zimního stadionu je nutné zohledňovat již v projekční fázi návrhu objektu.

Použité zdroje

ŠIKULA, O. PLÁŠEK, J. 2015/10/05. Software CalA 4.0 (Calculation Area). version 4.0 Education. DOI: 10.13140/RG.2.1.1501.7689.
OWEN, M. S. HEATHER E. KENNEDY. 2009. 2009 ASHRAE handbook: fundamentals. SI ed. Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigeration, and Air-Conditioning Engineers. ISBN 19-337-4255-0.
MICHEJEV, M. A. Základy sdílení tepla. Přeložil ing. Dr. N. Gorbatov. Průmyslové vydavatelství. Knižnice energetického průmyslu. Svazek 9. Praha 1952. 384 stran.
Linhartová, V. Šikula, O. Jelínek, V. Simulace teplotního chování konstrukce s ledovou plochou. Větrání Vytápění Instalace 4/2019. s. 162–167.

English Synopsis

Thermal behaviour of ice rink and heated sub-soil in the ice arena

Due to long term cooling of the ice ring it may happen that subsoil was affected, bulged and consequently nonreturnable destroyed in case the structure was built on high-risk soil. Sub-soil heating system was tended to be prevention of undercooling and step-by-step freezing of subsoil. Purpose of the paper is evaluation of heat flow in the structure depending on heating fluid temperature and thermal insulation thickness.