空调在室内滑雪环境中的作用

空调在室内滑雪环境中的作用为适合不同人群的需要，设置了两条滑雪道，其中高级道全长250m,初级道全长160m, 逐段有不同的坡度，分别为17和11.高低落差60m，建筑的最高点高545m，顶部宽24m， 底部宽80m.滑雪区的中部设置提升缆车，两侧设置排水沟。配电室、制冷机房等设备用房 位于滑雪区坡道下。屋顶为单拱钢结构，外敷设冷库板，在拱两侧的最低点设置雨水沟。滑 雪馆能同时容纳500人。服务区主要为附属用房，如租赁雪具、更换滑雪服的房间及部分餐饮、洗浴、娱乐用房， 该部分采用风机盘管加新风的空调方式，其冷热源及空调系统与滑雪区相对独立，在此不作 赘述。2 主要设计参数 2.1 室内设计参数我国现有的设计规范及暖通、空调、制冷手册尚未提 及对滑雪馆内设计参数的要求，在确定室内设计参数时，既要考虑满足人体舒适要求，又要 考虑节能运行，借鉴国外多个滑雪馆的设计运行状况和经验，同时结合本滑雪馆的建筑构造、 空调形式、造雪方式等特点，将室内设计参数确定如下。滑雪馆全年营业期间（10：000：00）室内温度为-3，相对湿度为 6080，新风量为 25m3/ （人h）；造雪及雪场维护期间（0： 0010： 00）室内温度为-3。2.2室外设计参数北京地区室外设计计算参数，参照冷库设计规范，计算滑雪馆围 护结构热流时采用夏季空调计算日平均温度。3 围护结构做法围护结构的性能对滑雪馆能否经济运行起着至关重要的影响，是设计时 应重点考虑的问题之一。国外有的滑雪馆采用双层围护结构，并在顶部设置风机，将传入夹 层的热量用风机排走。这种做法施工工艺复杂，风机常年运转能耗大，同时要占用滑雪区的 部分面积。目前保温隔热技术已日趋成熟且保温材料性能得到了不断改进，本工程采用了单 层围护结构，其传热系数能达到甚至优于某些双层围护结构的保温隔热性能。3.1 外墙及屋顶外墙面积在整个围护结构中所占比例较大，因而其保温性能对滑雪馆冷 负荷的影响很大。外墙采用带镀锌钢板面层的保温复合板，保温材料为挤塑板。保温层的厚 度在满足最小传热阻的基础上，通过比较其初投资和日常运行费用的大小来确定。同时在保温板的固定、拼接方面避免冷桥的出现。此外，埋在地下和土壤接触的滑雪馆 外围护结构部分，在保温层外增设了防潮层。屋顶还要考虑太阳辐射和防潮隔汽方面的问题，具体做法为在保温复合板的外侧增设了 岩棉保温层和防潮层。此外外墙和屋顶外表面均为金属本色，增强对太阳光的反射。3.2滑雪道（含架空地板和保温地面）设计滑雪道时希望雪层下部分冰雪缓慢自然融化 更新，即雪层表面的温度为-3，而底部的温度为0左右，此外，架空部分雪道的外表面不能 结露。对于埋在地下的雪道来说，因为雪层底部的最低温度为0左右，不存在像滑冰场或 冷库底板下部土壤冻结的现象，因此该部分雪道可不做架空层，用于土壤防冻的卵石层也可 适当减薄。为满足各部分温度的要求，笔者通过计算得到了所需保温层的厚度（如和所示，现场发 泡聚氨酯导热系数小于003W/（mK）。雪道板倾角为11,室外风速为125m/s时，外表 面的表面传热系数为7511W/（m2K），在计算时取为8W/（m2K）。通过计算发现，雪道 板下表面的表面传热系数只要大于4W/（m2K），全年就不存在结露问题。埋地部分雪道和架空部分雪道的结构分别和。为了使冰雪自然融化的水通过滑雪馆两侧的水沟有组织地排走，雪道上每隔15m设置 一条人字形的斜沟，其高度不超过建筑面层，而两侧较大的水沟下不保温，形成热桥，这种 被动式的融雪方式可使雪水自然地排走，而不致冻结。3.3 与服务区相邻的隔墙滑雪馆的南部是服务区，冬夏季均设空调，为了增强通透的视 觉效果，窗户在隔墙上占的比例非常大。隔墙及窗户的热工性能主要是通过防结露的传热计 算来确定的。与外墙和屋顶不同，降低窗户（玻璃和窗框）的传热系数可以减少冷负荷，但 同时工程造价也提高颇多，例如：普通的中空玻璃2层6mm的普通玻璃中间带12mm的 空气层）的传热系数为27W/ （m2K），标准的真空玻璃传热系数能达到14W/ （m2K），窗框的传热系数要做到小于15W/（m2K）需要采用木 框或玻璃钢之类的材质。因此对窗户传热系数的限定仅仅是满足不结露的要求。4 夏季冷、湿负荷滑雪区的冷负荷随着季节、场内的滑雪人数、雪层厚度等因素的变化 而变化，冷负荷的计算与冷库有许多相同之处，但又有其自身的特点。该滑雪区的冷负荷构 成如所示。需要说明的是雪的导热系数随雪层的疏松程度也有一定的变化（雪与冰的导热系数分别 为019和203W/（mK），在计算时取等效导热系数10W/（mK），保温层的导热系数为 003W/ （mK），比雪的导热系数小一个数量级，因此雪的导热系数有微小变化对围护结构 总传热系数的影响并不大。中各项冷负荷并不是同时出现的，如营业时间段出现的是由围护结构、人员、灯光、滑 雪缆车和新风构成的冷负荷，非营业时间段（雪维护时间）则是由围护结构、灯光、雪维护 设备、新风和造雪构成的冷负荷。非营业时间段送新风的主要目的是减少铲雪车运行时排出 的 CO， NOx 等废气对滑雪区的污染，新风量靠室内的 CO 传感器来调节，新风负荷与营业 时间段保持人体卫生要求的负荷稍有不同。滑雪区的湿负荷主要包括人员湿负荷和新风湿负荷两部分，有些文献提出了滑雪区内存 在由雪升华引起的湿负荷，事实上如果雪场温度保持在-3，周围环境不可能提供雪升华需要 的热量，因而不会发生升华现象。滑雪区内人员的湿负荷主要由冷风机负担，新风的湿负荷主要由热回收转轮（除湿量 170kg/h）和除湿转轮（除湿量1095kg/h）负担。5 制冷系统 5.1 制冷机的选择制冷机的选择是制冷设计的重要部分，涉及工程初投资、 技术性能及运行维护等多个方面，通过比较活塞式氨制冷机、螺杆式氟利昂制冷机和带经济 器的螺杆式氨制冷机，本工程采用两台带经济器的螺杆式氨制冷机，双工况运行。带经济器 的螺杆压缩制冷的主要特征在于中间补气，是准二级压缩过程，大大提高了压缩机的COP 值。营业时间段：螺杆压缩机排出的高压氨气一部分进入蒸发冷凝器，冷凝后的高压氨液再 进入热虹吸及高压储液罐，氨液节流降压为中压氨气进入经济器，在经济器内被过冷，再经 节流减压为低压氨液，进入蒸发器（-15），与乙二醇换热后气化，最终被吸入螺杆压缩机 组，进入下一次的压缩循环。在经济器内闪发蒸气进入螺杆压缩机的中压补气口。此时两台 压缩机在相同的工况下运行。非营业时间段：与营业时间段不同的是，两台螺杆压缩机在不同的工况下运行。氨液从 经济器出来后分为两路，一路节流减压后进入造雪机（-27），与水换热后气化，再被吸入 其中一台螺杆压缩机组；另一路节流减压后进入蒸发器（-15），与乙二醇换热后气化，进 入另一台螺杆压缩机组。压缩机依靠吸气阀组的开闭来控制某种参数的制冷剂进入。螺杆压 缩机排出的高压氨气的另一部分进入冷凝器，加热用于融霜用到的乙二醇。制冷机冷凝热的排放是通过设置在制冷机房外的蒸发冷凝器来实现的。蒸发冷凝器的水 箱设在制冷机房内，可防止冬季水冻结。5.3 载冷剂系统载冷剂为质量分数40 的乙二醇。制冷机房内设置乙二醇蓄冷箱和乙二 醇蓄热箱。滑雪馆正常运行时，温度为-11 的乙二醇进入蓄冷箱后，由二次泵分别供至冷风 机、除湿机后的冷却盘管和吹雪机用空气冷却器，换热后冷乙二醇温度升至-6，回到蓄冷箱， 然后由一次泵供至蒸发器，被氨液重新冷却。冷风机融霜用乙二醇从蓄热箱（29）进入冷风机，放热后温度降至25，回至冷凝器被 高压氨气加热后继续循环。冷乙二醇系统和热乙二醇系统均为双管异程闭式系统，冷热乙二醇系统各配一膨胀罐起 膨胀和定压的作用。5.4 冷风机系统滑雪馆内设置14 台冷风机，负担围护结构、人员、灯光设备等室内负 荷。冷热乙二醇主干管独立设置，支管共用。制冷时，冷乙二醇管上的电磁阀打开，融霜时， 热乙二醇管上的电磁阀打开（冷热电磁阀不能同时打开）。最多允许两台冷风机同时融霜。 融霜后的水排入滑雪馆两侧的排水沟内。冷风机系统流程。图中CGS （CGR）表示冷乙二 醇供液（回液）管，HGS （HGR）表示热乙二醇供液（回液）管，GS和GR分别表示乙 二醇供液管和回液管。6新风除湿系统为保证室内的空气质量，滑雪馆设置了风量为12500m3/h的新风机组， 该新风机组包含热回收和除湿两部分。新风首先进入热回收转轮，充分利用排风中的冷量， 又保证不受排风的污染，热回收效率为72，经过预冷的新风与部分回风混合，经除湿转轮 绝热除湿，再被冷却器冷却成为低温干燥的空气送入室内。除湿转轮的再生热源为天然气。新风除湿系统流程如所示。7 造雪系统通常有两种造雪方式。一种是在滑雪馆的顶部设置造雪喷嘴，也就是所谓的 喷雪枪，水与低温压缩空气混合后通过喷嘴喷出，在热膨胀的作用下急剧冷却，冻结成雪状 物（粒径在 400500m 之间），其形状与质地和真正的雪非常相似。为保证雪的质量，要求 室内的温度低于-5。考虑到降雪的均匀性，喷嘴的口径、形状、排列分布和数量均有一定的 要求。另一种造雪方式是在片冰机内将冰刨碎，再通过一台鼓风机经一条灵活的软管送入滑 雪馆的下部，软管末端的管口可移动到雪场的不同位置，再由铲雪车将雪进行疏松和整理。 片冰机冷源来自于氨在-27的蒸发。这种造雪方式要求室内温度低于0即可。与第一种造雪 方式相比，第二种方式初投资较少，同时也省去了喷嘴维护工作，对室内环境的要求低，是 目前室内滑雪馆和室外滑雪场较多采用的造雪方式。本工程采用第二种造雪方式，其中造雪机容量的选择要同时兼顾到初投资以及初次造雪 时间的长短。8 自动控制系统滑雪馆制冷系统比较复杂，运行模式可分为手动和自动两种。自动控制 有保冷模式、融霜模式和造雪模式，能够记录系统中每一个设备的启停状况，工作时间及其 相应的温度、压力等参数，并按照这些参数之间预先设定好的逻辑关系去控制系统中某个设 备的动作。例如在保冷时，压缩机的排气压力控制蒸发冷凝器是否工作，滑雪馆内温度传感 器和乙二醇蓄冷箱温度传感器共同作用于冷风机的启闭，而新风除湿机组的控制信号来自滑 雪馆内相对湿度传感器和CO传感器。有关自动控制系统具体内容。9供暖通风系统按照冷库设计规范，制冷机房设置散热器供暖系统，保证机房内冬季温 度为 16，机房与服务区供暖系统共用一个热源。制冷机房同时设置机械通风和事故通风系 统，氨气报警阀与事故通风机联锁，平时主要依靠自然通风。10设计体会室内滑雪馆雪道板的做法通常有两种，即带地埋管的系统和不带地埋管的 系统。地埋管指在雪道板下敷设冷盘管，冷盘管内是低温乙二醇溶液，负担滑雪馆内地板构 成的冷负荷。滑雪馆内的冷风机负担屋顶、外墙、灯光、人员和设备等冷负荷。该系统对冷风机的布置要求不高，但对施工的要求较高，地板构造做法也与本工程采用 的做法有区别，且因为冷盘管内乙二醇的温度低于0，埋在地下的雪道其下部土壤需要做防 冻处理，此外该系统对运行管理要求较高，运行不当，雪道表面会出现较厚的冰层，该冰层 凸凹不平，影响雪道的质量。地埋管系统施工起来比较繁复，造价较高，冷盘管约占本工程 制冷部分总造价的5 以上。不带地埋管的系统依靠冷风机来负担滑雪馆内的全部冷负荷。这种系统对冷风机的布置 要求较高，冷风机的布置影响到气流组织是否均匀，是否有气流死角，如果有大面积的气流 死区的话，该部分雪区温度较高，从而引起融雪，雪水向下流动后，在温度较低的地方冻结 成冰，进而影响雪道的平整。通过对世界各地多个滑雪馆的调研，带地埋管的做法和不带地埋管的做法各占一半，而 且经过多年的运行，两种做法各有其优缺点。但在近年来新建的滑雪馆中，不带地埋管的做 法占多数。11 结语室内滑雪馆设计的重点在于制冷系统和节能方面的设计，节能主要体现在保温 和热回收利用两方面。目前乔波滑雪馆已经投入运行，笔者拟进一步撰文介绍其运行情况。