冰场设计计算.docx
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冰场设计计算
冰场设计文件
1冰场基本设计准则
1.1设计标准
✓夏季空调室外计算干球温度:
31.5℃
✓夏季空调室外计算湿球温度:
23.8℃
✓冬季空调室外计算干球温度:
-12.8℃
✓夏季空调室内计算干球温度:
26℃
✓夏季空调室内计算相对湿度:
60%
✓冬季空调室内计算干球温度:
20℃
✓冬季空调室内计算相对湿度:
45%
✓冰场设计标准：
满足全年不同公众滑冰
✓冰表面积：
约1738平方米（60米x30米，圆角半径8.5米）
✓冰面可容纳人数：
约600人
✓冰层厚度：
40mm
✓表面温度：
-5℃
✓形成厚度为40毫米冰所需的时间：
48小时
1.2制冷系统要求
✓冷媒：
R404a
✓系统型式：
间接系统
✓二次冷媒：
乙二醇
✓乙二醇温度：
-11.7℃/-14.2℃
✓乙二醇布管：
采用大流量系统
✓热回收系统：
独立热回收系统，提供22℃至25℃（可调节）热水给冰场防结露系统。
✓制冷系统控制：
中央微机控制系统，并采用9个冰底温度感应器，5个加热层温度传感器，冰场天花设置5个红外线温度传感器，4层天花设置2个温度传感器，均采用矩阵式布置。
✓冷媒管道：
无缝钢管
✓我司采用无缝钢管埋于沙层中，在防水层与无缝钢管冷冻排管之间增加钢筋混凝土层。
1.3溜冰场本体结构承重要求
a.固定负载
（1）冰场区域固定荷载
内容
主管坑以外的冰场
厚度,mm
重量,kg/m2
冰层
40
37
砂层和乙二醇管排
40
72
混凝土层
80
192
防水油毯层/水泥砂浆
60
112
保温层及防潮层
100
7
混凝土层和热水管道
80
192
总计
400
614
（2）主管沟固定荷载
内容
主管沟
厚度,mm
重量,kg/m2
冰层
40
37
砂层和乙二醇管排
40
72
砂层
440
792
混凝土层
80
192
防水油毯层/水泥砂浆
60
112
保温层及防潮层
100
7
混凝土层和热水管道
80
192
总计
840
1410
容重：
冰921kg/m³，湿砂1800kg/m³，混凝土2400kg/m³，水泥砂浆1800kg/m³，保温50kg/m³
建议固定负载主管坑以14.5kPa计算，主管沟外的冰场范围则以6.5kPa计算。
b.冰车及溜冰者等活载
假设用户选择ZAMBONI552（前倒雪式）扫冰车，其使用重量最低5148kg，一般重量5806kg，前轮共承重2903kg，后轮共承重2903kg．前后轮距1956mm，左右轮距1372mm，在冰场上的活载可忽略不计，但请考虑以上数据来设计泊冰车及冰场至泊冰车的路线段的负载要求。
溜冰者数量600人，假设最高平均重量80kg，共重48,000kg，平均冰场上的活载约是33.7kg/m2。
但冰场将来因应不同活动而会有可能临时搭建如看台等设施，活载设计建议不低于5kPa。
主管外的冰场范围：
固定负载614kg/m2（建议采用6.5KPa）,活负载建议5KPa；
主管范围：
固定负载1410kg/m2（建议采用14.5KPa）,活负载建议5KPa；
1.4用水量要求
✓冷却塔：
0.4l/s,DN50mm加水管接头；
✓制冷机房：
1/s（只需间歇使用）,DN32mm加水管接头；
✓扫冰车的加水缸：
1.1l/s,DN32mm加水管接头；
✓总用水量一般最高是0.4l/s+1.1l/s=1.5l/s；
1.5排水要求
✓在冷却塔及制冷机房设地台排水口；
✓在主管进入冰场区域外侧管沟设置DN100mm排水口连保温；
✓在溶冰池底及扫冰车位置设DN100mm排水口连保温。
1.6供电要求
✓制冷机房电屏：
1250A，380V/3ph/50Hz
1.7照明最低要求照明度
✓在扫冰车停泊地方为300lux
✓在冰场范围假设为500lux
✓在机房内一般为150lux
✓在控制屏等维修地方为300lux
1.8通风要求
✓本工程将选用充车式扫冰车，冰场内空调通风需提供共4立方米/秒鲜风量；
✓机房的通风要求是20AH/H,约4立方米/秒。
1.9空调要求
✓夏季室内温度：
25℃,夏季室内相对湿度:
60%RH
✓冬季室内温度：
20℃,冬季室内相对湿度:
45%RH
2技术方案
2.1制冷负荷计算
制冷量的计算必须考虑三个不同的操作情况，即保持冰块的制冷负荷，初次注水凝成冰块的制冷负荷和扫冰后再凝结冰块的制冷负荷。
1、保持冰块情况下，制冷要求包括：
A.地传导热量，由下层穿过地坪及保温传至冰场
B.溜冰者所产生的热量
C.水泵及管道的热损失为所有其他热负荷的10%
D.与冰场上空气的热交换量
E.辐射热负荷量
所需的制冷量总结如下表:
序号
内容
制冷系统制冷负荷（kW）
A
地传热量
17.72
B
溜冰者所产生热量
150
C
水泵及管道的热损失
61.65
D
与冰场上空气的热量
295.85
E
辐射热负荷
E.1
假天花及其它环境辐射
117.04
E.2
灯光
21
E.3
玻璃幕墙辐射
16．5
总结
677.9kW
2、冻成冰块或在扫冰的情况下，制冷要求包括:
A.地传导热量，由下层穿过地坪及保温传至冰场
B.水泵及管道的热损失为所有其他热负荷的10%
C.与冰场上空气的热交换量换
D.辐射热负荷量
E.水结成冰的热负荷量
F.冻成冰块时混凝土热负荷量
G.扫冰后再凝结冰块的热负荷量
所需的制冷量总结如下表:
序号
内容
扫成冰块（一天预冷及试车，两天制冰）
扫冰时
制冷负荷,kW
制冷负荷,kW
A
地传热量
17.21
17.21
B
水泵及管道的热损失
73.87
64.4
C
与冰场上空气的热量
295.85
260.05
D
假天花及其它环境辐射
117.04
100.69
灯光
21
21
玻璃幕墙辐射
16.5
14.81
E
水结成冰的热负荷量
198.47
--
F
冻成冰块时混凝土热负荷量
72.78
--
G
扫冰（扫冰时间20分钟凝结成冰）
230.30
总结（kW）
812.57
708.3
3、制冷负荷详细计算
溜冰场的制冷负荷的计算，可以分为两种情况：
✓保持冰块的情况下
✓冻成冰块或在扫冰的情况下
1）保持冰块情况下：
A.地传导热量
B.溜冰者所产生的热量
C.水泵及管道的热损失为所有其他热负荷的10%
D.与冰场上空气的热交换量
E.辐射热负荷量
其中A,B,D及E都是经由冰面传至制冷系统，但C是不经冰面传导的热量，所以计算冰场制冷负荷不需计算Ｃ，但计算制冷系统的制冷负荷时就要包括Ｃ。
A.地传导热量
热力会由热水排管经过四楼地坪、保温等，传至冰场，计算的方法如下：
乙二醇排管平均温度
:
-12.95℃最低（-14.2/-11.7℃）
混凝土的k值
:
0.93W/m℃,总厚度260mm
保温（聚苯乙烯）的k值
:
0.028W/m℃,厚度100mm
水泥砂浆的k值
:
0.72W/m℃,厚度60mm
热水排管温度
:
20℃
总热传导系数
=
地传导热量
=
0.255W/m²℃x1738m²x（26+12.95）℃=17.21kW
B.所产生的热量
溜冰人数
=
600人
发出热量
=
600人x250W/人=150kW
C.水泵及管道的热损失为所有其他热负荷的10%
D.与冰场上空气的热交换
这热交换会受空气的温度和湿度，与冰场上空气的流动速度所影响，计算方法如下：
h
=
3.41+3.55V
Qcv
=
[ｈ（ta-ti）+K（Xa-Xi）x2852kJ/kgx18kg/mol]x冰场面积
h
=
热对流传导系数
V
=
冰场上空气风速=0.2m/s，假设空调系统等不会把风直接吹至冰场内，这对冰场的制冷负荷影响最大，需特别注意。
ta
=
空气温度=26℃
ti
=
冰温=-5℃
Xa
=
冰面上空气中水蒸气的克份子比例，kgmol/kgmol0.0076（3℃）
Xi
=
冰面上饱和空气的水蒸气的克份子比例=0.004kgmol/kgmol（-5℃）
K
=
份子流动系数=0.23g/（s.m2）
Qcv
=
[（3.41+3.55x0.2）x（26+5）+0.23x（0.0076-0.004）x（2852）x（18）]x1738m²
=295.85kW
当扫冰时，冰面大部份温度为0℃，与空气的热交换
Qcu
=
260.05kW
E.辐射热负荷
因为冰场表面的温度低，所以冰场环境的其他地方都会经辐射传导把热力传至冰面，成为冰场的制冷负荷。
以现在冰场环境的设计，辐射有两种源头：
ⅰ.假天花的辐射热
辐射热Qri
=
Acfciσ（Tc4-Ti4）
fci
=
[
1
+（
1
-1）+
Ac
（
1
-1）]-1
Fci
ξc
Ai
ξi
Ac
=
天花面积，1738m²
Ai
=
冰面面积，1738m²
ξc
=
辐射系数（天花，包括玻璃及铝板天花），因天花材料及玻璃材料未定案，现假设为平均0.9
ξi
=
辐射系数（冰面），0.95
Fci
=
辐射角度系数，0.45
σ
=
5.67x10-8W/m2k4
Tc
=
天花温度，26℃
Ti
=
冰面温度，-5℃
fci
=
[
1
+
1
-1）+
1738
（
1
-1）]-1=0.42
0.45
0.9
1738
0.95
辐射热qr2
=
1738x0.42x5.67x10-8x（2974–2684）/1000=117.04kW
辐射热qr2
（扫冰时）
=
100.69kW
ii.灯光的辐射热
灯光的辐射热的多少会因为用不同的灯和所需的照明度而改变，以每平方米20w计算照明度，用电量为34.8kW，约60%的能量会经由辐射传至冰面，即共约21kW。
iii.玻璃幕墙辐射
玻璃幕墙面积（㎡）
847
847
冰面面积（㎡）
1738
1738
玻璃及遮阳幕帘辐射系数
0.9
0.9
冰面辐射系数
0.95
0.95
辐射角度系数
0.09
0.09
斯蒂芬-波尔兹曼常数
5.67E-08
5.67E-08
天空温度（℃）
35.2
35.2
绝对温度（K）
308.2
308.2
冰面温度（℃）
-5
0
绝对温度（K）
268
273
辐射系数的倒数
11.24
11.24
辐射系数
0.09
0.09
辐射热
16.5
14.81
状况
结冰
（扫冰）
2）冻成冰块或在扫冰的情况下
冻成冰块所需的制冷量可分为：
A.地传导热量
B.水泵及管道的热损失为所有其他热负荷的10%
C.与冰场上空气的热交换量换
D.辐射热负荷量
E.水结成冰的热负荷量
F.冻成冰块时混凝土及沙中的水的热负荷
G.扫冰的热负荷量
其中A,C,D,E,F及G都是经由冰面传至制冷系统，但B是不经冰面传导的热量，所以计算冰场制冷负荷不需计算B，但计算制冷系统的制冷负荷时就要包括B。
A.地传导热量=17.21kW。
B.水泵及管道的热损失为所有其他热负荷的10%。
C.与冰场上空气的热交换=295.85kW。
D.辐射热负荷
i.
天花的辐射量
=
117.04kW（当初次结冰,冰温在平均-5℃时）
=
100.69kW（当扫冰,冰温在平均0℃时）
ii.
灯光的辐射热
=
21kW
iii.
玻璃幕墙辐射
=
16.5kW（当初次结冰,冰温在平均-5℃时）
=
14.81kW（当扫冰,冰温在平均0℃时）
E.水结成冰的热负荷
总结冰时间48小时
结冰时的热负荷=
1738m²x0.05mx（4.2x20+334+2.1x5）x921kg/m3
48x3600
=198.47kW
F.冻成冰块时混凝土、沙中的热负荷：
场地初次温度=20℃
混凝土及沙总厚度=180mm
1738m²x0.18mx2400kg/m³x0.67kJ/kg·℃x（20+5）℃
=72.78kW
48x3600
G.扫冰的热负荷
扫冰时冰面表层的冰会被刨走，同时间扫冰车会加水至冰场，以下以55℃的水计算，每次扫冰时加水约0.3mm厚，即每次扫冰加水521.4升水。
整个扫冰及结冰的时间约为20分钟，扫冰的热负荷计算如下
热负荷=
521.4x（4.2x55+334+2.1x5）
20x60
=
230.30kW
在其他的工况下,计算方法类同,以下选取2种极端情况,其结果总结如下:
工况
结冰时
扫冰时
保持冰块时
操作情况
夏天:
26℃/60%室内31.5℃室外
812.57kW
708.3kW
677.9kW
因冰场为绝大多数处于扫冰和保持冰块阶段，结冰时开启三台制冰主机，扫冰和保持冰块阶段时，只需开启两台主机。
单台主机制冷量为380.8kWCOP2.06
4、乙二醇管设计计算
乙二醇管的热传导基本上是一个二维空间的热传导方式。
1）设计数据如下：
A.冰面面积=1738m（60米x30米，圆角半径8.5米）
B.制冷量要求=677.9kW（保持冰块）
C.乙二醇管设计，外径约27mm，间距80mm，冰面温度-5℃（保持冰块）
D.空气温度26℃
E.冰厚以一般操作时沙面50mm计算（管上沙层10mm，冰厚40mm）
F.热传导系数U
制冰层结构示意图
F.1L排管间距80mm
F.2h1排管中心与冰底面距离m，0.02
F.3h2排管与冰面上沿距离m，0.06
F.4k1砂的导热系数W/m.K，4
F.5k2冰的导热系数W/m.K，2.25
热传导系数U计算：
U=44.55W／m2K。
2）总结
在本设计中，在计算保持冰块时热传导要求时，无须计算水泵及管道的热损失；（因水泵及管道的热损失不经冰的热传导），即减去61.65kW，所以热传导要求是（677.9kW–61.65kW）/1738m2=355W／m2。
要维持冰面在–5℃，乙二醇与冰面温度差应为355／44.55=7.95℃，所以乙二醇平均应为–12.95℃，即温差7.95℃，乙二醇设计温度–11.7℃／-14.2℃，当初次結冰時,乙二醇设计温度將–12.5℃／-15℃。
5、地层保温材料设计计算
地坪保温以在冰场下层不会有结露现象为标准，并计算其热传导。
假设在下层最差的空气情况是28℃，90%RH（即春天时没有空调的情况），假设采用挤塑式聚笨乙烯保温，厚度是T，楼底表面温度t，热传导率0.028W/m2K。
标板与下层空气的热交换是9.26W/m2℃（根据ASHRAE标准），楼板与空气的热交换=9.26W/m2k（28℃-t）。
若要在28℃干球，90%RH的环境下不结露，楼板的表面温度须高于26.2℃。
通过上述条件计算T=0.066m，即70mm或以上。
故我司建议地坪保温采用100mm挤塑式聚笨乙烯，以此保温厚度，在干燥气候可无需启动地坪加热，节省电力。
6、防结露加热水设计计算
加热水满足地坪温度不小于20℃即可（最不利情况20℃，100%RH）
总的吸热量Q=17.21kW，
每平米的吸热量W
ｑ＝
=
=9.9W/m2
加热水管的规格外径dm，25
L排管间距m，300
h1排管中心与混凝土面距离m，0.1
k1混凝土的导热系数W/m.K，0.93
混凝土热阻
R1=0.192（m2.K/W）
加热水管与混凝土面温差
Δt=q×R=9.9×0.192=1.92（℃）
ｔｂ＝Δt+tl=1.92+20=21.92（℃）
设计热水供回水温差为2℃，加热地坪热水供水温度为22.8℃/20.8℃。
7、制冰系统工艺流程图
请参阅设计图纸。
8、设备选型
1）制冰主机
由上述负荷计算可知：
主机制冷量为350KW，乙二醇供回水温度为–11.7℃／-14.2℃。
A.制冷系统设计，供应三台制冰机组，其一为备用，每台主机制冷量不少于350kW，总装机制冷量1050kw。
B.在任何情况下,包括保持冰块、扫冰时或快速整冰时，开动两台机组。
C.主机的选择
我司将提供麦克维尔（McQuay）的螺杆机组耐用性高，品牌名声优异。
制冷效能：
制冷效能需以相同的操作温度比较，我司的机组将配置节能器，提升机组制冷量及效能。
选择麦克维尔（McQuay）GES3220.2F-M制冷量为380.8KW，COP为2.06制冰主机。
2）乙二醇泵设计
●40%乙二醇溶液的相关参数:
密度:
ρ=1070Kg/m3
比热容:
C=3.454KJ/Kg.K
运动黏度:
υ=10.3×10-6m2/s
机组制冷量：
Q0=380.8KW/台
●乙二醇流量:
V=Q0×3600/ρCΔT
=（380.8×3600）/（1070×3.454×2.5）
=152.9m3/h
●乙二醇的扬程计算:
首先,按最大负荷进行以下管道的阻力计算：
管道的沿程阻力计算：
各管段沿程摩擦系数的确定：
✧泵出口的管径选用φ219的无缝钢管
管内的流速为:
ω=V/（πR23600）
=152.9/（0.785×0.152×3600）
=2.4m/s
管内工质的流动状态:
Re=ωD/υ
=2.4×0.2/10.3×10-6
=46602
Re>2200Pa其流动状态为紊流
同时,Re<105,其摩擦系数λ=0.3164/Re0.25
λ=0.0673
✧总管φ273内工质的流动状态:
2台泵在其内的总流量为：
152.9m3/h×2=305.8m3/h
管内流速：
ω=V/（πR23600）
=305.8/（0.785×0.252×3600）
=1.73m/s
管内工质的流动状态:
Re=ωD/υ
=1.73×0.25/10.3×10-6
=43284
Re>2200Pa其流动状态为紊流
同时,Re<105,其摩擦系数λ=0.3164/Re0.25
λ=0.0904
✧支管φ27内工质的流动状态:
（按185回程计）
管内的流量：
V=305.8/190=1.6m3/h
管内流速：
ω=V/（πR23600）
=1.6/（0.785×0.0252×3600）
=0.90m/s
管内工质的流动状态:
Re=ωD/υ
=0.90×0.025/10.3×10-6
=2184
Re<2200Pa其流动状态为层流
其摩擦系数λ=64/Re
λ=0.0363
✧各管段沿程摩擦阻力的计算：
（1）φ219的无缝钢管总长度：
约10m
ΔP=λLρω2/2D
=（0.0673×10×1070×2.42）/（2×0.2）
=10369Pa
（2）φ273×6.0的无缝钢管总长度：
约120m
ΔP=λLρω2/2D
=（0.0904×120×1070×1.732）/（2×0.25）
=69479Pa
（3）φ27的PE单根管总长度：
120m
ΔP=λLρω2/2D
=（0.0305×120×1070×0.92）/（2×0.025）
=63442Pa
●各管段局部阻力损失的计算：
按沿程阻力的50%计：
ΔP=0.50X（10369+69479+63442）
=71645Pa
●乙二醇泵进/出口的压力损失:
ξ=1.0
ΔP=2ξρω2/2
=2×1.0×1070×2.42/2
=6163Pa
●乙二醇蒸发器内的压力损失:
ΔP=100000Pa
●总的阻力损失:
以上各损失之和
ΔP=10369+69479+63442+71645+6163+100000
=321098Pa
乙二醇的扬程计算:
H=ΔP/ρg
=321098/（1070×10）
=30m
以上为乙二醇泵的理论计算，考虑实际运行的不可预见损失，实际选泵时考虑一定的系数，此处按1.10计：
H=1.1×30
=33m
我司提供三台乙二醇泵,其一为备用，乙二醇泵流量为：
42.5L/s，扬程为：
35m，冷冻水采用浓度40%乙二醇溶液。
3）冷却水系统设计
●水的相关参数:
密度:
ρ=1050Kg/m3
比热容:
C=3.52KJ/Kg.K
运动黏度:
υ=6.19×10-6m2/s
机组热负荷：
Q1=380.8kw，压缩机热负荷：
Q2=185.4kw，乙二醇泵热负荷：
Q3=44kw
●冷却水流量:
V=Qc×3600/ρCΔT
=（（380.8+185.4+44）×3600）/（1000×3.52×5）
=118.49m3/h
●冷却水泵的扬程计算:
✧管道的沿程阻力计算：
各管段沿程摩擦系数的确定：
泵出口的管径选用φ159的无缝钢管
管内的流速为:
ω=V/（πR23600）
=118.49/（0.785×0.152×3600）
=1.86m/s
管内工质的流动状态:
Re=ωD/υ
=1.86×0.15/6.19×10-6
=45072
Re>2200Pa其流动状态为紊流
同时,Re<105,其摩擦系数λ=0.3164/Re0.25
λ=0.0218
总管φ219内工质的流动状态:
2台泵在其内的总流量为：
118.49m3/h×2=236.98m3/h
管内流速：
ω=V/（πR23600）
=236.98/（0.785×0.22×3600）
=2.1m/s
管内工质的流动状态:
Re=ωD/υ
=2.1×0.2/6.19×10-6
=67851
Re>2200Pa其流动状态为紊流
同时,Re<105,其摩擦系数λ=0.3164/Re0.25
λ=0.0151
✧各管段沿程摩擦阻力的计算：
φ159的无缝钢管总长度：
约10m
ΔP=λLρω2/2D
=（0.0218×10×1050×1.862）/（2×0.15）
=2640Pa
φ219的无缝钢管总长度：
约273m
ΔP=λLρω2/2D
=（0.0151×273×1050×2.12）/（2×0.2）
=47720Pa
✧各
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