Проектирование инженерных систем спортивных сооружений — зачастую сложная, но интересная задача, для решения которой необходимо учитывать множество факторов. При этом подходы к кондиционированию спортивных сооружений для различных видов соревнований существенно различаются.
Ключевые слова: ледовой дворец, здание, отопление, вентиляция, проектирование.
Designing engineering systems for sports facilities is often a complex but interesting task, for the solution of which many factors must be taken into account. At the same time, the approaches to the conditioning of sports facilities for various types of competitions differ significantly.
Key words: ice rink, building, heating, ventilation, design.
Спортивные сооружения этого типа имеют две характерные особенности: во-первых, требуется выполнение двух различных требований по параметрам температуры и влажности — комфортные условия для зрителей и условия для нормального функционирования ледового покрова; во-вторых, требуется обеспечить достаточно значительную холодопроизводительность для замораживания этого ледяного покрова. В качестве примера рассматривается одна из самых современных ледовых арен — Палавела в Турине (Италия), реконструированная к Зимним Олимпийским играм. Кроме того, рассматривается один из проектов кондиционирования ледового катка, который строился в Сочи к Зимней Олимпиаде 2014 года, в котором реализована та же концепция, что и на арене «Палавела».
На любом подобном спортивном объекте можно выделить, как минимум два объема или две зоны. Первая зона — это «чаша» ледовой арены с ледовым покрытием и трибунами, вторая зона — это помещения под трибуны, где расположены раздевалки для спортсменов, судейские комнаты, гардероб для посетителей, офисы, предприятия общественного питания.
Рис. 1. Арена Палавела
Как и в обычных общественных местах, используется то же оборудование, те же методы расчета, те же нормативные документы и рекомендации по проектированию. Помещения делятся по функциональному назначению, для них определяются требуемые параметры температуры и влажности, режим использования, исходя из этого подбирается необходимое оборудование.
Обычно в таких помещениях применяется общеприточно-вытяжная механическая вентиляция с подогревом и охлаждением приточного воздуха. Рециркуляция обычно не используется. Иногда в таких конструкциях применяется рекуперация (утилизация) тепла. Здесь нет никаких проблем.
В помещениях под трибунами, с кондиционированием и «чашей» ледовой арены возникают значительные трудности. Любой стадион, на котором проходят те или иные крупные международные соревнования по хоккею, фигурному катанию или другим подобным видам спорта, должен пройти сертификацию на льду.
На любой ледовой арене обязательно есть собственно ледовое поле, технология изготовления которого может быть разной. Поверхность льда обычно имеет околонулевую температуру, то есть является своеобразным «генератором холода». С другой стороны, на ледовой арене, как и в любом другом спортивном объекте, существует множество источников внутреннего тепловыделения: люди, осветительные приборы. Кроме того, вместе с вентиляционным воздухом в помещение попадает большое количество тепла: для больших масс людей (на крупных соревнованиях количество зрителей может составлять десятки тысяч человек) необходимо обеспечить значительный приток приточного воздуха, причем температура этого воздуха намного выше температуры льда.
Придать спортивному сооружению прилив свежести, избежать разного рода проблемных моментов и осложнений — работа очень кропотливая.
К инженерам-конструкторам предъявляются три основных требования:
− Вентиляция под крышей катка.
− Вентиляция под крышей катка.
− Состав воздуха должен соответствовать установленным нормам.
Речь идет о стандартах ГОСТ 1210588, в которых прописаны требования к устройствам вентиляции воздуха, а также дана таблица предельно допустимого содержания вредных веществ. Над льдом не должно быть тумана. На поверхностях не должен образовываться конденсат. Для выполнения этих задач необходимо учитывать следующие параметры:
− Размер ролика. Стандартный размер ролика 60 * 30, но он может быть больше или меньше, в зависимости от цели его использования.
− Температура на арене и в зале. Каждый вид спорта требует определенного качества поверхности и температуры. Также учитывается присутствие зрителей в зале на соревнованиях и их отсутствие во время тренировок.
Основная проблема — соотношение температуры и параметров воздуха на льду и в зале. Ледовая арена является источником холода, который, в свою очередь, нагревается осветительными приборами и людьми, а потоки поступают через вентиляцию. Сложность заключается в поддержании необходимого качества льда при поддержании комфортной температуры на трибунах.
В большинстве случаев ледовая арена окружена устройствами, которые вводят воздух и распределяют его по аудитории. Такие устройства обычно распределяют группами. Воздух вытягивается устройствами, расположенными над специальными планками в верхней части трибун. То есть направление воздуха снизу вверх. Преимущества этой системы — простой и быстрый монтаж вентиляции ледовой арены, не требующий дополнительных и дорогостоящих архитектурных и инженерных решений.
Таким образом, перед проектировщиками стоит противоречивая задача: с одной стороны, обеспечить сохранность и качество ледового покрова, с другой — обеспечить комфортные условия для зрителей, не заставляя их замерзать.
При традиционном подходе подача воздуха в сторону зрительских трибун осуществляется с помощью системы воздуховодов и устройств распределения воздуха по периметру ледяного покрова в верхней части. Устройства распределения воздуха обычно располагаются в нескольких группах. Отвод осуществляется через воздухозаборники в верхней части конструкции над трибунами, то есть воздухообмен организован по схеме «дозаправка». У этого решения есть свои достоинства. Одно из них — упрощение архитектурно-планировочных решений. При этом ни в коем случае не требуется размещать сложную и объемную систему воздуховодов в пространстве под трибунами, а также обеспечивать доступ к ним для обслуживания и эксплуатации. Однако, с точки зрения обеспечения, с одной стороны, требуемых параметров микроклимата, а с другой — высокого качества ледяного покрова, это решение не самое удачное. Приточный воздух должен иметь достаточно высокую температуру, чтобы не вызывать дискомфорт у зрителей, но при такой организации воздухообмена невозможно исключить влияние этого достаточно теплого воздуха на поверхность льда, что неизбежно приводит к ухудшение его качества. Даже если попытаться организовать подачу охлажденного воздуха в сторону ледяного покрова с помощью направленных анемостатов, предотвратить смешение воздушных потоков достаточно проблематично, особенно учитывая большую высоту от поверхности льда до покрова (в Турине эта высота около 20 м).
Вторая проблема, возникающая при такой организации воздухообмена, — это негативное влияние на покрытие влаговыделения. Это касается, как выделения влаги людьми, так и влажности приточного воздуха.
Очевидно, что подача приточного воздуха с приемлемой для зрителей температурой и влажностью около 50 % приведет к тому, что при соприкосновении такого воздушного потока с очень холодной (ниже температуры точки росы для воздуха с заданными параметрами) поверхностью ледяного покрова на последнем будет происходить конденсация водяного пара. Воздухом с последующим их замораживанием, что снова ухудшает качество покрытия. Чтобы избежать этого эффекта, приточный воздух необходимо осушать, что ведет к дополнительным капитальным и эксплуатационным затратам. Кроме того, очень сухой воздух может вызывать дискомфорт у зрителей.
Кроме того, сами зрители являются источниками выделения влаги. Даже если подаётся очень сухой воздух, довольно сложно предотвратить попадание влаги от людей в зону льда.
Тепловыделение от людей отрицательно сказывается на состоянии ледяного покрова: под воздействием достаточно высокой температуры лед начинает таять и рыхлить. В некоторых случаях состояние покрытия заметно ухудшается во время спортивного мероприятия в течение двух-трех часов. Более длительная выдержка (например, если в этой конструкции проводятся длительные многодневные соревнования) приводит к тому, что лед начинает трескаться уже по всей своей толщине. Это явление встречается во многих спортивных сооружениях.
Проблема нейтрализации эффекта тепловыделения от осветительных приборов требует своего решения. Эта проблема решается выбором типа осветительных приборов, что также подразумевает совместную проработку технического решения с архитекторами. На ледовой арене «Палавела» используются газоразрядные металлогалогенные лампы, которые отличаются высокой светоотдачей. Сама поверхность льда характеризуется высокими значениями альбедо (отражательной способности) — до 0,9, поэтому световой поток непосредственно от источников света существенно не влияет на состояние ледяного покрова. С той же целью — для увеличения отражательной способности — внутренние поверхности окрашиваются в основном в светлые тона.
Рассмотрим схему организации воздухообмена более подробно. Математическое моделирование с использованием специализированного программного обеспечения позволило проектировщикам арены Palavela в Турине обеспечить такое взаимное движение воздушных масс, при котором струи с разной температурой не смешивались друг с другом.
Первый ряд зрительских сидений расположен над ледовой поверхностью. Сама «чаша» ледяного покрова углубляется примерно на 1,5 м. Приточные устройства системы вытяжной вентиляции (В1) установлены по всему периметру ледяного покрова. Организация вытяжки требует особых архитектурных решений, предусматривающих возможность установки вытяжных воздуховодов, возможность установки и обслуживания воздухозаборных устройств. При этом обслуживается (эксплуатируется) все пространство под трибунами.
В верхней части ледовой арены, также по периметру ледяного покрова, были подключены приточные воздуховоды и установлены воздухораспределительные устройства — анемостаты направленного действия (П1). Воздухообмен этой зоны организован по схеме «сверху вниз».
Над сиденьями для зрителей, а также под потолком спортивного сооружения монтируются вытяжные воздуховоды с воздухозаборниками (В2). Воздуховоды устроены «веерообразно», воздухозаборники расположены по всей площади над сиденьями. Приток (П2) осуществляется непосредственно в рабочую зону, под сиденьями зрителей, то есть в этом случае воздухообмен организован по схеме «снизу вверх». Скорость воздушного потока относительно невелика, всего 0,2–0,3 м / с. Настройка одинакова для всех рядов зрительских мест.
В результате над ледяным покровом образуется своеобразная «воздушная палатка» из довольно прохладного воздуха. Все пространство разделено на две зоны: «теплую» зону над сиденьями и «холодную» зону над ледяным покровом. При такой организации воздушных потоков нет препятствий для распространения воздуха с относительно низкой температурой по периметру ледяного покрова (например, в Турине эта температура составляет 10 ° C, но может быть и ниже). Нет даже необходимости перемещать направленные анемостаты ближе к периметру ледяного покрова — они устанавливаются на рассматриваемой конструкции ближе к центру арены. Разнонаправленные воздушные потоки с разной температурой не смешиваются. Кроме того, достигается «естественное» движение воздушных потоков: холодный воздух сверху вниз (P1-B1), нагретый воздух снизу вверх (P2-B2). В то же время во время охлаждения приточный воздух P1 одновременно осушается, не оказывая отрицательного воздействия на ледяной покров из-за конденсации водяного пара. Воздухообмен в зрительской зоне способствует решению проблемы выделения тепла и влаги от людей — они ассимилируются вентиляционным воздухом, не оказывая вредного воздействия на поверхность ледяного покрова.
Платой по такой схеме является необходимость более тщательной проработки архитектурно-планировочных решений. В помещениях под трибунами требуется не только разместить систему приточных воздуховодов Р2 и вытяжных В1, воздухораспределительные и воздухозаборные устройства, но и обеспечить удобный доступ к ним для обслуживания и ремонта. Это требует тесного сотрудничества архитекторов и инженеров. При реконструкции арены Palavela над этой частью проекта работала одна из самых опытных членов творческой группы, архитектор Франческа Квадри.
Следует отметить, что при такой организации воздухообмена необходима хорошая наладка системы и аккуратное поддержание ее режимов работы. Если система сбалансирована (объем приточного воздуха равен объему вытяжного воздуха), то наличие проходов для людей (даже с открытыми дверями или калитками) существенно не влияет на распределение воздушных потоков. При этом не потребовалось никаких дополнительных мероприятий, таких, как промывка. Воздушно-тепловые завесы над проходами не устанавливались. Перетоки из пространства над ледовой ареной в подстендочные помещения и наоборот возможны только в том случае, если в одном из помещений приток превышает вытяжной воздух и наоборот. В этом случае существует риск смешения разнонаправленных воздушных потоков.
Двери и калитки для прохода зрителей обычно открыты. Они должны закрываться при пожаре, то есть играть роль противопожарных преград.
Можно отметить, что в практике строительства зарубежных ледовых арен принято, что система вентиляции помещения с ледовым полем проектируется той же организацией, которая сама готовит ледяной покров. То есть организация гарантирует качество ледяного покрова только при условии одновременного обеспечения требуемых параметров микроклимата в районе этого покрытия.
Таким образом, ледяной покров поставляется заказчику под ключ вместе с системой кондиционирования. Именно такой подход был использован при строительстве ледовой арены в Турине.
В нашей стране, наоборот, при строительстве нескольких подобных объектов в последние годы работа разделилась: одна организация занималась только ледяным покровом, а вентиляцию проектировала совсем другая компания. Зарубежный подход кажется более подходящим: это организация, которая готовит лед, которая знает воздух, при какой температуре безопасно подавать в зону покрытия, как должны распределяться воздушные потоки. И, как отмечалось выше, только в этих условиях возможно высокое качество льда.
Для обеспечения микроклимата помещений под трибунами используется центральная система кондиционирования воздуха с контролем влажности и рекуперацией тепла из отработанного воздуха для нагрева (или охлаждения) приточного воздуха с помощью пластинчатых теплообменников. Как уже было сказано выше, здесь никаких проблем не возникает: система решается обычным образом, как в офисных помещениях, предприятиях общественного питания.
В последние годы практика аренды холодильных машин получила некоторое распространение за рубежом. Технико-экономическое обоснование аренды рассчитывается исходя из ожидаемого использования ледяного покрова в течение года, указанного в задании на проектирование.
Аренда холодильных машин целесообразна, если ледовая арена работает не круглый год, а в относительно короткие промежутки времени — во время соревнований, как в универсальных спортзалах. В таких случаях большие капитальные вложения в дорогостоящее оборудование экономически нецелесообразны. Затем, например, на этом объекте устанавливается холодильное оборудование для обеспечения требуемых параметров микроклимата, а система приготовления льда устанавливается без холодильных машин. На время конкурса холодильные машины необходимой мощности арендуются у специализированной компании, доставляются на объект и подключаются к системе. Эти машины могут быть установлены в специально отведенном для их размещения помещении, либо же рядом с сооружением организован временный холодильный пункт, в котором установлены наружные холодильные машины. Например, на ледовой арене Палавела в Турине есть свой постоянно действующий холодный центр, но при необходимости арендуется дополнительное оборудование, для подключения которого предусмотрено все необходимое.
Тепло, выделяющееся на конденсаторах аммиачных станций, использовалось для нагрева «подушки» под ледяным покровом. Необходимость такого обогрева обусловлена следующим обстоятельством. Фундаментная плита, на которой расположено это покрытие, опирается прямо на землю. Общая толщина фундаментной плиты и конструкционных слоев основания под ледяным покровом достигает одного метра. Верхний слой представляет собой пластину, в которую заделаны трубы (несколько контуров), по которым циркулирует хладагент. Эта плита изготовлена из высококачественного бетона; сами трубки укладываются вплотную к поверхности. Под этой плитой есть еще несколько слоев. Это может быть бетон, теплоизоляция, гидроизоляция, песок для засыпки. Опорная плита отделена от верхних слоев слоем теплоизоляции, в которую, в свою очередь, монолитны трубы, через которые проходит не теплоноситель, а теплоноситель. циркулирует, то есть одновременно производится, как замораживание льда, так и нагрев нижних слоев. Подогрев необходим для предотвращения промерзания грунтов при постоянном охлаждении, так как при промерзании есть риск набухания грунта и, как следствие, повреждения фундаментной плиты. Именно для такого обогрева в рассматриваемом варианте проекта ледовой арены в Сочи использовалось тепло, выделяющееся на конденсаторах аммиачных станций. Потребность в отоплении возникает независимо от времени.
Зимой вторичное тепло можно использовать, помимо обогрева плиты под ледяным покровом и горячего водоснабжения, для обогрева административных помещений, для подогрева приточного вентиляционного воздуха. Летом отопление не требуется; когда кондиционеры работали на полную мощность, даже если печь топилась и тепло использовалось для горячего водоснабжения, согласно расчетам, все равно оставалось избыточное тепло, которое необходимо было отвести. Было предложено использовать для этого морскую воду; разумеется, были учтены требования экологической безопасности. Утверждается, что с точки зрения экологической безопасности целесообразно отводить вторичное тепло не в атмосферу, а использовать для этого морскую воду. Подобные проекты реализованы за рубежом.
Похожая схема была предложена в одном из проектов системы кондиционирования Центрального Олимпийского стадиона в Сочи.
Рис. 2. Центральный Олимпийский стадион в Сочи
Предусматривалось использование ее в качестве источника хладоснабжения для вторичного охлаждения морской воды, расчетные параметры теплоносителя в летний период. были 19/23 ° C, зимой 15/19 ° C.
Литература:
- СНиП 23–02–2003 Тепловая защита зданий
- НПБ 239–97 Воздуховоды. Метод испытаний на огнестойкость
- НПБ 253–98 Оборудование противодымной защиты зданий и сооружений. Вентиляторы. Методы испытаний на огнестойкость
- Волков Щ. П., Крикун В. Я. Проектирование систем вентиляции и отопления. — М.: Мастерство, 2020–48с.
- Сомов М. А., Квитка Л. А. «Водоснабжение» — М.: «ИНФРА-М», 2019. — 25 с.
