冰场用的热负荷计算方法、检测仪、制冷控制方法及系统与流程

1.本发明涉及冰场制冷的技术领域，尤其是一种冰场用的热负荷计算方法、检测仪、制冷控制方法及系统。


背景技术：

2.冰场是电能消耗大户，其中制冷控制系统耗电量占用整个冰场用电的40％以上。过去的冰场制冷负荷测算，多用于建设冰场之前的制冷机组选型中。在冰场实际维护过程，受辐射、对流和传导等多种类型热负荷影响，制冷机组的制冷负荷随之发生变化。如果不能根据冰场负荷实时调整制冷输出，过量的冷量会造成能耗的浪费。
3.经检索，中国专利公开号为cn111665880a公开了一种冰场温度控制系统及冰场温度控制方法，该专利将冰场温度测量值与冰场温度目标值
±
冰场温度浮差进行比较，以作出是否启动制冷机组的判断，以及在制冷机组启动时，根据冰场温度目标值与预设目标温差计算出水温度目标值，并将出水温度测量值与出水温度目标值
±
预设出水温度浮差进行比较，以对制冷机组进行加减载能量调节控制。虽然，该专利一定程度上能够降低制冷机组能耗，但是，该专利仅通过测量冰面温度，同冰面目标温度的偏差值进行比较，来控制制冷机组的启停，不能准确的模拟整个场馆的实时热负荷，进而无法实时调整制冷主机的制冷负荷，节能效果有限。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种冰场制冷负荷实时监测方法，根据冰场的环境参数，包括冰面温度、场顶温度、冰场温度、冰场风速，测算冰场的导热负荷、对流传热负荷、辐射热负荷，以及测算溜冰者的热负荷，综合考虑得到更为精确的冰场实时热负荷，利用该较为精确的冰场实时热负荷控制制冷机组，有利于达到节能的目的。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
6.一种冰场用的热负荷计算方法，包括以下步骤：
7.s1，检测冰场的环境参数，包括冰面温度、冰场温度、冰场风速、场顶温度；
8.s2，根据冰场的环境参数，分别计算冰场的导热负荷q1、传热负荷q2、辐射热负荷q3，以及溜冰者的热负荷q4；
9.s3，根据冰场的导热负荷q1、传热负荷q2、辐射热负荷q3，以及溜冰者的热负荷q4，计算冰场的热负荷q，计算方式如下：
10.q＝q1+q2+q3+q4。
11.进一步地，步骤s2中，所述冰场的导热负荷q1的计算方式如下所示：
[0012][0013]
q1＝k
·a·
δt；
[0014]
其中，k为总导热系数，δ1、δ2、δ3分别为冰场建筑的混凝土、保温层、水泥层的厚度；
u1、u2、u3分别为混凝土、保温层、水泥层的导热系数；a为冰场面积；δt为冰面温度与地下层温度之间的温差。
[0015]
进一步地，步骤s2中，所述冰场的传热负荷q2的计算方式如下所示：
[0016]
h＝3.41+3.55v；
[0017]
q2＝[h(t
a-t
l
)+32.75]
·
a；
[0018]
其中，h为对流传热系数；v为冰场风速；ta为冰场温度；t
l
为冰面温度。
[0019]
进一步地，步骤s2中，所述冰场的场顶为天花板，冰场的辐射热负荷q3由天花板的灯辐射产生，所述冰场的辐射热负荷q3的计算方式如下所示：
[0020][0021]
其中，ac为天花板面积；f
ci
为角系数；σ为斯特藩-玻耳兹曼常量；tc为场顶温度；t
l
为冰面温度；q
l
为照明功率；β为冰面的辐射吸收系数。
[0022]
进一步地，步骤s2中，所述冰场中溜冰者的热负荷q4的计算方式如下所示：
[0023]
q4＝αn；
[0024]
其中，n为某一时间段内溜冰者的人数；α为单个溜冰者的热负荷。
[0025]
一种冰场用的检测仪，检测仪包括：第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、刻度杆、可移动底座、风速传感器；
[0026]
所述可移动底座用于实现检测仪在冰面上的移动；所述刻度杆的底端与可移动底座连接；所述刻度杆的顶端远离冰面；
[0027]
所述第一温度传感器设置于可移动底座的底部，用于测量冰面温度；
[0028]
所述第二温度传感器设置于刻度杆的顶端，用于测量场顶温度；
[0029]
所述第三温度传感器设置在刻度杆上且可在刻度杆上下移动，用于测量冰场温度；
[0030]
所述风速传感器设置在刻度杆上且可在刻度杆上下移动，用于测量冰场风速。
[0031]
进一步地，检测仪还包括：湿度传感器；所述湿度传感器设置在刻度杆上且可在刻度杆上下移动，用于测量冰场湿度。
[0032]
一种冰场用的制冷控制方法，包括以下步骤：
[0033]
s21，根据冰场的实时热负荷q，以及制冷主机预设定的进出水温差，实时得到冷冻水流量的计算值qw：
[0034]qw
＝q/(3600
·
ρwδtwc)；
[0035]
其中，ρw为冷冻水密度，δtw为制冷主机预设定的进出水温差，c为冷冻水热容；
[0036]
s22，根据冷冻水流量的计算值qw，并通过调节水泵的频率实时控制冷冻水流量，使得实际冷冻水流量达到(1+x％)qw；x为实际冷冻水流量的裕度；
[0037]
s23，根据冰场的实时热负荷q，实时得到制冷负荷的计算值qc：
[0038]
qc＝q；
[0039]
s24，根据制冷负荷的计算值qc，并通过制冷负荷调节制冷主机中的压缩机负荷实时控制制冷负荷，使得实际制冷负荷达到(1+y％)qc；y为实际制冷负荷的裕度。
[0040]
进一步地，还根据实时检测的冰面温度进行判断，若冰面温度低于预先设定的低温阈值，则控制制冷主机的压缩机停止运行；若冰面温度高于预先设定的高温阈值，则控制
制冷主机的压缩机满负荷运行。
[0041]
一种冰场用的制冷控制系统，包括：检测仪、数据处理单元、控制器、水泵、温度保护装置、制冷主机；
[0042]
所述检测仪用于采集冰场的环境参数，包括：冰场温度、冰场风速、场顶温度、冰面温度；所述检测仪与数据处理单元之间的通讯连接，将检测仪所采集的冰场的环境参数传输给数据处理单元；
[0043]
所述数据处理单元用于根据冰场的环境参数实时计算冰场的热负荷q；所述数据处理单元与控制器通讯连接，将冰场的环境参数和所计算的冰场的热负荷q均传输给控制器；
[0044]
所述控制器分别与水泵、制冷主机通讯连接，用于根据冰场的热负荷，分别对水泵、制冷主机进行控制；
[0045]
所述温度保护装置分别与控制器和制冷主机通讯连接，所述控制器将冰场的环境参数中的冰面温度传输给温度保护装置；所述温度保护装置用于根据冰面温度对制冷主机进行控制。
[0046]
本发明的优点在于：
[0047]
(1)本发明公开了一种冰场的热负荷实时计算方法，通过在冰场上获取多点的冰面温度、场顶温度、冰场温度、冰场风速，测算冰场的导热负荷、对流传热负荷、辐射热负荷，以及测算溜冰者的热负荷，综合考虑得到更为精确的冰场实时热负荷，利用该较为精确的冰场实时热负荷控制制冷机组，有利于达到节能的目的。
[0048]
(2)本发明的检测仪结构简单、设备体积小、使用方便灵活，成本低廉。
[0049]
(3)本发明的制冷控制方法在维持冰面期间，即冰面温度处于高温阈值和低温阈值之间时，将冰场的热负荷和冰场的环境参数传输到处理器中，用以控制水泵的冷冻水流量和制冷机组的制冷负荷。
[0050]
(4)本发明的制冷控制方法将冰场的热负荷对应的冷冻水流量作为水泵的初始设定值，并根据实时的热负荷，进一步实时控制水泵的冷冻水流量，从而达到快速调节的效果。
[0051]
(5)本发明的制冷控制方法将冰场的热负荷对应的制冷量作为制冷机组的初始设定值，并根据实时的热负荷，进一步实时控制制冷机组的制冷量输出，从而达到制冷机组节能的目的。
[0052]
(6)本发明的制冷控制方法测算冰场在不同时刻下的热负荷，从而计算对应的冷冻水流量和制冷负荷，将不同时刻下的冷冻水流量的计算值和制冷负荷的计算值，实时反馈到水泵和制冷机组中提供变频的冷量输出，进一步达到节能的目的。
[0053]
(7)本发明的制冷控制系统处理流程简单，设备组件少，成本低廉，操作简单可靠。
[0054]
(8)现有技术的冰场制冷控制系统的负荷控制仅通过冰面温度进行调节，不能得到在设定冰面温度范围内制冷主机具体需要的负荷。本发明的制冷控制系统中，所检测的冰场的环境参数，不仅包括冰面温度，还包括场顶温度、冰场温度、冰场风速，基于所检测的冰场的环境参数计算得到冰场的实时热负荷，从而对制冷控制系统的水泵和制冷主机进行控制，达到节约能耗的效果。
[0055]
(9)本发明的制冷控制系统还增加了温度保护装置，防止冰面在过高或过低温度
下运行，提高系统的可靠性。
附图说明
[0056]
图1为本发明的一种冰场用的检测仪的结构图。
[0057]
图2为本发明的一种冰场用的热负荷计算方法的流程图。
[0058]
图3为本发明的一种冰场用的制冷控制系统的示意图。
[0059]
图4为本发明的一种冰场用的制冷控制方法的流程图。
[0060]
图5为本发明的冰场建筑的结构示意图。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062]
实施例1
[0063]
由图1所示，本发明的一种冰场用的检测仪，用于实时采集冰场的各项数据，包括：冰面温度、场顶温度、冰场温度、冰场湿度、冰场风速；
[0064]
本实施例中，冰场的场顶为天花板。
[0065]
检测仪包括：第一温度传感器21、第二温度传感器22、第三温度传感器23、刻度杆24、可移动底座25、湿度传感器26、风速传感器27；
[0066]
所述刻度杆24的底端与可移动底座25连接；所述可移动底座25用于实现检测仪在冰面上的移动；所述刻度杆24为可伸缩的刻度杆，所述刻度杆24垂直于冰面设置，刻度杆24的顶端朝向天花板。
[0067]
所述第一温度传感器21设置于可移动底座25的底部，第一温度传感器21用于测量冰面温度；
[0068]
所述第二温度传感器22设置于刻度杆24的顶端即远离可移动底座25的一端，刻度杆24的顶端靠近天花板，第二温度传感器22用于测量场顶温度；
[0069]
所述第三温度传感器23设置在刻度杆24上且可在刻度杆24上下移动，调节其在刻度杆24上的位置，检测过程中，调节第三温度传感器23使其位于刻度杆24的中间段，第三温度传感器23用于测量冰场温度；
[0070]
所述湿度传感器26设置在刻度杆24上且可在刻度杆24上下移动，调节其在刻度杆24上的位置，检测过程中，调节湿度传感器26使其位于刻度杆24的中间段，湿度传感器26用于测量冰场湿度；
[0071]
所述风速传感器27设置在刻度杆24上且可在刻度杆24上下移动，调节其在刻度杆24上的位置，检测过程中，调节风速传感器27使其位于刻度杆24的中间段，风速传感器27用于测量冰场风速。
[0072]
本实施例中，所述第三温度传感器23、湿度传感器26、风速传感器27通过同一个连接件即夹固定在刻度杆24上，冰场的环境参数即冰场温度、湿度、风速的测点选择距离冰面4m的高度处，即第三温度传感器23、湿度传感器26、风速传感器27设置在刻度杆24上且位于
距离冰面4m的高度处，且本实施例的冰场天花板为距离冰面6m～7m的高度处。
[0073]
实施例2
[0074]
由图2所示，本发明的一种冰场用的热负荷计算方法，包括以下步骤；
[0075]
s11，计算冰场的导热负荷q1，计算方式如下：
[0076][0077]
q1＝k
·a·
δt
[0078]
其中，k为总导热系数，δ1、δ2、δ3分别为冰场建筑的混凝土、保温层、水泥层的厚度，可由施工方提供；u1、u2、u3分别为混凝土、保温层、水泥层的导热系数；a为冰场面积；δt为冰面温度与地下层温度之间的温差，本实施例中，地下层温度是指场馆地下水泥层下面的温度，可以通过场馆预装的温度计进行检测。本发明中，冰场建筑的结构示意图由图5所示。
[0079]
s12，计算冰场的传热负荷q2，计算方式如下：
[0080]
h＝3.41+3.55v
[0081]
q2＝[h(t
a-t
l
)+32.75]
·a[0082]
其中，h为对流传热系数；v为冰场风速；ta为冰场温度；t
l
为冰面温度。
[0083]
s13，计算冰场的辐射热负荷q3，本实施例中，冰场的场顶为天花板，冰场的辐射热负荷q3由天花板的灯辐射产生，计算方式如下：
[0084][0085]
其中，ac为天花板面积；f
ci
为角系数，即辐射过程中天花板和冰面的相对位置，本实施例中，f
ci
取值为0.17；σ为斯特藩-玻耳兹曼常量，σ取值为5.67
×
10-8(w/m2k4)；tc为场顶温度；t
l
为冰面温度；q
l
为照明功率，可由厂方提供；β为冰面的辐射吸收系数，本实施例中，冰场顶部为天花板，无太阳辐射，仅有灯光辐射，冰面的辐射吸收系数β取值为60％。
[0086]
s14，计算溜冰者的热负荷q4，计算方式如下：
[0087]
q4＝αn
[0088]
其中，n为某一时间段内溜冰者的人数；α为单个溜冰者的热负荷，α的取值范围为200w～300w，本实施例中，α取值为250w。
[0089]
s15，根据冰场的导热负荷q1、传热负荷q2、辐射热负荷q3，以及溜冰者的热负荷q4，计算冰场的热负荷q，计算方式如下：
[0090]
q＝q1+q2+q3+q4[0091]
本实施例中，冰场的环境参数即冰场温度、冰场风速、冰面温度、场顶温度、冰面温度可通过实施例1的检测仪进行检测。理论上，在稳态下不同测点的冰面温度差在
±
0.2℃范围内，分布均匀；但为提高测试精度，可根据不同冰场类型，选用多个实施例1的检测仪，并均匀分布在冰场表面。
[0092]
本实施例中，冰场的天花板为距离冰面6m～7m的高度处。
[0093]
数据检测前，调节第三温度传感器23、湿度传感器26、风速传感器27在刻度杆上的位置，第三温度传感器23、湿度传感器26、风速传感器27通过同一个连接件设置在刻度杆24上，因此三者且可沿刻度杆24同时上下移动，本实施例中，调节第三温度传感器23、湿度传感器26、风速传感器27在刻度杆24上的位置，且三者位于距离冰面4m的高度处。
[0094]
数据检测过程中，检测仪上的各个传感器同时进行数据采集，时间步长为1min～5min，通过数据采集线传输到数据处理单元中进行分析计算，根据冰场的实时环境参数，得到冰场的热负荷随时间的变化曲线。
[0095]
实施例3
[0096]
由图3所示，本发明的一种冰场用的制冷控制系统，包括如下组成部分：数据采集线10、检测仪20、数据处理单元30、控制器40、水泵50、温度保护装置60、制冷主机70；
[0097]
所述检测仪20用于采集冰场的环境参数，包括：冰场温度、冰场风速、冰面温度、场顶温度、冰面温度，可选用实施例1的检测仪；根据不同冰场类型，在冰面上均匀布设多个检测仪20，将多个检测仪20所检测的数据取平均值得到冰场的环境参数；
[0098]
所述数据采集线10的一端连接检测仪20，另一端连接数据处理单元30，用于实现检测仪20与数据处理单元30之间的通讯连接，将检测仪20所采集的冰场的环境参数传输给数据处理单元30；
[0099]
所述数据处理单元30用于根据冰场的环境参数实时计算冰场的热负荷，所述数据处理单元30采用实施例2的冰场的热负荷计算方法；所述数据处理单元30与控制器40通讯连接，将冰场的环境参数和计算出的冰场的热负荷均传输给控制器40；
[0100]
所述控制器40分别与水泵50、制冷主机70通讯连接，用于根据冰场的热负荷，对水泵50、制冷主机70分别进行控制。所述水泵50为变频水泵。
[0101]
所述温度保护装置60分别与控制器40和制冷主机70通讯连接，所述控制器40将冰场的环境参数中的冰面温度传输给温度保护装置60；所述温度保护装置60用于根据冰面温度对制冷主机70进行控制。本实施例中，所述温度保护装置60是一种温度启停装置，冰面温度过高时，不再启用控制器40对制冷主机70进行控制，而是通过温度保护装置60控制制冷主机70以100％负载运行，冰面温度过低时，也是直接通过温度保护装置60控制制冷主机70以0％负载运行。
[0102]
实施例4
[0103]
基于实施例3的制冷控制系统，由图4所示，本发明的一种冰场用的制冷控制方法，具体如下所示：
[0104]
s21，控制器40根据数据处理单元30计算的冰场的实时热负荷q，并根据制冷主机70预设定的进出水温差，实时得到冷冻水流量的计算值qw：
[0105]qw
＝q/(3600
·
ρwδtwc)
[0106]
其中，ρw为冷冻水密度，δtw为制冷主机70预设定的进出水温差，一般不超过2℃，c为冷冻水热容，qw为冷冻水流量的计算值，
[0107]
s22，由控制器40发出控制指令给水泵50，实时调节水泵50的频率进而改变冷冻水流量，为给出足够的制冷量，本实施例中，将冷冻水流量留有10％的裕度，即调节水泵50的频率使得实际冷冻水流量值达到(1+10％)qw。
[0108]
s23，控制器40根据数据处理单元30计算的冰场的实时热负荷q，得到制冷负荷的计算值qc：
[0109]
qc＝q
[0110]
s24，在冷冻水流量留有10％的裕度后，由控制器40发出控制指令给制冷主机70，实时调整制冷主机70中的压缩机负荷，为给出足够的制冷负荷，本实施例中，将制冷负荷qc
留有10％的裕度，即调节制冷主机70中的压缩机负荷使得实际制冷负荷达到(1+10％)qc：
[0111]
将冰场的热负荷对应的冷冻水流量作为水泵的初始设定值，并根据后续计算的实时热负荷，进一步实时控制水泵的冷冻水流量；将冰场的热负荷对应的制冷量作为制冷机组的初始设定值，并根据后续计算的实时热负荷，进一步实时控制制冷机组的制冷量输出，即循环步骤s21～s24，对水泵和制冷机组进行自动调节，从而达到制冷机组节能的目的。
[0112]
在步骤s21～s24的控制过程中，温度保护装置60还根据实时检测的冰面温度进行判断，判断是否启动温度保护装置60，具体如下所示：
[0113]
若冰面温度低于预先设定的低温阈值，则温度保护装置60启动，制冷主机70不再受控制器40发出控制指令控制，而是由温度保护装置60发出控制指令给制冷主机70，控制制冷主机70的压缩机停止运行；
[0114]
若冰面温度高于预先设定的高温阈值，则温度保护装置60启动，制冷主机70不再受控制器40发出控制指令控制，而是由温度保护装置60发出控制指令给制冷主机70，控制制冷主机70的压缩机满负荷运行。
[0115]
本实施例中，低温阈值为比冰面要求温度低1.5℃的温度，高温阈值为比冰面要求温度高1.5℃的温度，
[0116]
实施例5
[0117]
基于上述的本发明的制冷控制方法和现有技术所提供的仅根据冰面温度与冰面目标温度的偏差值进行制冷控制的方法，分别对冰场的制冷主机进行制冷控制实验，进行耗能对比：
[0118]
若一定时间内，冰场的热负荷为500kw，制冷主机的额定制冷量为1000kw，则现有技术方法的制冷主机的启动时间和停机时间为1：1；然而本发明方法的制冷主机的压缩机可以始终以50％的负荷直制冷。
[0119]
由于较低负荷下对应的cop性能系数较高，较高负荷下对应的cop性能系数较低，本发明方法的功率为71kw，现有技术的功率为157kw，因此一小时内，本发明方法的耗电量为71kw
·
h，现有技术方法的耗电量为78.5kw
·
h，本发明方法节能9.6％。
[0120]
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。