[論文レビュー] Energy optimization in ice hockey halls I. The system COP as a multivariable function, brine and design choices

Andrea Ferrantelli, Paul Melóis+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2012

Wind and Air Flow Studies参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、冷媒特性、配管設計、運用パrameterを変数とする多変数関数としてCOPsys（システム冷媒効率比）をモデル化することで、アイスホッケーグランドにおけるシステム冷媒効率比（COPsys）を最適化するための機能的最適化手法を提案する。その結果、冷媒の種別と比熱が性能に大きな影響を与え、アンモニアがエチレングリコールを上回ること、ポンプの消費電力は総消費電力の約7％にとどまり、冷媒冷却機や圧縮機の効率に比べて最適化の優先度は低いことが判明した。

ABSTRACT

This work is the first in a series of articles addressing the energy optimization in ice hockey halls. Here we adopt an analytical method, called functional optimization, to find which design and operating conditions maximize the Coefficient Of Performance of the entire cooling system (brine pumps and cooling tower), which we call ${ m COP}_{sys}$. This is addressed as a function of several variables, like electric consumption and brine physical properties. By maximizing such function, the best configuration and brine choices for the system can thus be determined accurately and rigorously. We investigate the importance of pipe diameter, depth and brine type (ethylene glycol and ammonia) for average-sized ice rinks. An optimal brine density is found, and we compute the weight of the electric consumption of the brine pumps on ${ m COP}_{sys}$. Our formulas are validated with heat flow measurement data obtained at an ice hockey hall in Finland. They are also confronted with technical and cost-related constraints, and implemented by simulations with the program COMSOL Multiphysics. The multivariable approach here discussed is general, and can be applied to the rigorous preliminary study of diverse situations in building physics and in many other areas of interest.

研究の動機と目的

• アイスホッケーグランドのエネルギー消費が通常年間1,800 MWhを超えるという高消費電力問題に対処すること。
• 冷却負荷と総電気消費電力の比として定義されるシステム冷媒効率比（COPsys）を最大化するための設計および運用パrameterを同定すること。
• 冷媒種別、濃度、配管径、深さ、および配管本数がシステム効率に与える影響を評価すること。
• フィンランドのアイスリンクで実施された実際の熱束および界面温度測定データを用いてモデルを検証すること。
• エネルギー効率の良いアイスリンク冷媒システムの設計に対して、実用的でコスト制約のある推奨事項を提示すること。

提案手法

• 本研究では、電気消費電力、冷媒の物理的特性、およびシステムパrameterを変数とする多変数解析手法としての機能的最適化（FO）を用い、COPsysを関数としてモデル化する。
• COPsysは理論的式から導出され、フィンランドのレッパバアラで2009年に実施された実験データ（5分ごとの熱束および界面温度測定）を用いて検証された。
• 本手法では、体積流量、冷媒密度、比熱、配管径、深さ、および配管本数といった変数に対するCOPsysの感度が評価された。
• COMSOL Multiphysicsを用いたシミュレーションにより、異なる配管配置における氷面における熱的性能および温度均一性が分析された。
• コンクリート床の厚さ、断熱材の耐荷重、および配管間隔といった技術的制約をモデルに組み込み、実際のコストデータに基づいて検証された。
• 配管本数を150本から200本に増加させた場合の経済的影響を検討するため、コスト・ベネフィット分析が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスホッケーグランドにおけるCOPsysを最大にする最適な冷媒種別および濃度は何か？
• RQ2 体積流量、配管径、およびコンクリート床内における配管深さの変動がCOPsysに与える感度はどの程度か？
• RQ3 配管本数を150本から200本に増加させることは、温度均一性およびシステム性能を顕著に向上させるか？
• RQ4 冷媒ポンプの消費電力と圧縮機・コンデンサーの消費電力が、総電気消費電力に占める相対的寄与度はどの程度か？
• RQ5 機能的最適化手法は、コスト効率の良いエネルギー効率の良いアイスリンク冷媒システムの設計意思決定を支援できるか？

主な発見

• ポンプ消費電力は総電気消費電力のわずか約7％にとどまり、システム非効率性の主な要因とはならない。
• COPsysは体積流量や配管径・深さの変化に対して顕著に影響を受けず、システム性能にほとんど影響を与えない。
• COPsysが最大値を示す臨界的な冷媒密度が存在し、冷媒種別にかかわらずその値は一定である。
• アンモニアは比熱容量に優れるため、エチレングリコールよりも高いCOPsysを実現する。
• バクテリアの増殖を避けるため、エチレングリコールは20％～34％の濃度で使用されるのが推奨される。
• 配管本数を150本から200本に増加させることで、氷面における温度均一性が向上するが、コスト増加は50％を超える。