[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种功能优化方法，通过将系统性能系数（COPsys）建模为载冷剂性质、管道设计和运行参数的多变量函数，以最大化冰球馆系统的COPsys。研究发现，载冷剂类型和比热是性能的关键因素，氨水优于乙二醇；泵功耗仅占总能耗的约7%，因此相比制冷机和压缩机效率，其作为优化目标的优先级较低。

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.

研究动机与目标

• 为解决冰球馆能耗过高的问题，其年能耗通常超过1,800 MWh。
• 识别可使系统COP（COPsys）最大化的设计与运行参数，COPsys定义为制冷负荷与总电耗之比。
• 评估载冷剂类型、浓度、管道直径、深度及管道数量对系统效率的影响。
• 利用芬兰某冰场的实际热流密度和界面温度测量数据（每五分钟一次）对模型进行验证。
• 为节能型冰场制冷系统提供实际可行且成本受限的设计建议。

提出的方法

• 本研究采用功能优化（FO）方法，一种多变量分析方法，将COPsys建模为电耗、载冷剂物理性质及系统参数的函数。
• COPsys基于理论公式推导，并利用2009年芬兰莱帕瓦拉某冰场的实验数据进行验证，该数据包含每五分钟一次的热流密度和界面温度测量。
• 该方法评估COPsys对体积流量、载冷剂密度、比热、管道直径、深度及管道数量等变量的敏感性。
• 使用COMSOL Multiphysics进行仿真，分析不同管道配置下冰面的热性能与温度均匀性。
• 模型受技术限制约束，如混凝土板厚度、保温层承载能力及管道间距，并基于实际成本数据进行验证。
• 开展成本效益分析，比较将管道数量从150根增至200根的经济影响，考虑安装与流体成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种最优载冷剂类型与浓度可使冰球馆的COPsys最大化？
• RQ2 COPsys对体积流量、管道直径及混凝土板内管道深度的变化有多敏感？
• RQ3 将管道数量从150根增至200根是否能显著提升温度均匀性与系统性能？
• RQ4 载冷剂泵与压缩机及冷凝器相比，对总电耗的相对贡献如何？
• RQ5 功能优化方法是否可用于指导冰场制冷系统中成本可控且节能高效的设计决策？

主要发现

• 泵功耗仅占总电耗的约7%，因此对系统效率低下的贡献较小。
• COPsys对体积流量或管道直径与深度的变化不敏感，其对系统性能影响微乎其微。
• 存在一个临界载冷剂密度，使COPsys达到最大值，且该值与具体载冷剂类型无关。
• 由于比热容更优，氨水提供的COPsys高于乙二醇。
• 乙二醇仅在20%至34%浓度范围内推荐使用，以避免细菌滋生并确保最佳性能。
• 将管道数量从150根增至200根可提升冰面温度均匀性，但成本增加超过50%。