Системы механического (искусcтвенного) оснежения как обязательный элемент современного лыжного центра

Евгений Ципорин / Александр Козлов / Александр Бутенко

(Группа компаний «Горимпекс»)

Россия — страна, как с самым большим (в перспективе) рынком лыжного снаряжения, так и с самыми большими в мире возможностями по строительству и эксплуатации современных лыжных центров. Сегодня подавляющее большинство российских лыжников катаются не в самых лучших условиях, а значит — есть дефицит, а значит, — рынок для строительства подобного рода спортивных сооружений супер-перспективен, лыжные центры будут востребованы наверняка. Вместе с тем, этот рынок имеет ряд особенностей. Стоит отметить, что большинство существующих в реальности или на бумаге российских лыжных центров расположены поблизости от больших городов, что является как набором «плюсов» (удобно добираться от городской черты до лыжной трассы, удобно организовывать саму работу лыжного центра с точки зрения коммуникаций и т.п.), так и набором «минусов» и про вот один из таких «минусов» необходимо сказать подробно.

Дело в том, что большинство российских городов, а особенно — городов-«миллионников», вокруг которых и собраны лыжные центры, расположены в зоне с неустойчивыми зимами, с изменчивой погодой с ноября по март и с мгновенно исчезающим бесценным снежным покровом в случае оттепели. Все помнят «чудовищную» зиму сезона 2006–2007 г.г., побившую все показатели по высоким температурам — до +14 °С в Москве в январе и такие «рекорды» были установлены по всей европейской территории России.

Естественно, что такие природные катаклизмы «убивают» любой спрос на услуги лыжных центров, сводят на нет все усилия по строительству и благоустройству: нет снега — никто из лыжников не приедет поглядеть на зеленую травку, протаявшую сквозь перемерзшую грязь. Вместе с тем, даже такие «минусы» можно превращать в «плюсы», используя современные технологии, а именно — устанавливая на лыжных центрах системы механического оснежения, попросту говоря — системы, делающие искусственный снег.

Подобные технологии используются на Западе уже много лет, они тщательно проработаны и позволяют даже в условиях города (пример — ежегодный этап Кубка мира по лыжным гонкам в Дюссельдорфе) делать полноценную лыжную трассу.

Вместе с тем, эти технологии имеют ряд особенностей, учитывать которые необходимо.

Практически все лыжные центры Европы используют производство снега с помощью систем оснежения в периоды, когда природного снега недостаточно для полноценного катания на лыжах. Процесс образования искусственного снега требует трех составляющих — низкой температуры окружающей среды, значительного количества воды и, наконец, наличия сжатого воздуха. При получении снега с помощью снегогенераторов (снежных пушек) используются значительные объемы воды и электрические мощности. Эта статья включает в себя следующие разделы:

1. Системы оснежения

2. Резервуары

3. Температура по влажному/сухому термометру

4. Специальные добавки

5. Системы предварительного охлаждения воды

6. Управление системами оснежения

7. Воздушные компрессоры

8. Трубопроводы

1. Системы оснежения

Профессиональный подход к производству качественного снега очень важен, и многие из поставщиков систем оснежения говорят «Производство снега — искусство». Качество снега, полученного в результате применения систем оснежения, может варьироваться от «очень сухого» до «очень влажного». Трассы для новичков, для массового использования не такие, как трассы для профессионалов, и требуют совершенно другой толщины снежного покрова и качества снега. Качество снега также влияет на удобство процесса распределения его по лыжным трассам. К примеру, для получения трассы исключительного качества, зачастую, на основной слой влажного тяжелого снега бывает необходимо уложить слой сухого и легкого снега.

Системы оснежения воспроизводят природный процесс снегообразования. В природе снег образуется в результате конденсации водных паров в микрокристаллы льда при низкой температуре окружающей среды и низкой относительной влажности. Чистая вода замерзает (теоретически) при температурах ниже 0 °С, когда несколько молекул воды соединяются одна к другой, и образуют то, что называют эмбрионом, затравкой или центром нуклеации. Близлежащие молекулы воды продолжают присоединяться к эмбриону и формируют кристаллы льда. Такой процесс называется гомогенной нуклеацией. Если при образовании кристаллов льда в воде присутствуют примеси, то такой процесс называется гетерогенной нуклеацией. Примеси служат в качестве центров нуклеации (затравок) для формирования кристаллов льда. Гетерогенная нуклеация возможна даже при положительных температурах окружающей среды. Температура, при которой происходит образование ледяных кристаллов на примесях, называется температурой гетерогенной нуклеации. Машины для производства снега — снегогенераторы, используют эти физические процессы для приготовления снега с использованием охлаждающего сжатого воздуха, воды и, иногда, добавок, которые используются как катализаторы кристаллизации.

Существует три типа снегогенераторов (снежных пушек) — снегогенераторы с внутренним смешиванием, снегогенераторы с внешним смешиванием, и, наконец, вентиляторные снегогенераторы. Факторы, которые учитываются при выборе типа оборудования, включают в себя:

- скорость ветра;

- направление ветра;

- температура окружающего воздуха;

- относительная влажность;

- доступность сжатого воздуха;

- доступность электроэнергии;

- расположение склонов к сторонам света;

Ниже приведены краткие описания трех типов систем оснежения:

Система с внутренним смешиванием — система с использованием смешивания воды и воздуха во внутренней камере форсунки снегогенератора. При выходе смеси воды и сжатого воздуха из форсунки происходят расширение этой смеси и термодинамический эффект охлаждения (ниже 0 °С). Крошечные капли воды замерзают, формируя микрокристаллы, которые, в свою очередь, становятся центрами нуклеации. На таких центрах нуклеации (затравках) из более крупных капель формируются хлопья снега.

Система с внешним смешиванием — Еще один тип водовоздушной системы. Такие системы предусматривают выход сжатого воздуха и воды под давлением через отдельные сопла снегогенератора. Сжатый воздух расширяется и сильно охлаждает микроскопические капли воды, выходящие из водных форсунок. При этом образуются центры нуклеации. В системах с внешним смешиванием скорость струи ниже, чем в системах с внутренним смешиванием. По этой причине снегогенераторы с внешним смешиванием монтируются на башнях для того, чтобы дать каплям воды достаточно времени для нуклеации и формирования снега до достижения ими уровня грунта. Иногда используют системы с внешним смешиванием без применения сжатого воздуха и вентиляторов. При этом для успешного производства качественного снега используют дорогостоящие добавки, высокие давления и охлажденную воду.

Вентиляторные системы — В вентиляторных системах используется подача воздуха с помощью вентилятора, вместо сжатого воздуха, для формирования взвеси капель воды в воздухе. При этом капли находятся в воздухе достаточное время для того, чтобы значительно охладиться и замерзнуть. Вентиляторные системы зачастую оснащены также устройствами для зародышеобразования. Обычно такое устройство состоит из небольшого воздушного компрессора, установленного непосредственно на снегогенераторе, и контура зародышеобразующих воздушных форсунок. При этом смешивание сжатого воздуха с водой и последующая кристаллизация происходит уже в окружающей среде. Этот тип пушек наиболее востребован и распространен.

Снегогенераторы, которые используются в системах с внутренним и внешним смешиванием, не требуют внешнего источника электроэнергии на месте установки снегогенератора. Но, несмотря на это преимущество, такие системы требуют наличия централизованных компрессорной и насосной станций. Вентиляторные пушки требуют подвода силовых кабелей непосредственно на место установки снегогенераторов для питания вентиляторов и воздушных компрессоров. Системы с внутренним смешиванием и системы вентиляторных пушек работают в очень широком диапазоне температур и позволяют контролировать качество снега, благодаря использованию вентиляторов и воздушных компрессоров. Эти технологии наилучшим образом подходят для широких трасс и трасс, которые планируется открывать в самом начале зимнего сезона для первоначального покрытия снегом. Системы с внешним смешиванием являются более экономичными в плане расхода электроэнергии, но позволяют работать в более узком диапазоне температур. Еще одним недостатком систем с внешним смешиванием является высокая чувствительность снегогенераторов к ветру. При использовании систем с внешним смешиванием требуется на 30% больше работы снегоуплотнительных машин, по сравнению с использованием систем с внутренним смешиванием/вентиляторных систем. Такие системы рекомендуется использовать для узких трасс и трасс, открывающихся позднее. При выборе типа снегогенераторов учитывается не только первоначальная стоимость покупки снегогенераторов, но и стоимость самой системы (башни, насосные/компрессорные станции). В расчет также принимаются эффективность и возможность применения данного типа снегогенераторов в конкретных условиях склона. При этом учитываются температура оснежения, тип местности, ширина трассы, желаемая дата начала сезона, требования к уровню шума.

Таблица 1. Преимущества и недостатки определенных типов систем оснежения

2. Искусственные водоемы

Получение снега требует значительного количества воды. Для создания снежного покрытия толщиной 16 см на площади 60 на 60 м требуется 277500 литров воды. Такая значительная потребность в водных ресурсах зачастую бывает проблемой для лыжных центров, поскольку требуются источники воды со значительным запасом воды. Водозабор из природных источников во время зимнего сезона при низкой скорости течения воды может нанести вред природе. Для защиты обитателей водоемов и возможности использования небольших ручьев и речек обычно создаются искусственные водоемы систем оснежения. Использование искусственных водоемов позволяет также минимизировать затраты на транспорт воды по трубопроводам. Такая экономия за счет сил гравитации возможна при условии, что водоем будет располагаться выше уровня установки системы оснежения. При этом затраты на строительство искусственного водоема окупаются за счет экономии электроэнергии на подъем воды в течение нескольких лет.

3. Температура по влажному/сухому термометру

За температуру сухого термометра принимают температуру окружающего воздуха. Относительная влажность — количественный показатель содержания водных паров в атмосфере. Относительная влажность окружающего воздуха играет очень важную для производства снега роль. Увеличение количества водных паров в воздухе ведет к уменьшению скорости охлаждения водных капель до температур нуклеации (образования кристаллов). При распылении водных капель в воздух при низкой влажности, то есть при низком содержании водных паров, часть этой воды испаряется и за счет этого охлаждает окружающий воздух, т.к. для испарения воды нужно нагреть ее до достижения скрытой теплоты испарения. Чтобы испарить 1 литр воды, нужно 539 калорий, в то время как для ее замерзания требуется только 80 калорий. Это означает, что испарение одного литра воды позволяет заморозить 6,7 литров воды при температуре 0 °С (для охлаждения воды на 1 °С требуется высвобождение только 1 кал. и в этом причина того, что температура воды не слишком сильно влияет на термальный баланс процесса производства снега).

В первом приближении можно принять охлаждающий эффект процесса испарения следующим образом: уменьшение реальной температуры по сухому термометру на 0,5 °С на каждые 10% падения относительной влажности. Примеры:

- Воздух при -2 °С и 50 % относительной влажности имеет ту же охлаждающую способность, что и насыщенный воздух (100% отн. вл.) при -4 °С.

- Воздух при 0 °С и 40% относительной влажности имеет ту же охлаждающую способность, как и насыщенный воздух при -3 °С.

Температура по смоченному термометру (влажностная температура) учитывает сразу два фактора - температуру окружающей среды и относительную влажность, поэтому этот параметр и применяется при проектировании систем оснежения. Температура по влажному термометру — это температура микрокапель, выходящих из форсунок снегогенератора, которая достигается при завершении всех теплообменных процессов с окружающей средой. Все автоматические системы (включая управление водными ресурсами), установленные в западных странах Европы, обычно начинают производить снег при -4 °С по влажному термометру. При этом полагают, что производство снега при более высоких температурах является непродуктивным и неоправданно дорогим. Только на нескольких курортах, расположенных в более теплых частях Европы, например в Испании и Португалии, начинают производить снег при -2 °С по влажному термометру, поскольку в таком случае не остается выбора.

4. Специальные добавки

Для формирования кристаллов воды при высоких температурах окружающей среды используют специальные добавки в воду. Молекулы таких добавок играют роль зародышей (затравок), вокруг которых происходит формирование кристаллических структур. Как было сказано выше, такой процесс формирования кристаллов называется гетерогенной нуклеацией. В качестве специальных добавок используются специальные белки (протеины). Такие добавки позволяют экономить электроэнергию и производить снег хорошего качества при маргинальных температурах. Принятие решения использовать специальные добавки обычно зависит от чистоты используемой воды и наличия/отсутствия в ней природных веществ, способствующих процессу кристаллообразования. Зачастую вода из природных водоемов уже содержит достаточное количество необходимых веществ, и, следовательно, использование добавок не требуется.

5. Системы охлаждения

При температурах источника воды более +5°С для охлаждения воды перед подачей ее на систему оснежения используют специальные системы охлаждения. Уменьшение температуры воды положительно влияет на эффективность снегообразования путем снижения потерь энергии на испарение воды. Системы охлаждения могут иметь различные конструкции и принципы работы. Могут использоваться как градирни (охлаждающие башни), так и системы прямоточного охлаждения. Использование градирен позволяет раньше открывать горнолыжный сезон и производить снег при более высоких температурах окружающей среды.

6. Управление системами оснежения

Одним из важных моментов при выборе оборудования для системы оснежения является выбор типа управления, так как от этого в значительной степени будут зависеть дальнейшие эксплуатационные затраты.

Описание работы и преимущества автоматических систем:

Информация о погодных условиях окружающей среды (влажность, температура, скорость и направление ветра) поступает в виде стандартного аналогового или цифрового сигнала на систему управления. Система автоматизации производит оценку погодных условий и автоматически (без участия оператора) регулирует технологические параметры процесса производства снега. Оператор, при желании, также может с помощью компьютера задавать рабочие параметры процесса. Автоматическое управление позволяет значительно снизить затраты на перекачивание воды и воздуха (не требуется излишних затрат на перекачивание излишков) и на обслуживание системы. Значительно сокращается время, необходимое для настройки системы, поскольку время отклика компонентов системы составляет всего лишь доли секунды. При этом эффективность автоматических систем с внутренним смешиванием и вентиляторных систем возрастает на 30-50% по сравнению с ручными системами.

Для систем с внешним смешиванием увеличение эффективности незначительно, поскольку такие системы не требуют постоянных регулировок. При резких переменах погодных условий бывает необходимым перейти с оснежения одной площади на другую. Программное обеспечение позволяет оператору с легкостью сконцентрироваться на таких задачах, в то время как адаптация к погодным условиям обеспечивается самой системой. Система управления автоматически регулирует давление воды для адаптации системы оснежения к погодным условиям. Более того, автоматика воздушных компрессоров регулирует давление в воздушной линии и при необходимости распределяет нагрузку между компрессорами, а также включает/выключает их в зависимости от потребности системы в воздухе. Программное обеспечение позволяет осуществлять непрерывный мониторинг параметров процесса (температура воды, расходы/давления воды и воздуха).

Запуск систем с ручным управлением занимает от одного до четырех часов, а выключение от одного до трех часов. В начале сезона промежутки времени, в течение которых возможно производить качественный снег, составляют от 6-ти до 8-ми часов. Запуск и выключение автоматических систем происходит за семь-пятнадцать минут. Автоматические системы в непрерывном режиме следят за качеством производимого снега путем непрерывной подстройки рабочих параметров снегогенераторов. Ручные же системы требуют контроля и настройки квалифицированным персоналом непосредственно на месте установки снегогенераторов в случае изменения погодных условий, что отрицательно сказывается на качестве снега и повышает его себестоимость. Прирост оперативной эффективности систем оснежения по сравнению с ручными системами составляет 40-60%.

Надежность и безопасность систем являются определяющими факторами при выборе типа управления, поскольку в системах используются очень высокие давления воды и воздуха. Правильно установленная система автоматики позволяет контролировать эти параметры без вмешательства оператора в работу потенциально опасных элементов систем. Система мгновенного оповещения о внештатных ситуациях и состоянии оборудования позволяет оператору без промедления скорректировать работу системы.

Наконец, системы автоматики создают архивные файлы-отчеты обо всех аспектах процесса снегогенерации (израсходованная электроэнергия, потребленные водные ресурсы, количество и качество произведенного снега, а также экономические анализы).

7. Воздушные компрессоры

Наличие системы воздушных компрессоров — зачастую неотъемлемое условие существования системы оснежения. Сжатый воздух, при выходе его из форсунки снегогенератора, служит для получения дисперсии микрокапель в воздухе. Эти микрокапли и являются «сердцем» будущих снежинок. Для систем с внутренним смешиванием использование сжатого воздуха является необходимым условием получения водовоздушной смеси. Для таких систем процесс образования кристаллов снега зависит от продолжительности нахождения капель в воздухе и от эффекта охлаждения при расширении водовоздушной смеси на выходе из форсунки. Системы с внешним смешиванием и вентиляторные системы основаны на этих же физических закономерностях.

Главный источник энергопотребления в системах оснежения — воздушные компрессоры. Обычно, 40-70% энергопотребления приходится на воздушные компрессоры и их автоматику. Системы сжатия воздуха состоят из компрессоров, системы подачи воздуха, элементов автоматики и, иногда, систем для хранения сжатого воздуха. Первоначальные расходы на покупку воздушных компрессоров — только часть подводного айсберга капитальных затрат, поскольку годовая сумма счетов за электроэнергию сравнима с затратами на приобретение самих компрессоров. Поэтому для систем оснежения очень важен выбор компрессора с высокими эффективностями и КПД. Немаловажную роль играет также герметичность систем подачи воздуха, поскольку при ее негерметичности возможны потери до 20-30% произведенного сжатого воздуха.

8. Трубопроводы

Особое внимание в системах механического оснежения уделяется трубопроводам, от которых в немалой степени зависит качество, надёжность и долговечность работы всей системы. Европейскими компаниями, на основе многолетнего опыта эксплуатации и с учётом специфики монтажа в горных условиях, были разработаны специальные виды труб, технологии их укладки и соединения, обеспечивающие оптимальное соотношение скорости, качества и затрат на систему водоснабжения.

Например:

- при использовании относительно дорогостоящих быстроразъёмных труб с внешним и внутренним пластиковым покрытием и 30-летним сроком службы обеспечивается высокое качество воды, максимальная скорость и минимальная себестоимость строительных работ и дальнейшей эксплуатации, так как нет необходимости в долговременном использовании спец. техники, высококвалифицированных монтажниках, сварщиках, тестировании швов и т.д.

- при использовании максимально дешёвых сварных, длинных и тяжёлых «чёрных» труб, специально не предназначенных для использования в условиях сильно пересеченной местности (укладка которых требует спецтехники, способной работать на каменистых грунтах при больших уклонах, специальных технологий качественной сварки, «заякоревания», монтажа, гидроизоляции и пр.) не только в 3-4 раза возрастает общая себестоимость строительства водопровода, но из-за низкого срока службы (около 5-ти лет) и качества воды (ржавчина) резко возрастают эксплуатационные расходы на всё оборудование механической системы оснежения в целом (насосные станции, гидранты, снегогенераторы).

Оптимальным вариантом при низкой первоначальной стоимости и приемлемом качестве (если позволяют сроки благоприятных для работ погодных условий) являются лёгкие раструбные сварные оцинкованные трубы. Но целесообразность их применения обязательно должна определяться исходя из специфики условий местности в каждом конкретном случае.

Надеемся, что приведенные выше данные убедят потенциальных инвесторов и организаторов современных лыжных центров в том, что при установке систем механического оснежения необходимо учитывать все факторы, связанные как с техникой, так и с местом, где будет монтироваться система. Кроме того, система механического оснежения всегда нуждается в установке и обслуживании ТОЛЬКО профессионалами и «любительство» в этом процессе недопустимо.

Для составления технико-экономического предложения организатор лыжной трассы должен представить топосъемку местности в масштабе М 1:1000 или М 1:2000 со следующими данными:

- площади, подлежащие оснежению;

- схемы лыжных трасс и здания инфраструктуры;

- место и характер водозабора (дебет воды куб.м./час);

- время для первоначального оснежения с толщиной слоя снега 30см (обычно принимается 50-200 часов);

- данные по температуре и влажности воздуха или по температуре по влажному термометру (для запуска системы в начале сезона, для работы в течение сезона);

- данные о преобладающем направлении и скорости ветра;

- степень автоматизации системы (ручная, полуавтоматическая, полностью автоматическая централизованная).

Для планирования ЛЮБЫХ инвестиций, как по размеру, так и по срокам в системе механического оснежения необходимо ОБЯЗАТЕЛЬНО учитывать несколько факторов, а именно:

1. Любой лыжный комплекс, претендующий на интенсивное и эффективное использование, нуждается в системах механического оснежения.

Даже в местности с достаточным естественным снежным покрытием применение  систем механического оснежения позволяет не только продлить сезон как минимум на месяц, повышая  рентабельность,  но и  обеспечивает стабильность  планирования и проведения различных мероприятий и соревнований, гарантирует наличие устойчивого снежного покрытия на трассах  с интенсивным использованием, позволяет создавать специализированные снежные сооружения (горки, широкие зоны «старт-финиш» и пр.), что, в свою очередь, резко повышает ликвидность комплекса в целом.  А в условиях «глобального потепления» применение систем механического оснежения становится особенно актуально.

2. Система  оснежения — это комплекс инженерных сооружений и устройств, который обязательно включает:

- искусственный водоем для хранения воды (если нет естественного — озера или реки);

- водозабор (погружные, скважинные насосы);

- систему фильтрации воды;

- оборудование для охлаждения воды (градирня или прямоточное охлаждение), при необходимости;

- основные насосные/компрессорные станции (насосная станция может быть мобильной, в некоторых типах систем оснежения компрессоры устанавливаются непосредственно на пушках)

- подвод воды/воздуха (трубопроводы, гидранты, система дренажа)

- измерительное оборудование (погодные и ветровые станции, приборы контроля давления и расхода воды/воздуха и т.п.)

- снеговые пушки различного типа (водно-воздушные с внутренним и внешним смешиванием, вентиляторные многофорсуночные и с центральной форсункой) стационарные или мобильные

- системы управления системой оснежения (блоки ПЛК (программируемый логический контроллер), кабели управления или оптико-волоконная сеть, ПК при централизованном управлении, модули радиоуправления)

- подвод силового электропитания от ТП (разъемы для подключения пушек, электрический силовой кабель).

Системы механического оснежения Snowstar. Проектирование, монтаж, ремонт, сервисное обслуживание.

Официальный представитель Snowstar в России – Группа компаний «Горимпекс».

125167, Москва, 4-ая ул. 8-го Марта, д.6 а (бизнес-центр "Аэропорт")

Тел: (495) 152-39 41, 223-69-24, 152-98-25

E-mail: info@gorimpex.ru

www.gorimpex.ru