獨墅湖體育館主賽場場館空調系統改造設計及分析

張 勇， 姜肇鋒， 劉成興， 印偉偉， 湯愛奇

（中衡設計集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

蘇州獨墅湖體育發展中心位于蘇州獨墅湖科教創新區內，其作為蘇州市重要的體育場館，自2006年竣工投入使用以來，承辦了國際男籃挑戰賽等各種國際國內大型賽事。獨墅湖東主體建筑一層為展廳、商店等用房，二層至四層(標高5.50m至標高27.0m)為體育館部分。體育館內層高21.5m，場館內分為比賽區和觀眾區，體育館東、西、北三面均設有移動座椅，南面為主席臺及VIP觀眾席區。

獨墅湖東主體體育館內采用2臺1163kW直燃型溴化鋰機組進行制冷和供熱，同時場館內空調系統采用全空氣系統，分別在二層和三層東南角和西北角合計設置4處空調機房。二層每個機房內布置40000CMH和50000CMH組合式空調處理箱各一臺；三層每個機房內布置50000CMH組合式空調處理箱各一臺（如圖1所示）。

體育館比賽區域空調系統氣流組織為館內空氣經二層東西兩側標高6.5m處低位均勻分散設置的百葉風口分別回風至二層兩個空調機房內與新風混合經空調箱處理后，送至館內標高18.2m處東西兩側高位噴口噴射至比賽場地區域。體育館觀眾區域空調系統氣流組織設計為館內空氣經二層南北兩側標高6.5m處低位均勻分散設置的百葉風口和東南西北四側標高18.2m處高位均勻分散設置的百葉風口同時從場館高位和低位回風至兩處豎向回風干管，再同時與二層和三層空調機房內空調箱回風風管連接，回風與新風混合經空調箱處理后送至觀眾區座椅下部土建腔體(送風土建靜壓箱)，再由均勻布置的固定座椅專用旋流風口經階梯側面送出。場館內標高6.5m處的低位回風百葉設置于活動座椅儲藏室內(前排固定座椅下方)。

隨著場館使用時間的延續，用于獨墅湖東主體建筑的2臺1163kW直燃型溴化鋰機組已經使用十年左右，機組性能急劇衰減、效率大幅降低，加之原有空調送回風管路損毀、土建送風靜壓箱熱惰性等原因，獨墅湖東主體建筑空調系統已無法滿足正常運行時的空調需求。

圖1 原設計空調送回風系統示意圖Fig.1 The original air conditioning distribution system schematic diagram

1 空調系統改造方案設計

項目改造方案從更換空調冷熱源主機、修復及優化送風管路兩個方面來進行，具體如下：

1.1 空調冷熱源主機

體育場館空調部分負荷工況時常占比較大，結合場館分區控制運行的思想，選用直流變頻驅動技術、高效換熱器技術、過冷器技術、基于工業微機的智能喘振技術以及磁懸浮無油運轉技術的先進高效節能的磁懸浮離心機組，其在部分負荷工況下，可以實現負荷在5%～100%范圍內智能無級調節，IPLV值在10.5左右遠高于等同工況下的常規離心機組(IPLV為7.5)。同時磁懸浮離心機組無潤滑油系統，運行維護要求低，智能控制程度高。

結合場館特點，經過空調負荷校核計算，改造設計中選用1臺1500kW磁懸浮離心機組和2臺580kW燃氣熱水鍋爐替代原直燃型溴化鋰機組。原有直燃型溴化鋰機組暫時先并入系統作為備用冷熱源。

1.2 優化送、回風管路

現有空調送回風系統經過幾年的運行，經過檢查發現其存在如下問題：1）固定座椅下部土建靜壓箱為混凝土結構，未采取任何保溫措施，將其作為送風口，由于靜壓箱的蓄熱導致送風溫度偏高；2）部分送風管路嚴重損壞，影響系統送風。

針對以上問題，結合工程實施難度，特提出如下修復及優化送、回風管路方案：

將觀眾區域原座椅風口改用作回風，則土建腔體由送風靜壓箱功能轉變為回風靜壓箱功能。將體育館內6.5m標高處低位百葉風口和18.2m標高處高位百葉風口由回風功能轉變為送風功能。場館內18.2m標高處原東、西兩側高位球噴送風系統保留不變；將南北兩側原高位回風支路改造，原百葉風口改為球噴送風；6.5m標高處原東、西兩側高位回風支路不變，以利用原百葉風口實現高位觀眾區域的空調送風。

將改造前后的氣流組織形式制表對比，見表1。

表1 改造前后氣流組織對比Tab.1 Comparison table of airflow before and after retrofit

1.3 分區域獨立運行

原系統中通過豎向干管將低位和高位管路系統連接在一起，運行時賽場區域、低位觀眾席區域和高位觀眾席區域都需要打開。在某些小規模活動中，僅賽場區域及低區觀眾席區域需要空調，全部打開造成能源浪費。

改造設計中豎向干管在中間斷開，二層機房空調處理箱與低位送風連接，三層機房空調處理箱與高位送風連接，將低位送風和高位送風系統分開。實現場館內比賽區域、低位觀眾席區域和高位觀眾席區域的空調系統分區獨立控制運行,具體改造后系統流程如圖2所示。

通過以上改造，實現體育館分區域獨立運行的目的，這對于體育館承辦一些小規模活動等僅使用賽場區域及低區觀眾席區域的情況節能收益較大，實現了節能運行。

圖2 改造后空調送回風系統示意圖Fig.2 The retrofitted air conditioning distribution system schematic diagram

2 改造方案氣流組織CFD模擬驗證

針對該改造工程，為確保體育館內溫度場、速度場滿足舒適度要求和比賽場地的風速要求，結合現有文獻[1-2]，在改造前采用Airpak 3.0軟件對體育館的空調送風氣流組織進行CFD模擬。

以體育館為建模主體，根據設計和現場實測數據確定送回風口風速、溫度、風量及風口擴散系數，場館燈光發熱量和人員發熱量以點熱源代替(合理簡化)。對空氣采用boussinesq假設，計算采用標準K-ε模型、simple計算方法進行模擬，并給出了X方向和Y方向的典型平面溫度場和速度場分布：

從圖3和圖4(相對標高1.6m高度平面溫度場、速度場分布)中可以看出，場館中心區域溫度為21～24℃，風速為0.5～1.0m/s，出風口區域溫度為20～21℃，風速為1.5～4.0m/s，場館周邊區域溫度為23～25℃，風速小于0.8m/s。因此該改造方案在典型X平面內基本滿足體育場空調需求。

圖3 體育館1.6m高度溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution at 1.6m height in the gymnasium

圖4 體育館1.6m高度速度場分布Fig.4 Velocity field distribution at 1.6m height in the gymnasium

高位設置球形噴口(13m/s、17℃)和下送風口(4m/s、17℃)，為檢驗改造后座椅回風形式的效果，列出Y軸向截平面溫度場分布和速度場分布圖（如圖5、圖6所示）。從圖5和圖6(Y軸截平面溫度場、速度場分布)中可以看出，座椅回風區溫度為23～26℃，風速小于0.4m/s，場館中心區域（高）溫度為20～22℃，風速為1.0～2.2m/s，場館中心區域(低)溫度為21～23℃，風速為0.4～1.2m/s。因此該改造方案在典型Y平面內基本滿足體育場空調需求。

圖5 體育館Y軸截平面溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution along Y axis cut plan in the gymnasium

圖6 體育館Y軸截平面速度場分布Fig.6 Velocity field distribution along Y axis cut plan in the gymnasium

氣流組織模擬分析結果表明：改造后的空調系統能夠基本滿足比賽區域和觀眾區域的舒適性需求和場館使用要求。

3 空調改造實際運行效果

體育館空調改造工程于2016年5月份開始施工，在近一個月的緊張施工后完成了除鍋爐房部分以外的所有工程，如期趕上了2016年6月舉辦的國際男籃挑戰賽。賽事舉辦期間，蘇州室外氣溫在30～35℃，體育館內室溫達到約22℃，而且比賽區域和觀眾席區域溫度都比較均勻，室內空調效果的改善明顯。具體改造前后體育館溫度測點分布見表2。

表2 改造前后體育館溫度測點對比Tab.2 Comparison table of temperature at measure points before and after retrofit ℃

4 總結

本文針對獨墅湖東主體建筑空調系統由于使用壽命和空調風管等系統導致的無法正常運行問題進行診斷，并結合相關使用條件進行系統改造，應用了磁懸浮變頻離心式空調機組，經綜合評價后，在改造項目或總制冷量較小的項目中，值得應用和推廣。提出了分區控制，獨立運行的系統方案，并進行施工設計，為同類問題的體育場館的空調改造提供了思路和一定的借鑒意義。

[1]張歡，楊尚一，由世俊，等.體育館空調氣流組織的CFD模擬研究[J].暖通空調.2008(3):87-90.Zhang Huan,Yang Shangyi,You Shijun，et al.CFD simula?tion for the air distribution in a gymnasium[J].HV&AC,2008(3)：87-90．

[2]陳祖銘，鐘朝安，丁力行.體育館空調系統優化設計與節能分析[J].暖通空調.2009(8):36-39.Chen Zuming，Zhong Chaoan，Ding Lixing．Optimizing design and energy efficiency analysis of air conditioning systems in gymnasiums[J]．HV&AC，2009(8)：36-39．