室內人工冰場氣流組織研究現狀與進展

邵明宇 陳柏龍

1沈陽建筑大學（110168）2哈電（大連）電力設計有限責任公司（116000）

0 引言

室內人工冰場主要承擔短道速滑，冰壺，花樣滑冰，冰球等比賽，也可以供人們休閑娛樂所使用。在室內人工冰場享受冬季運動的人越來越多，預計未來新建室內冰場的需求還會增加。這些冰場通常應配備足夠的除濕和供暖系統，為用戶(觀眾和運動員)在所需的溫度和濕度條件下提供最佳的氣流組織。此外，暖通空調系統設計人員應采取措施，防止霧氣在冰面上凝結，防止頂棚和壁面結露。

1 結露的原因和防結露措施

冰場結露的位置集中在頂棚和冰場周邊的壁面上，造成結露的原因主要分為兩個方面。首先，由于冰面溫度較低，在冰面冷輻射的作用下，當冰場的頂棚和周邊的壁面的內表面溫度低于周圍空氣的露點溫度時，就會使水蒸氣凝結于頂棚或者壁面上。另外,當室外潮濕空氣通過門窗等位置進入冰場后，使場內空氣的露點溫度升高，也會有結露的現象。頂棚和壁面的結露不但會造成對建筑物的損害，而且當露珠過多時會形成水滴滴落在冰面上，使冰面變得不光滑，影響冰場的正常使用。

特別在我國南方地區，夏季室外空氣高溫高濕,當溫濕度較高的空氣通過門窗等通道進入室內，就更容易結露。建議采用低傳熱系數，高反射率的屋頂，因為在夏季室外溫度相對較高，由于太陽輻射和對流換熱的作用，屋面外表面溫度升高。使屋頂溫度高于附近空氣的露點溫度，從而避免結露。但是不保溫屋頂又加大了冰場的負荷，不同地區屋頂保溫材料的選擇要根據當地的氣象參數選定。采用高反射率的屋頂可以減少冰面冷輻射的影響。當改變屋頂材料不能達到防結露的目的時，建議通過風機將經加熱后的室外空氣送入冰場內，使熱空氣在冰場的頂棚流動，以提高頂棚表面溫度高于周圍空氣的露點溫度。此外，也可以在冰場內加設除濕機，通過降低空氣的含濕量的方式使冰場內空氣的露點溫度降低。

2 起霧的原因和除霧措施

人工冰場上方的霧氣是由冷輻射和對流傳熱形成的。當冰場內空氣干球溫度較低和相對濕度較高時，空氣中的水蒸氣就會凝結出來，在冰場中形成霧氣。此外，當冰面上方空氣不流動或者流動速度較慢時，會使下半部分空氣持續降溫，當空氣進入霧區，就會形成霧氣。冰面上起霧，使冰面上活動區域的可見度明顯下降，導致運動者無法正常活動。

現階段我國人工冰場的除霧方法分為兩種方式:①局部除濕，常用除濕系統有冷卻除濕、轉輪除濕和溶液除濕;②采用合理的氣流組織方式，文章將詳細介紹。

3 室內人工冰場常用的氣流組織方式

室內人工冰場的設計應使冰面周圍不形成霧，以便在暖通空調系統設計方面為用戶提供一個舒適的室內空間。為了解決這個復雜的問題，許多研究人員一直在努力進行多項研究以優化室內溜冰場的氣流組織方式。

首都體育館在設計之初，設計師比較了三種氣流組織方式。①側送下回，優點是頂棚上沒有管道，節省了成本，缺點是地面風速低于0.2 m/s；②頂部管道及頂部風口送風，其優點是空氣供應均勻，能夠滿足地面風速的要求，缺點是有很多管道，增加了負荷；③頂部條縫送風，其優點是空氣供應可以滿足地面風速的要求，而且管道不進入天花板，缺點是房間周圍的窗戶會產生一定程度的空氣泄漏。經過進一步的研究，專家們決定采用組合的送風方式，即側送風和頂部條縫送風組合的氣流組織形式。

哈爾濱冰球練習館的防止頂棚結露的空調系統安裝在兩側壁面，噴口水平吹頂棚網架內，使空氣在頂棚下的網架內循環。可以調節送風的溫度，防止頂棚結露。冰面除霧的空調送風系統沿冰場的長軸方向布置，送風口布置在風管下側，回風口高度在冰面2 m左右。進氣吹出的汽霧被吸入進氣入口，通過回風管道送入空氣處理室。經熱處理和去濕處理后，送入送風管。

北京某基地速滑館在館內頂棚安裝了40臺誘導風機，用于防止滴露現象的產生，工程人員采用自動控制技術，根據場館內的使用情況，合理的控制誘導風機開啟的數量，從而達到節能的目的。

4 CFD在冰場氣流組織的應用

體育設施是對通風有特殊要求的建筑物，因此解決方案與公共或住宅建筑中的標準系統有很大的不同。通風設施的具體要求取決于建筑物的用途，例如人工冰場、游泳池、多功能場館等。這些建筑在室內空氣參數和實現這些參數的氣流組織方面存在不同的限制。如室內游泳館注重解決館內的高溫高濕，羽毛球館更注重場館內的風速要求。從保持體育設施內部足夠的熱濕條件的角度來看，室內人工冰場的設計必須考慮以下因素:使冰面周圍不形成霧，頂棚和周圍壁面避免結露，以便在暖通空調系統設計方面為用戶提供一個舒適的室內空間。冰場由于冰面冷輻射的作用，通常計算過程較為繁瑣，計算結果不夠精確，近些年國內外開始采用CFD模擬冰場的速度場、溫度場、濕度場，PMV和PPD等參數，為之后的設計作為指導。

束慶利用CFD模擬了上海某大型購物中心冰場的溫度場分布、PMV指數和PPD指數。指出國內外冰場設計參數的不同，國內冰場的設計更偏向于舒適性，即把冰場內運動者的舒適度放在第一位，而國外的設計對冰場溫度的控制較差，更傾向于控制相對濕度。在模擬結果中可以看出，在避免冰場結露和起霧的同時，也能滿足運動者的舒適度[1]。

于騰等人以天津大悅城滑冰場為例，利用CFD數值模擬和試驗的方法，研究了回風口位置對除霧效果的影響，模型中冰場采用上送下回的氣流組織方式，分別將回風口高度設置在距離地面1.5 m，0.8 m，0.3 m的位置。通過對Fluent軟件的模擬數據和試驗數據的對比，兩者結果中溫濕度相差不大。之后通過焓濕圖得知當回風口位置在0.3 m時比0.8 m和1.5 m的除霧效果好[2]。

Jones & Whittle描述了CFD用于建筑氣流預測的現狀和能力，Jian等人和Yang等人使用CFD模擬大空間通風的空氣質量。然而，這些研究沒有計算供暖和制冷負荷。Bellache等人使用CFD程序在二維和穩態條件下進行了數值模擬，預測了室內人工冰場的溫度場，速度場和濕度場。他們的CFD程序還計算了由于空氣對流、水蒸氣冷凝以及來自墻壁和天花板的輻射至冰面的熱量。后來Bellache等人改進了這個二維CFD模型，包括瞬態現象、冰面的傳熱量、燈光的輻射量以及冰場修復時的散熱量。然而，這些二維模型不能準確地再現冰場內的空氣流動，而冰場內的空氣流動必然是三維的[3]。

Denisikhina等人介紹了安裝在索契體育場的空調系統，該場館可容納1.2萬名觀眾，在溜冰場場館頂部采用了混合通風系統，并設有送風口和回風口。對該通風系統進行了數值分析和試驗研究。數值計算結果與實測結果有4%~7%的誤差。另外，當送風溫度保持在18℃，冰面周圍的空氣溫度保持在12℃~15℃，并保持室內溜冰場上部區域的溫度在24℃~26℃，此種狀態下冰面的質量能夠滿足使用要求。Lestinen等人研究了位于瑞典馬爾默的一個可容納13 000名觀眾的多功能場館的氣流組織形式，該場館采用了置換通風和混合通風相結合的方法。根據CFD模擬結果，溫度上升2℃時室內溜冰場的溫度分層現象較弱。此外，低座位區的溫度在13℃~17℃，高座位區的溫度在15℃~17℃。該空調系統不能滿足觀眾的舒適度要求[4]。

5 分析與展望

室內人工冰場可采用局部送風的方式，即對頂棚，冰場空間內，觀眾席分區送風。觀眾席設置獨立的空調系統可提供較高的空氣品質和熱舒適性。此外，在冰場四周安裝透明的屏風，屏風在保證觀眾安全的同時也能減少觀眾席和冰場的能量交換。

CFD數值模擬可以精準的預測出室內人工冰場的速度場、溫度場、濕度場、PMV和PPD等參數，隨著CFD的不斷發展，模型的建立會進一步細化，模擬的結果一定會更加精準。