室內冰場暖通設計的節能策略探討

張昕 王葉 劉京 王偉良 王芳 彭博 王博

1 中國建筑設計研究院有限公司

2 國家體育總局冬季運動管理中心

3 哈爾濱工業大學建筑學院

0 引言

伴隨著2020 年北京冬奧會的各場館建設和“3 億人上冰雪”的政策引導，室內冰場在全國多地迅速涌現。作為高能耗體育設施，運營單位承受很大壓力。室內冰場多采用制冷劑+載冷劑的間接制冷工藝方式（簡稱間冷系統），為降耗節費，新型間接制冷技術和直接制冷技術（簡稱直冷系統）在北歐、北美地區迅速發展，在國內也有嘗試和應用。表1、2 是筆者收集的一些國內外冰場的能耗數據，從中可見室內冰場能耗之大。

表1 日本部分室內冰場能耗

表2 國內大中型室內冰場能耗

文獻[1]提供的圖1 和圖2，顯示了采用間接制冷技術的某冰球訓練場地的能耗分布，可見暖通相關系統占比的權重。

圖1 用電分布

圖2 用熱分布

綜上可知，暖通設計如何響應綠色理念、為運營創造節能節費條件，是室內冰場可持續發展的關鍵。

1 設計標準的選擇

綜合考察國內外的設計依據和文獻，發現室內冰場的設計標準較多且混亂，相互有矛盾之處。對于既有冰場進行分析，看到很多問題是設計標準采用不當引發的，能耗徒增，效果不佳。冰場設計標準應根據設計等級和功能選用，且由于冰場垂直高度溫濕度不同的特征，標準中各參數還有區域性的要求，不同高度設計參數不同。

總結國內外多種設計依據比較研判后，筆者整理了室內冰場的冰場區域（FOP 區）設計標準（表3～6），供大家參考。

表3 專業競賽冰場或高標準訓練冰場室內設計標準

表4 普通競賽或訓練用冰場室內設計標準（較高標準）

表5 普通競賽或訓練用冰場室內設計標準（一般標準）

表6 娛樂性冰場室內設計標準

2 冷熱源配置

對于室內冰場，冷熱源配置是否合理有其特殊性，除了能源條件，地域適配性，冷熱設備效率等因素外，還要從低溫冷源效率提升，低溫冷源與舒適性冷源關系，冷凝熱回收應用等多方比較，才能得到節能導向的冷熱源方案。

2.1 低溫冷源效率提升

低溫冷源的核心設備是低溫制冷機組，其效率與制冷劑種類，機組構造形式，輸出參數等正相關。

當前低溫制冷機組常采用的制冷劑為R507a、R134a、R744（CO2）、R717（NH3）等，最新推出的制冷劑有R448/449，表7 是這些制冷劑熱力學和物理性質[2]。

表7 常用制冷劑特性參數表

一般來講，選擇制冷系數較高的制冷劑，可以提高制冷的經濟性。單位容積制冷量、導熱系數、放熱系數等制冷劑的特性，也會影響制冷系統的效率。此外，制冷系統的效率還與其它設備效率、綜合能源利用等相關。

考慮全年運行時季節影響，間歇使用，標準多變和初凍負荷與維持負荷較大差異等特點，制冷機組常為多臺并聯，可實現負荷匹配和極端條件下的機組備用。單臺負荷多為300～600 kW（蒸發溫度為-15～-18 ℃，重大國際賽事時會要求低至-19～-23℃），要求部分負荷效率高、低噪聲、壽命長，多機頭設計的效果更好。

表8 是制冷機組廠家提供的部分數據，可見壓縮機和制冷劑種類對冷機效率的作用。

表8 壓縮機種類和制冷劑與制冷機組能效關系

制冷機組的額定冷量與輸出條件對應，如冷凝溫度、蒸發溫度等，不同條件對應的冷量存在差異。所以設計中要先確定輸出條件尤其是蒸發溫度后，再進行機組選用，否則會造成機組低效率運行，耗電費能。如對于北京地區的60 m×30 m 冰面的娛樂型冰場，按照設計需求，選擇蒸發溫度-12 ℃時480 kW 冷機即可，然而有些設計師會選用蒸發溫度-15 ℃對應的480 kW 冷機，標準無謂提高，COP 降低了6～8%，造成了不必要的能量損失。

2.2 低溫冷源與常溫冷源關系

面對冰面對室內環境的影響，很多設計師有這樣的疑惑：夏季室內冰場是否可以取消舒適性空調系統，不設常溫冷源？在調研中發現，部分娛樂型冰場、學校用冰場甚至一些訓練場館，確實沒有設置夏季空調冷源，或者設置了空調冷源也不使用。文獻[3]中對娛樂性冰場展開了討論。

仔細調查和分析后，筆者認為：常溫冷源和空調系統設置與否，應通過詳細的計算和綜合考慮來確定，強行取替則造成能源損失。

一是，標準較高的室內冰場需要空調系統和常溫冷源調控室內的溫濕度。比賽或高水平訓練冰場，采用局部除濕設備不能保證除濕效果時，需要通過冷卻除濕和固體除濕結合的方式實現全面除濕。同時還要控制低位空間的溫濕度，防止冰面結霜、起霧等，因此常溫冷源和空調系統必須具備。文獻[3]的案例里，實際也需要常溫冷源來處理新風負荷。在調研中發現，沒有設置空調系統的冰場，結露、起霧、壁面腐蝕等問題較為突出，冰面品質也得不到保證。

二是，普通冰場是否設置常溫冷源和空調系統，應有充分的設計依據。普通冰場是指對運行效果要求不高、對偶發的溫濕度問題較能容忍的冰場，典型的是娛樂型冰場。

夏季，室內可資利用的冷負荷是冰面的“余冷”，即冰面對流放熱負荷、對流傳質負荷尤其是輻射傳熱負荷。“余冷”和室內空調冷負荷相當，且室內無其他冷源需求，則可以不設常溫冷源，或者設置局部冷源。但冷輻射無法形成有組織、均勻的供冷，對局部環境如防撞墊、擋墻遮蔽的空間起不到調溫控濕作用，沒有其他輔助手段就會失控。在北京某娛樂型冰場內，夏季冰場運行時空調未開，圍擋外底部多處結冰，冰面起霧，擋墻上均是細霧滴。所以，在設計決策時，應做好充分計算和模擬，判斷是否設置。

三是，應采取措施盡量降低低溫冷源的配置和供給。低溫冷源比常溫冷源電耗大，效率低。所以，當“余冷”不足以提供室內空調冷負荷，不能以此提高低溫冷源的容量。

2.3 冷凝熱回收應用

室內冰場運行時，一般有低溫用熱如防凍脹用熱、低溫地板輻射供熱、防結露空調系統用熱等，還有高溫用熱如除濕系統用熱、澆冰用熱、散熱器供暖系統用熱等。冰場周邊還有淋浴、泳池等其他生活熱水用熱。面對多樣化熱源需求，如能將制冷系統冷凝熱充分利用，那么綜合能效將極大提升。舉例來說，對于標準60 m×30 m 的訓練冰場，采用制冷劑為R507a 的低溫制冷機組，當間冷系統的供回液溫度為-12 ℃和-10 ℃時，制冷量為540 kW，COP 約為2.12，機組部分回收冷凝熱為130 kW。其余冷凝熱若通過水源熱泵回收，經計算總的冷凝熱利用率可達85%。

制冷機組冷凝熱回收的熱水供水溫度區間一般為40～60 ℃，對于特殊工藝如CO2超臨界直冷系統，其冷凝熱回收供水溫度高達70～95 ℃，供熱品質優異，用途更為廣泛。

在冷凝熱回收利用中，應注意供熱品質、數量的匹配。對于低溫用熱應盡量采取余熱直供，且保證熱量供應，減少因換熱帶來的損失和輔助熱源的消耗。對于特殊工藝中產生的高溫余熱熱源，也采取直供方式加以利用。對于低溫熱源采取提升設備制取的高溫熱源，應經全年的能效、投資、運行費用等多方比較后，慎重選擇適用對象，以免造成節能的假象。

3 冰場空調系統氣流組織形式

空調系統作為冰場室內溫濕度環境的維護者，其氣流組織形式與冰場低位和高位空間環境的優劣密切相關。

冰場日常運營時，常見的與氣流組織相關的問題有：①低位空間溫濕度較高、風速較大，導致冰面濕度較大結霜或有霧、冰面局部融化等影響運動效果。②低位氣流分布不勻，局部結露甚至結冰。③高位空間溫度較高、增加制冰能耗，或者溫度較低、人員體感太差也增加起霧、結露風險。④高位空間霧氣較大，阻擋視線。⑤屋頂內表面或金屬桁架區域濕度過大，產生結露，破壞冰面，甚至導致電路火災隱患增加等。⑥觀眾區環境舒適度不足等。

本文重點在于冰場上空的氣流組織形式，對觀眾區的空調形式不再贅述。

冰場氣流組織形式一般為上送下回、上送上回的方式，該方式在很多工程中有所應用，其中不乏國際賽事的場館。該方式實現全空間環境標準較高，與室內裝修方案易結合，對于缺乏空調系統設置空間的大冰面或多冰面的場館，及冰球等有擋墻阻礙氣流的項目，氣流組織不受影響，溫濕度場均勻分布。弊端在于：冰場低位空間環境要求較高，高位空間要求不高，滿足全空間則高位室內環境要求超標，代價是能源消耗較大。另外由于上送風流程較長，實現低位空間的室內參數達標較困難。

另一種常見的氣流組織形式是同時設置低位和高位空調系統。低位空調系統采取側上送下回、下送側上回、地面送風側上回風等方式，保障低位空間溫濕度達標。高位空調系統一般是在桁架內設置防結露空調或者其他設施，如多聯機系統、局部熱風加熱系統，目的是解決冷輻射造成的屋頂內表面或相鄰的金屬構件等表面低溫高濕易結露的問題。與上送方式相比該空調系統針對性強，節能與功能雙贏，更適合冰場要求。當然，低位空調系統也有它的局限性。首先它比較難與場地配合，需要和建筑、室內專業密切協作，才能將空調系統和場地結合，形成預期的氣流組織。當場地設觀眾區空調系統時，兩者易產生氣流流線上的沖突。其次低位空調系統與冰面位置臨近，設置不妥會對冰面產生破壞，干擾使用者開展活動。還有，低位空調受到場地設施的阻礙，如冰球場地周圍2 m 高度的擋墻，短道和花樣滑冰場地環繞的防撞墊等。采用CFD 模擬可以幫助設計師實現高精度的系統設計，十分必要。

其它的空調形式，多是以上兩種形式的結合，與設計師關注的因素相關。例如考慮到頂送可能對冰面造成破壞，因此頂送風口設置在冰場周邊的過道上空。還有的設計師采用噴口對射的側送方式，旨在覆蓋全部冰面等。各種氣流組織方式評判的標準，其一在于是否效果能夠達標，其二在于是否系統節能，兩者缺一不可。

4 輸配系統

輸配系統指的是制冰用制冷系統的輸配部分，對于間冷系統指冰場末端系統和載冷劑供回液系統，對于直冷系統則包括冷機至末端在內的完整系統。輸配系統的耗電量在制冷系統中占比約為14%。

間冷系統中的節能要點，與普通制冷系統一致，即盡量降低耗電輸冷比。典型間冷系統是采用一定質量濃度的乙二醇液作為載冷劑，那么隨著冰溫的降低，乙二醇液質量濃度增加，其粘性加大，則乙二醇液泵揚程加大、電耗提高。正確選擇冰面設計溫度，避免不必要的低溫對輸配能耗的降低是關鍵。管道管徑的選擇，以及冰面制冷盤管的布置方式也是重要的影響因素。管道多采用同程式布置，有利于系統水力平衡，冰面盤管多采用短邊敷設成環，減少支管長度。

考慮到乙二醇液的特性，為降低輸配能耗，間冷系統的載冷劑選擇也有不同的嘗試，國外和國內現有案例來看，采用CO2作為載冷劑的較多。CO2作為載冷劑，流動性好，粘度低，所以其循環泵的功耗小，耗電量約為乙二醇液泵的1/10。在制冰過程中CO2液發生相變，易于保持整個冰面溫度的均勻性。

對于采用直冷系統的冰場，輸配環節與采用CO2作為載冷劑的冰場原理和效果相仿。

與傳統的制冷劑+乙二醇液載冷劑的冰場對比，資料顯示：CO2作為載冷劑的間接制冷冰場和CO2、NH3、R22、R134a 作為制冷劑的直冷冰場，年電耗約減少40%～50%。

5 結語

與其它體育建筑不同，室內冰場的高能耗屬性鮮明，對于其推廣和應用有多重阻礙。針對高能耗的產生機理，性質和特點深入分析，精準定位運營方略，在設計階段，從設計標準、設備配置、系統設計、工藝選擇、智能化等各環節著手，定制系統性的節能方略，建設開放式管控平臺，多管齊下，勢必在運營過程中打造出可持續發展的、綠色運維的高效冰場，走出能耗困境，助推冰上項目的發展。