冬奧冰上場館熱環境營造系統高效構建與實際應用

藺文鈺，劉曉華，高惠潤，孫德遠，張仟

0 引言

2022年北京冬奧會已經圓滿結束，中國以實際行動兌現了“綠色辦奧”的莊嚴承諾。通過充分改造既有體育場館、綠色設計新建場館。北京冬奧會最大化降低能源消耗，實現場館內部熱濕環境的高效營造。北京冬奧會為我國冰雪運動的發展帶來了歷史性機遇。為了實現“三億人上冰雪”的目標，提高我國冰雪運動水平，冰雪場館的建設需求相應增加[1]。探討冬奧冰上場館的節能運行方法與高效營造策略，對人工冰場的綠色設計有著重要的指導意義。

1 冰場環境營造的關鍵問題

人工冰場是一類室內熱濕環境要求嚴格、能耗巨大的特殊體育建筑，服務于競技比賽、體育訓練以及各類大眾娛樂活動。該類場館通常是高度超過8m、面積超過1800m2的大型空間建筑[2]。人工冰場對于冰面質量及場內空氣溫濕度都有著嚴格的要求。根據功能、需求不同，冰場可劃分為冰區和觀眾區，不同區域的環境參數要求各不相同。冰面及冰區是冰場的核心區域，其熱濕環境參數也是環境保障的關鍵。若控制不當，會出現冰面融化、結霜、起霧、結露等環境問題[3-4]。圖1總結了規范及文獻中采用的冰場環境控制參數要求[3-8]。不同冰上運動場館的室內熱濕環境要求不同，娛樂冰場的空氣溫濕度控制參數相對寬泛，而專業競技冰場則較為嚴格。

圖1 冰上場館室內熱濕環境控制標準

制冰機組、除濕機組、空調機組等共同構成冰場熱濕環境保障系統，是保障冰場運行的重要構成部分[3]。由于冰場熱濕源多樣，且同一高大空間內相互連接的各個分區環境需求不同，導致冰場室內熱濕傳遞過程復雜，因此對熱濕環境保障系統要求很高。制冷系統保障冰面質量，嚴格維持冰表面溫度及其均勻性。除濕機組控制冰區環境，嚴格維持空氣低濕。空調機組控制觀眾席環境，為觀眾提供較為舒適的觀賽環境。

由于特殊的室內環境，冰場制冰空調系統運行時間是商業建筑的2.5～3倍[6]，消耗大量的能源。研究表明，冰場能耗巨大且構成復雜，單位面積能耗為300～700 Kw·h/(m2·year)[9]，年能耗為0.8～2.4 GWh/year[10]。瑞典冰場的統計分析指出，制冷系統在總能耗中所占比例最大，平均為43%[11]。在滿足冰場環境控制要求的前提下，從降低需求、提高效率的角度出發，通過降低制冰空調負荷、提高制冷除濕系統性能等措施，可以有效降低冰場能耗，實現高效運行。本文將以改造場館國家游泳中心為例，分析冬奧冰上場館的節能措施，對人工冰場未來建設、節能設計與高效運行提供參考。

3 國家游泳中心示范應用

3.1 場館概況

國家游泳中心“水立方”位于北京奧林匹克公園內，總建筑面積87，000m2，建筑尺寸為177 m×177 m×30 m。該館竣工于2007年底，曾是2008北京夏季奧運會的標志性場館之一，承擔游泳、跳水與花樣游泳的比賽任務。經過2020年改造工程后，“水立方”變身為“冰立方”，成為了2022北京冬季奧運會的冰壺比賽場館（圖2、3），也成為了世界上唯一既可以運行水上項目又可以運行冰上項目的“冰水交融”奧運場館。國家游泳中心核心區域比賽大廳尺寸為116 m×60 m×28.8 m，冰區長55.6 m，寬30 m，周圍設置1.2 m高圍擋，內有4條冰壺賽道。

圖2 “水立方”鳥瞰圖

圖3 “冰立方”場內圖

圖5 比賽大廳出入口氣密性改造

圖6.7 空腔通風示意及頂部核心筒

國家游泳中心冬奧冰壺改造工程克服了許多困難。縱觀歷屆冬奧會冰壺比賽場館，比賽大廳內高度范圍為12～20 m，而“冰立方”比賽大廳高度接近30 m，是空間高度最大的冬奧冰壺場館。“水冰轉換”意味著要由高溫高濕的水上運動場館轉變為低溫低濕的冰上運動場館，這給環境營造系統帶來了巨大的挑戰。需要指出的是，冰壺是對冰區環境要求最為嚴苛的冰上運動。根據世界冰壺聯合會（WCF）規定[7]，冰面溫度應控制在-8.5℃，冰面上方1.5m處的空氣溫度需保持在10℃，空氣露點溫度需小于-4℃，即含濕量應小于2.7g/kg，場內風速應小于0.2m/s。

環境營造團隊以實現場館可持續運營目標為根本，在嚴格滿足環境控制要求的前提下在制冰、環控等方面進行科技攻關，為真正實現場館綠色運維、可持續運行提供了重要技術支持。

3.2 圍護結構

（1） 氣密性改造

國家游泳中心共有8扇外門，核心區域比賽大廳在地下一層及地上一層均設置了出入口。建筑整體有著空間范圍大、結構復雜、區域環境差異大的特點。室外滲透風是高大空間建筑空調負荷的主要來源之一，存在循環風量大、建筑能耗高的問題。不同功能區的空氣流通會造成室內熱環境分布不均勻，影響環境舒適性，不利于室內環境的營造。

2018年底改造前對水立方建筑整體進行氣密性測試分析顯示，建筑滲風量為261，000m3/h，其中62%的風從外門進入，38%的風直接進入比賽大廳。為了嚴格保障比賽大廳內部熱濕環境滿足賽事要求，同時減少環境營造能耗，對國家游泳中心進行了一系列的氣密性改造工作：將密閉性較差的推拉外門改造為雙層門斗滑移門，避免在冬季迎風北面開啟多扇外門；封堵比賽大廳主要滲風口及縫隙，所有出入口加裝磁吸門簾（圖4、5）。2019年底氣密性改造后再次對建筑整體進行測試，測試結果表明建筑滲風量與改造前相比降低了96%，觀眾席出入口的滲風量降低了85%，氣密性的增強大大降低了室外環境產生的不必要影響，降低了環境營造需求，助力場館實現低成本運營。

圖4 建筑出入口氣密性改造

（2）空腔通風

國家游泳中心的圍護結構為雙層氣枕形式，以鋼架及其中部龍骨作為支撐體，中部填充由3或4層ETFE膜制成的氣枕，屬于透光圍護結構。外側加涂鍍點起到一定反射陽光的作用。為了避免圍護結構溫度過高，設計空腔機械通風為夾層降溫。室外新風從底部新風口進入，先后通過格柵、百葉，再由夾層底部大量圓形新風入口進入空腔。位于場館內部建筑頂層的機械排風機將夾層上部的熱空氣經由排風管，從位于頂部核心筒的排風口處排出（圖6、7）。

測試賽期間分別運行無通風工況及空腔機械通風工況，對夾層及室內熱環境進行測試，以分析機械通風的運行效果。圖8給出了兩種工況下夾層內空氣溫度及內壁面溫度的測試結果。在無通風工況下，由于日間太陽輻射的作用，夾層頂部溫度逐漸升高，至下午15:00左右達到峰值27.8 ℃，空腔內熱量只能通過夜間圍護結構傳熱緩慢散出。在開啟機械通風后，空腔頂部溫度顯著降低，日間最高溫度為20.9℃左右。根據現場實測調研數據分析，冰面維持階段的制冰負荷占比如圖9所示，其中屋面長波輻射換熱占比高達45%。通過空腔通風，比賽大廳頂面平均溫度從20.0 ℃降低至16.9 ℃，冰面與頂棚的長波輻射換熱量減少，冰面維持制冷負荷降低8.8%，對冰場節能運行有重要意義。

圖8 空腔通風效果測試

圖9 國家游泳中心制冰負荷占比

3.3 空氣調節

冰場室內為典型的非均勻熱濕環境，區域需求、冷熱源及濕源分布特征均不同。為了保證冰區環境控制精確，傳統冰上場館的通風方式以全空間空調為主，即控制冰區全高度的熱濕環境，送風位置多位于頂部，末端以噴口為主。而3m以上非人員活動區域實際無控制需求，僅需避免頂面溫度過低所導致的結露問題。全空間控制會增大除濕空調負荷，造成能源的浪費。為了實現節能運行，“水立方”采用了分區控制的方法（圖10），觀眾席采用座椅送風保障觀眾舒適度，額定風量260，000m3/h；冰區采用局部除濕空調，即嚴格保障冰上人員活動區的環境溫濕度參數，對于上部無人空間不加控制，除濕風量由4臺轉輪除濕機組提供，單臺除濕機額定風量 15，000m3/h。

圖10 分區控制方法

通過模擬分析得到局部空調的節能潛力顯著優于全空間空調。局部空調所需的空調冷量與全空間空調相比減少了53%，所需的除濕量減少了51%[12]。在調試運行過程中，“冰立方”比賽大廳內曾采取過兩種局部空調送風末端，即地面置換送風（圖11）與2m高處布袋側送風（圖12）。對比兩種不同末端方式的冰上垂直溫濕度分布如圖13所示。地面置換送風方式在圍擋高度1.2m處出現了顯著溫濕度分界點，干冷空氣在圍擋內形成“冰池”，而布袋側送則無明顯分界。兩種送風方式均能滿足冰區環境控制要求，布袋側送風的均勻性較好，而置換送風的節能潛力較大。由于置換送風會造成近冰面的空氣擾動，綜合考慮下最終采取了布袋側送的末端方式。

圖11 “冰立方”冰區置換送風示意圖

圖12 “冰立方”冰區布袋送風示意圖

圖13 不同末端方式下冰上垂直溫濕度分布

（2）濕度控制閾值

冰面質量保障本質為控制冰面結霜量與升華量。冰面升華、凝華是由于近冰面空氣含濕量與冰面溫度對應飽和含濕量差所導致的，保障冰面質量即為控制這一濕度差在閾值范圍內。在確定濕度控制范圍時，需根據抑制/延遲結霜要求確定上限[13]，根據減少冰面升華損耗要求確定下限。而專業競技冰場標準大多僅規定了空氣含濕量的最高值以防止冰面結霜，對于下限尚未有明確規定。團隊首次提出了針對冰壺比賽的冰上運動空氣露點控制范圍，突破現有國際標準中參數控制局限性，變傳統經驗式標準為科學定量地參數范圍確定，為冬奧運動發展進一步做出貢獻（圖14）。

圖14 近冰面空氣濕度控制閾值

3.4 營造效果

為驗證系統環境控制效果，2020年冬季進行了環境場測試，測試期間場內有運動員訓練，除濕空調末端方式為布袋側送風。重點監測0.1m近冰面及1.5m人員活動區空氣參數，前者影響冰面與空氣間的傳熱傳質，而后者主要影響場內人員舒適性。選取典型日連續變化數據如圖15- 17所示。當天室外溫濕度變化范圍為-7.5 ～ -1.6℃，0.73 ～ 1.16g/kg。

圖15 測試壁面溫度

冰表面溫度根據國際制冰師的要求調整，全天平均溫度為-4.7℃，波動范圍為1.4℃。頂棚溫度變化范圍為13.1～19.8℃。該日室內平均送風參數為9.5℃，0.7g/kg。監測室內0.1m處空氣參數為 10.3 ～ 13.4℃， 2.2 ～ 2.9g/kg，1.5m 處空氣參數為 11.5 ～ 13.7℃，2.3 ～ 2.8g/kg，均隨室外參數變化而小幅度波動。場內風速均小于0.2m/s。

圖16 測試空氣溫度

圖17 測試空氣濕度

經測試檢驗，冰立方室內環境參數均滿足奧運比賽要求。

4 結語

本文以“冰立方”為例，揭示了北京冬奧冰上場館環境營造中“可持續”的智慧。該場館通過氣密性改造降低了96%的建筑滲透風，減少了滲風負荷；通過空腔機械通風使得頂棚溫度降低3.1℃，制冷負荷降低8.8%；通過局部空調降低約50%的空調負荷。經測試驗證，場館冰區參數滿足冬奧環境營造標準。該館在北京冬奧會期間圓滿完成了任務，國際奧委會主席托馬斯·巴赫盛贊：“冰立方”是奧運場館可持續發展的典范[14]。以國家游泳中心為例的冬奧冰上場館環境營造的成功示范，也為人工冰場的節能設計與高效運行提供了寶貴的經驗，促進了“碳中和”背景下冰雪場館的發展以及冰上運動的推廣。（本研究受國家重點研發計劃項目課題（2020YFF0304303， 2019YFF0301504）、中建股份科技研發計劃（CSCEC-2019-Z-7）資助，特此致謝。特別感謝清華大學張濤助理研究員、李凌杉博士研究生及中國建筑一局（集團）有限公司工程師周子淇對本研究提供的幫助。）