0 引言

　　首体短道速滑训练馆，又称“冰坛”,位于首都体育馆北园区，是2022年北京冬奥会短道速滑项目各国运动员适应性训练场馆。场馆内首层设标准冰壶场地一处；3层设标准短道速滑兼花样滑冰场地一处，赛时作为训练用途，赛后作为国家队常年训练场地，也可作为大众活动场地；其他区域为出入大厅、餐厅及厨房、室内冰场配套机房、理疗区、教学区、休息室、训练区等，另外还配备了运动员公寓。总建筑面积为33 200 m²,总建筑高度为17.27～32.55 m, 地上6层，地下1层、局部2层。

　　该项目空调设计的焦点在于两处室内冰场的设计，要营造既满足冰面技术指标又满足各区域室内设计参数的室内冰场环境^[1,2]。

　　室内冰场环境与其他高大空间有显著差异，常见问题是冰面上空起雾、顶板内表面和钢构件等结露，室内各区域温湿度和风速等参数不达标，或对冰面产生负效应等。另外，还存在室内冰场设计标准不适用、系统设计缺陷导致冰场运行能耗过高等现象。以上不足在该项目中得到了较好解决。

　　为践行北京冬奥会“绿色办奥”的承诺，冰坛制冰工艺采用CO₂跨临界直接蒸发式制冷工艺，与传统经典的间接制冷形式相比，新工艺对环保、节能减排和节费运行贡献良多，意义深远。

　　1 室内设计参数

　　1.1 室内设计参数选用

　　首层是冰壶场地，建设方要求应满足国家队完成高水平训练和一般水平训练任务。3层冰场在赛时作为冬奥会短道项目适应性训练场地，赛后服务于国家队短道和花样滑冰项目的训练需要。

　　室内冰场的室内设计参数中，冰面和冰面上空的参数选取不仅关系室内冰场环境的有效性，还对系统能效、初投资及运行费用产生较大影响。本文着重对以上主要参数进行分析。冰面以外的空间，如走道、3层的临时观众区等，其设计参数以满足人员基本热舒适要求为原则，当影响冰面环境时还会适当降低要求。

　　经过与建设方和国家队教练人员讨论，这2块场地的主要室内设计参数见表1(高水平训练标准，如冬奥会标准)、表2(一般水平训练标准)。

　　表1 室内设计参数(较高标准) 

　　 

　　 

冰场功能	室内温度/℃	露点温度/℃	相对湿度/%	冰层厚度/mm	冰面风速/(m/s)	冰面温度/℃
冰壶①	10	-4		40～50	≤0.2	-9～-8
短道速滑	16～19		35～40	30～50	≤0.2	-9～-7

　　 

　　① 冰壶场地距冰面1.5 m高度处参数。

　　 

　　表2 室内设计参数(一般标准) 

　　 

　　 

冰场功能	夏季		冬季		全年
	室内温度/℃	相对湿度/%	室内温度/℃	相对湿度/%	冰层厚度/mm	冰面风速/(m/s)	冰面温度/℃
冰壶	22～24	40～50	16～19	40～50	40～50	≤0.2	-6.5～-5.0
短道速滑	24	45～50	16～19	40～60	25～30	≤0.2	-6～-4
花样滑冰	24	45～50	16～19	45～50	30～35	≤0.2	-5～-3

　　 

　　 

　　 

　　表1中，冰壶场地参考的是冬奥会比赛场馆标准^[3],室内温度和露点温度为距冰面1.5 m高度处水平面空气参数，1.5 m以上空间没有明确数据，不结露是底线；短道速滑参考的是冬奥会训练场馆标准^[4],相对湿度要求高。表2中，参考的是不同冰上项目普通竞赛或相应的训练用标准^[4]。与表1比较，参数有季节性变化，温湿度变化范围宽松。而冰面参数也有变化，随着标准降低，短道速滑冰场冰面厚度减薄，冰面温度有所提高。

　　1.2 室内参数适用性分析

　　首先，表1、2反映了不同冰上项目其室内设计参数不同，这是项目规则决定的，混用则影响运动效果，损害环境的有效性。如冰壶要求近冰区域的空气温度低，含湿量要求更是近乎苛刻(表1的含湿量为2.67 g/kg),冰面温度范围小、精度高，这正是掷壶、刷冰等动作对冰壶与冰面、毛刷与冰面的摩擦性能的需要，是冰壶运动具有的高度技巧性的需要。而对于短道速滑和花样滑冰运动，参与者在冰面上快速滑动，更关注冰面软硬度和视线通透，因此对冰场环境的要求是不起雾、不结露，对冰面的要求是不结霜、技术参数达标。

　　其次，当室内冰场运营的标准不同时，同一冰上项目室内设计参数取值不同，误用设计参数将导致系统设计与运维目标难以匹配。以表1、2中冰壶场地为例，标准高低主要表现在室内温度和相对湿度的取值不同，而取值的差异化实质反映的是对冰面温度和环境中含湿量的控制水平不同，即室内环境越趋近于冬奥会比赛标准，冰面温度和含湿量越呈降低态势，场地内温湿度场的均匀性、各参数精度控制需求提升，相对地，空调系统设计复杂程度和难度随之加大，从而提高了投资额度和运维水平。而当运营标准较高、设计选用低标准参数时，则会造成运行问题，如冰面温度较高、室内起雾结露等。因此，设计参数应准确对标运维目标来选择，避免拔高或低配。

　　下面以冰面温度为例，直观分析室内设计参数与系统选配和运行效果的关系。图1显示了不同室内温度(距冰面1.5 m处)、冰面温度组合条件下的冰面维持负荷。冰面维持负荷是制冰用制冷机组的选型依据。从图1可以看到：当室内温度相同时，随着冰面温度降低，制冰设备所需冷量提高，其最大增幅为8%～11%。同时随着冰面温度降低，在CO₂直接蒸发式制冷系统中，制冰机组的蒸发温度随之降低，机组的COP减小，输出冷量逐渐减小(见图2)。叠加考虑冷量降低的因素，冰面温度降低引起的制冷设备容量增幅约为20%～27%。容量增加意味着制冰系统中相关设备的初投资和运行难度及费用增加，如错误选择与运维目标不符的较低的冰面温度，就会造成资金浪费。相反地，一些案例中建设方为降低投入，选择容量不足的设备和相应的系统，导致冰面温度达不到设计温度，影响冰上项目的体验，造成后期的拆改和追加投入。

　　

　　图1 室内温度、冰面温度和冰面维持负荷的关系   

　　 

　　

　　图2 某CO₂制冰机组蒸发温度与COP的关系   

　　 

　　2 冷热源设计

　　室内冰场冷热源的配置与常规场馆相比具有特殊性^[4]。室内冰场冷源分为制冰冷源和舒适性冷源，在国内外相关案例中，制冰冷源和舒适性冷源一般分开设置。热源设计是室内冰场暖通节能设计的重要环节，对于采用直接蒸发式制冰工艺的项目，热源节能带来的综合能效提升更为显著。

　　2.1 冷源

　　2.1.1 制冰冷源

　　由于传统间接制冷系统采取的制冷剂环保性能不达标，该项目采用了CO₂跨临界直接蒸发式制冷系统，该系统与常见的间接制冷系统相比，具有明显的优势^[4,5],表3列出了该系统的主要优点。

　　表3 CO₂跨临界直接蒸发式制冷系统主要优点 

　　 

　　 

环保	制冷剂CO2为自然工质，环保性能良好，全球变暖潜能值GWP为1,消耗臭氧潜能值ODP为0。间接制冷常用的制冷剂为R507a, 环保性能差，其GWP为3 985,ODP为0
安全	无毒，不燃，泄漏可防
节能	单位容积制冷量较大，换热效率高，动力黏度小，输配能耗大幅降低(70%～90%),综合用能效率高
经济	制冷系统管径小，减少初投资
效果	相变换热使冰面温度均匀，温差可控制在0.5 ℃以内

　　 

　　 

　　 

　　制冰冷源的冷负荷一般按照维持负荷计算，该项目的冰壶场地和短道速滑场地最大维持负荷见表4。

　　表4 冰坛2块场地最大维持负荷 

　　 

　　kW

	冰壶	短道速滑
对流传热负荷	186.5	209.1
辐射传热负荷	133.2	153.9
地面辐射传热负荷	8.1	9.4
整修冰面负荷	251.2	251.2
照明负荷	18.3	18.3
人体负荷	18.2	6.4
总维持负荷	615.5	648.3

　　 

　　 

　　 

　　制冰冷源需要实现以下功能：1) 2块冰场可同时运行，且满足不同项目、不同参数的需求；2) 切实保障奥运赛时需要，按要求设置冗余；3) 增加运行过程的灵活性，减少初投资和运维费用及难度。

　　以维持负荷为基础，充分考虑上述功能，设计了适用的CO₂跨临界直接蒸发式制冷系统(见图3)。1#系统供应首层冰壶场地，2#系统供应3层短道速滑场地。附加冗余所需的10%的冷负荷后，单台制冰机组的额定冷负荷为722 kW,此时蒸发温度为-13 ℃,可调范围为-18～-13 ℃。机组采用变频双级压缩半封闭活塞式压缩机，多机头设计，夏季机组跨临界运行的COP较低，约为2.34。另设辅助水冷机组作为停机时压力维持机组，将CO₂全部回收至低压循环桶，并维持桶内压力。冬季为单级压缩，亚临界运行，COP约为4.74。CO₂跨临界运行时系统承压较高，工作压力上限为：高压侧9.98 MPa, 低压侧3.98 MPa。冰面盘管设计压力为4.0 MPa, 运行压力约为2.3～3.0 MPa。

　　

　　图3 CO₂直接蒸发式制冷系统原理图   

　　 

　　制冷系统完全实现了业主需要的功能：1) 不同制冷机组形成独立的制冷系统，对应不同冰场，可做到同步供应对应的冰面，且通过调节制冷剂温度可实现不同的冰面温度参数；2) 为保障奥运赛时安全运行，机组容量适度冗余；3) 机组均为多机头变频机组，单台机组的制冷量变化范围为5%～100%。与台数调节方式相比，多机头机组的使用在运行灵活的基础上减少了初投资，运行维护费用和工作量也得到有效控制。

　　根据赛时保障和赛后全年运行工况多变的特点，制定了系统全年运行策略(见表5),原则是：1) 赛时首层冰场对应的机组作为备用设备，充分保障3层冰场的运行安全；2) 平时1#、2#系统分别供应首层冰壶场地和3层短道速滑场地。根据初期冻冰和维持运行期间负荷的变化，以运行效率最大化为原则，对应开启各机组的机头数量。一般初期冻冰负荷较大，尤其当初期冻冰时间缩短时负荷提高，因此机头全开的工况也会出现。

　　表5 全年运行策略

　　 

　　 

	初期冻冰	维持运行	冬奥会期间	备注
1#系统	部分开启或全开	部分机头开启	备用	平时可互为
2#系统	部分开启或全开	部分机头开启	全开	备用

　　 

　　 

　　 

　　2.1.2 舒适性冷源

　　舒适性空调冷源采用复合冷源，即运动员公寓采用多联机系统，冰场和附属功能区域采用风冷冷水机组。首先，复合冷源的配置与需求契合：设置多联机系统，满足公寓独立经营管理和运行的需要；采用风冷冷水机组是机房面积不足的刚需，为弥补机组效率的不足，在设备选型上做功课，使全年冷负荷变化范围尽量出现在设备运行的高效区^[6]。以夏季为例，该项目夏季运行负荷与风冷冷水机组部分负荷下COP分别见图4、5,总体看来风冷冷水机组选配与设计需求基本相符。其次，舒适空调系统与冰场空调系统合用冷源，冷水机组运行工况与冰场运行工况契合。原因为：7 ℃/12 ℃供回水温度可满足2块冰场不同运行标准下的温湿度要求；系统设计保证冰场全年运行工况均可实现。

　　

　　图4 夏季风冷冷水机组承担冷负荷变化范围   

　　 

　　

　　图5 夏季风冷冷水机组部分负荷下COP变化范围   

　　 

　　舒适性冷源系统图见图6。冰场空调系统如全年运行，则包括夏季、冬季、过渡季等工况，在夏季和冬季的典型气候条件下，冰场空调系统夏季供冷，冬季供热，与风冷冷水机组运行规律一致。当冬季为暖冬而冰场运行标准较高时，则会出现冰场空调供冷、其他区域供热的矛盾，或者出现冰场空调单独供冷的需要。因此，冷源系统为冰场空调系统增设独立供冷环路，且冷水机组选用低温机组(室外最低运行温度为-5 ℃),以系统设计的变通，而非增加额外的设备、系统投入，来满足稳定供给和需求变化的匹配和平衡。

　　

　　图6 舒适性冷源系统原理图   

　　 

　　2.2 热源

　　对于冰场建筑，用热从功能需求分为供热用热和工艺用热。供热用热用来保证室内设计温度；工艺用热提供防冻胀系统、化冰系统、防结露空调系统、除湿系统再生热、融冰池化冰、浇冰水加热等系统所需热量。从温度需求分为高温热源和低温热源：高温热源有散热器供暖用热、空调用热、除湿系统再生用热、浇冰水加热等；低温热源为防冻胀系统、融冰池化冰、化冰系统等用热。另外，室内冰场有特殊供暖要求。除附属房间在冬季需要热源外，冰场内根据设计标准还存在全年需要供热的需求。由于冰面冷辐射的作用，冰场周边区域常年温度较低，如使用时间连续，冷辐射造成的冷感强烈，长时间停驻的人员体感差，因此供热标准较高时需要全年供热。

　　为保证以上用热需求，该项目的热源分为普通热源和热回收热源。图7为CO₂直接蒸发式制冷系统热回收利用示意图。

　　

　　图7 CO₂直接蒸发式制冷系统热回收利用示意图   

　　 

　　普通热源来自市政热力，可全年供热，冬季一次水供回水温度为110 ℃/70 ℃,其他季节为75 ℃/50 ℃,经换热机组后分为3个供热环路，即散热器供暖系统(75 ℃/50 ℃)、地暖系统(45 ℃/35 ℃)和空调热水系统(60 ℃/45 ℃),同时为工艺用热如冰场化冰用热、防结露空调等备热。冰场散热器供暖系统按照满足冬季室内设计温度8 ℃设计，系统独立，南北分环，可全年运行。冬季与空调系统结合，保证室内温度要求；过渡季和夏季主要满足人员的舒适度要求，根据场馆实地情况确定使用策略。附属房间散热器值班供暖系统按照满足冬季室内设计温度8 ℃设计，以减小非训练时段空调系统的耗电量。

　　热回收热源来自制冰用制冷机组的冷凝热，应尽可能回收利用，并优先使用，经济技术比合理时应采取辅助设备如热泵等。热回收热源应直接应用，避免降低用热品质及二次热损失。热回收热源利用的顺序是：优先供应防冻胀系统、融冰池化冰系统、浇冰水加热预热系统，余下供应防结露空调系统、供暖系统、除湿再热预热等。

　　该场馆热回收利用存在限制条件，由于投资和场地所限，不能设置热泵等升温设施，制冰机组的冷凝热仅能直接利用。CO₂直接蒸发式制冷系统的机组夏季跨临界运行，冬季亚临界运行。因此，夏季机组运行时可提供丰富且较高品位的冷凝热，图7反映的即是夏季回收冷凝热的3种工况；冬季机组提供的冷凝热工况与间接制冷系统相仿。

　　2台制冰用制冷机组在蒸发温度为-13 ℃时总冷凝热为1 674 kW,总回收冷凝热量为1 192 kW,其中高温段热水系统(供回水温度为70 ℃/50 ℃)的热量为312 kW,中温段热水系统(供回水温度为50 ℃/40 ℃)的热量为374 kW,低温段热水系统(供回水温度为30 ℃/25 ℃)的热量为506 kW。高品质的冷凝热扩大了供热应用范围，增加了如转轮除湿机组的再生供热等用途，热回收直接利用率达71.2%,回收利用率较高。

　　表6为CO₂直接蒸发式制冷系统中机组的冷凝热供应量与对应冰场需热量的平衡表。由表6可以看出：对于低温和中温段的冷凝热，供应量可以满足需热量；高温热水的供需分析是在2块场地同时使用且需热量最大的工况下进行，此时2台机组的供应量为312.0 kW,考虑转轮再生供热仅限冰壶场地需要和同时使用系数的因素，则2块冰场高温热源的需热量最大为307.0 kW,供需平衡可以实现。

　　表6 冷凝热供应量与对应冰场需热量 

　　 

　　 

冷凝热环路	冷凝热回收用途	需热量/ kW	机组供应量/ kW
低温30 ℃/25 ℃	融冰池供热	141.2
	冰场防冻供热	31.8
	浇冰热水预热(27 ℃)	119.0
	生活热水预热(低温段)	200.0
	合计	492.0	506.0
中温50 ℃/40 ℃	生活热水预热(高温段)	374.0	374.0
高温70 ℃/50 ℃	浇冰热水加热(27 ℃/65 ℃)	132.0
	防结露供热	142.2
	转轮再生供热	88.0
	合计	307.0	312.0
总计		1 173.0	1 192.0

　　 

　　 

　　 

　　而传统的间接制冷系统中，可以回收的冷凝热温度较低，热量较少。图8为传统间接制冷系统热回收利用示意图，可见冷凝热仅用于防冻胀热水系统供热等低温需求的供热系统，相对可用范围较窄。如该场馆采用传统间接制冷系统，供回液温度为-15 ℃/-13 ℃时，总冷凝热为930 kW,可回收的冷凝热量为260 kW,供回水温度为40 ℃/35 ℃,回收利用率仅为28%。

　　

　　图8 传统间接制冷系统热回收利用示意图   

　　 

　　3 气流组织

　　空调系统分为冰场空调系统和舒适性空调系统，冰场空调系统又分为场地空调、除湿空调、防结露空调和其他空调系统。

　　3.1 冰场空调形式

　　首层、3层冰场分别设置全空气空调系统，以保证室内设计参数。首层空调系统总送风量为42 000 m³/h, 3层空调系统总送风量为55 000 m³/h。首层空调系统为下送中回形式，3层空调系统为侧送上回形式。要充分考虑不能直吹冰面的特点，设计中要控制好角度和风速。

　　为防止顶棚结露，每个冰场内设置一套全空气系统，向顶棚内表面送风，顶部回风，保证顶棚位置的空气温度不低于露点温度，消除结露的隐患。首层和3层的防结露空调机组的送风量分别为10 000 m³/h和13 000 m³/h, 根据设置在屋面的温度传感器检测值确定系统的启停。

　　其他空调系统包括3层冰场南侧活动看台区域的独立全空气系统，有观众时运行，无观众时停用。场地南侧设置侧向上送风口，西南侧低位设置回风口。

　　3.2 气流组织特点

　　3.2.1 首层冰壶场地

　　首层冰壶场地对冰面风速、低位含湿量和温度要求较高，设计中采用低位双侧侧下送、侧上回的气流组织方式(见图9),送风口位于冰场护垫外，底距地面200～500 mm, 送风风速不大于1 m/s。为保证不同功能和时段要求，另设高位送风口，与低位送风口通过风阀切换使用(见图10)。高位送风口底距地面2.0 m。回风口设在送风口上部4.5 m高度处，且临近护垫，尽量收集冰场下部空间的回风，增加对冰场1.5 m高度内的空气温湿度精确调控。除屋面采用防结露空调设施外，上空区域不做温湿度控制。

　　

　　图9 首层冰壶场地空调系统示意图   

　　 

　　

　　图10 首层冰壶场地空调送回风口布置示意图   

　　 

　　运用CFD对上述冰壶场地空调系统冬季运行时的效果进行模拟分析^[7],确定当送风含湿量为1.3 g/kg时，该空调系统可营造符合世界冰球联合会(简称WCF)标准的温湿度场和风速场。图11～13为对优化的冰场空调系统模拟后得到的主要参数云图^[7]。

　　

　　图11 1.5 m高度处干球温度云图   

　　 

　　

　　图12 1.5 m高度处露点温度云图   

　　 

　　

　　图13 顶板下方0.5 m高度处露点温度云图   

　　 

　　3.2.2 3层冰场

　　3层冰场空调为侧上送上回系统(见图14)。北侧临近冰场，送风管道布置在马道下面，为避免送风对冰面直吹，送风口设置为竖直下送，距地3.90 m高；南侧有观众区，风管布置在南墙上，送风口为侧上送，距地9.05 m高；回风口设在屋面，距地12.80 m高。

　　

　　图14 3层冰场空调系统示意图   

　　 

　　冬夏季室内环境参数的CFD模拟结果见表7。

　　3.3 多种除湿方式

　　冰场湿负荷来源于人员、新风和室内空气流动。首层冰壶场地室内湿负荷为81～140 kg/h, 3层冰场的室内湿负荷为70～120 kg/h。

　　短道速滑场地设计标准低于冰壶场地，在3层冰场内设置4台升温型低温除湿机组，上送风、下侧回风。除湿机和场地空调配合，处理室内湿负荷，控制含湿量达标。

　　表7 3层冰场冬夏季室内环境参数

　　 

　　 

	夏季工况	冬季工况
距冰面0.8 m高度处	温度8～12 ℃,相对湿度40%～60%,风速<1.2 m/s	温度6～10 ℃,相对湿度60%～70%,风速<0.1 m/s
距冰面1.5 m高度处	温度14～16 ℃,相对湿度30%～40%,风速<2.0 m/s	温度14～16 ℃,相对湿度30%～40%,风速<0.2 m/s
距冰面2.0 m高度处	温度14～16 ℃,相对湿度30%～40%,风速<2.5 m/s	温度14～16 ℃,相对湿度30%～40%,风速<0.3 m/s
顶板表面(露点温度为顶板下方0.5 m处)	温度16～18 ℃,露点温度7.5 ℃	温度14～18 ℃,露点温度-3.0 ℃
观众区	温度16～18 ℃,相对湿度30%,风速<0.6 m/s	温度14～16 ℃,相对湿度30%,风速<0.6 m/s

　　 

　　 

　　 

　　由于冰壶运动的相对湿度要求严格、含湿量较低，首层冰场采用除湿机除湿(非冰壶)、转轮除湿(冰壶)2种形式。转轮除湿空调系统即场地空调，核心设备为带转轮除湿段的组合式空调机组。场地四周均匀设置4台升温型低温除湿机组。

　　冰场空调系统设计中还实现了新风量可调，如冰壶场地新风量范围为7 500～15 000 m³/h, 短道速滑和花样滑冰场地的新风量范围为10 000～38 000 m³/h。

　　冰壶场地以高标准运行时，空调机组中的转轮除湿段运行，与前、中、后段表冷/热器配合，进行高精度除湿，送风含湿量可低至0.86 g/kg。图15显示了首层冰壶场地夏季转轮除湿系统空气处理过程。

　　

　　图15 冰壶场地转轮除湿空调系统的空气处理过程   

　　 

　　由于转轮除湿再生需要高温空气，再生热耗能较大，运行费用较高。该项目由于初投资限制，再生热源不得已采用电热，为减少电耗，在夏季充分利用高温冷凝热为再生空气预热，在其他季节采用来自市政热力的供暖热水做预热。另外通过运行手段也可降低用电，如尽量减少转轮除湿机组使用周期，采用其他除湿方法有效替代：当运行标准不高时，采用除湿机与空调系统配合除湿，此时转轮除湿段旁通；冬季或过渡季室外含湿量较低时，则采用加大新风的方式实现除湿。短道速滑项目室内运行标准相对较低，可采用除湿机除湿，当然也可采用加大新风方式除湿。

　　4 结论

　　1) 设计前期应明确设计目标，选择相应设计标准和设计参数，避免设计效果与业主期望不符或系统配置过高使初投资和运行费用增加。

　　2) 舒适性冷源和制冰用冷源应分别设置，保证冷源系统高效运行。

　　3) 热源设计时要充分考虑冰场特殊用热需求，同时要做到应用尽用制冰机组的冷凝热。

　　4) 气流组织应充分贴合冰场需要，优先采用低位空调系统。

　　5) 除湿系统设计十分关键，在满足室内温湿度标准的前提下，综合考虑经济和技术的平衡需求，采用多样化的除湿方式做到多元互补。

　　希望在未来的室内冰场设计和维护中，无论是既有冰场还是新建冰场，都能在本届冬奥会搭建的高水平技术平台上，持续进行绿色低碳技术的应用和探索。

　　本文引用格式：张昕，王伟良，潘云钢，等．首体短道速滑训练馆暖通空调设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：116-122,93．