0 引言

　　首都体育馆建成于1968年，是国内第一个室内人工冰场，运行至今已有53年历史。从1971年见证“小球转动大球”的“乒乓外交”,到2008年成为北京夏季奥运会排球主赛场，再到2016年入选“首批中国20世纪建筑遗产”名录，首都体育馆承载了厚重的历史。在北京2022年冬奥会期间，同时承办花样滑冰和短道速滑两项赛事。首都体育馆的改造设计示范意义重大，首先，作为冰上运动的场馆历经多年使用，需要对建筑与设备设施进行改造，以满足北京冬奥会的办赛要求；其次，本次赛事承办的项目是我国的优势项目，首都体育馆必将成为本届冬奥会期间的焦点，在后冬奥时期场馆各个方面都将成为改造设计的典型代表。

　　1 项目概述

　　首都体育馆位于北京市海淀区白石桥东北角，毗邻北京动物园与紫竹院公园，项目外观如图1所示，建筑面积45 406 m²,建筑高度27.46 m, 地上4层、地下1层，冬奥会赛时内设15 000个观众席、1个标准短道速滑或花样滑冰的人工冰场、办公室、运动员休息室、媒体办公室、训练用房等。历经53年的使用，该场馆原有空调系统已无法满足冬奥会对室内环境的要求，以及现行国家建筑节能标准的要求，更无法满足绿色建筑标准的要求。

　　

　　图1 项目外观图   

　　 

　　在绿色、共享、开放、廉洁的办奥理念指引下，经过前期论证与分析，针对办赛需求，本次改造设计涉及围护结构节能改造、空调及除湿系统改造设计两方面主要内容。

　　2 改造设计目标

　　2.1 围护结构

　　首都体育馆建成于1968年，53年运行期间，其围护结构均未进行全面改造更新，其保温性能、气密性等级等已无法满足公共建筑节能规范相关性能要求。同时较差性能的围护结构将对室内温湿度环境产生较大影响，从而导致冰面温度不均、冰场上方起雾，甚至产生局部冰面融化的风险。

　　本次围护结构改造设计目标主要为：在首都体育馆原有建筑风貌整体不变前提下，通过改造设计，使其围护结构节能性能满足现行公共建筑节能设计标准要求，并同时达到GB/T 51141—2015《既有建筑绿色改造评价标准》绿色建筑二星级标准目标，从而确保室内环境稳定可控。

　　2.2 空调及除湿系统

　　首都体育馆冬奥会赛时承担短道速滑及花样滑冰竞赛项目，根据北京奥组委和专项联合会冬奥会赛时对环境参数的要求，冰面上方1 m高处干球温度不高于16 ℃,相对湿度不高于40%,平均风速不超过0.3 m/s。

　　原场馆仅在观众区设有空调系统，并无针对人工冰场温湿度要求的除湿系统。本次改造设计需根据上述冰面环境参数要求，通过合理的除湿量计算与除湿系统分析，增设冰面区除湿系统，使冰面上方的环境参数满足冬奥会要求。

　　3 改造设计

　　3.1 围护结构

　　3.1.1 现状调研

　　首都体育馆自建成后围护结构并未进行过较大改造，原围护结构中外墙主要由370 mm厚砖砌筑墙体组成，外表面贴25 mm厚水刷石面，见图2a; 外窗主要由实腹钢窗组成，已破损较多。原围护结构系统已无法满足GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》要求，无法保证冰面上方温湿度稳定可控，且无法保证冰面安全。

　　

　　图2 围护结构改造   

　　 

　　3.1.2 改造设计

　　为保持历史建筑原有建筑风貌不变，节能改造设计采用在内侧增加保温材料，门窗全部进行更换的方式。本次改造外墙内贴100 mm厚网织增强岩棉板(见图2b),外门窗采用氟碳喷涂铝合金框、断热铝合金型材中空玻璃窗(高透光双银Low-E玻璃+12 mm厚空气层+8 mm厚透明玻璃)。

　　3.1.3 实施效果

　　通过围护结构节能改造，经建筑节能计算，改造后外墙平均传热系数达到0.34 W/(m²·K),外窗传热系数达到2.20 W/(m²·K),太阳得热系数达到0.20,气密性等级达到6级，均可满足现行公共建筑节能设计标准及绿色建筑二星级的指标要求，实现既定设计目标。

　　改造后良好的建筑围护结构是人工冰场安全高效节能运行的前提，同时也是冰面除湿系统稳定运行的有力保障。

　　3.2 空调及除湿系统

　　3.2.1 湿负荷计算分析

　　根据湿负荷分类，分别对各类湿负荷进行计算。首先是室内人员产生的湿负荷。竞赛性室内人工冰场人员主要由观众及冰面人员构成，观众主要以观赛为主，其活动性质主要为极轻活动。由于观众人数并非固定不变，同时结合人工冰场观众区平均环境温度，为避免观众湿负荷计算过大，按照文献[1]提供的数据，通常选取20 ℃室内温度下1名极轻活动成年男子的散湿量作为湿负荷计算依据，取值为69 g/h。冰面人员主要由运动员和竞赛场地内教练员、比赛工作人员构成，其活动性质主要为重度活动。同时，选取20 ℃室内温度下1名重度活动成年男子的散湿量作为湿负荷计算依据，取值为356 g/h。按赛时观众15 000人计算，观众湿负荷为1 035 kg/h; 按赛时冰面50人计算，冰面人员湿负荷为17.8 kg/h。

　　其次是新风带入的湿负荷。为满足场馆内人员卫生要求，同时保证场馆整体相对室外维持微正压，防止室外热湿空气不受控地通过建筑物围护结构缝隙进入室内，对场馆内受控的人工环境造成破坏，人工室内冰场应持续不断地送入新风，人员新风量根据文献[1]选取。在获得满足人员卫生要求总新风量的同时，应按1～2 h^-1换气次数对新风量进行校核，从而维持室内微正压。按赛时场馆总新风量25 000 m³/h计算，新风湿负荷为734 kg/h。

　　最后是浇冰产生的湿负荷。此部分与冰面运行管理有很大关系。冰面在使用一段时间后，冰刀会对冰面产生破坏，形成深浅不一的划痕，比赛间隙需利用浇冰车通过浇洒热水的方式对冰面进行修补，保持冰面平整。每次浇洒需使用约1 000 L 55～60 ℃热水，此部分热水层会在5～8 min内冻结成冰，由于热水形成的局部热湿空气与冰面上方的干冷空气形成较大水蒸气分压力差，浇水过程中会散发大量水蒸气形成湿负荷，该湿负荷会由于水蒸气压差减小而减小。该部分散湿量可用敞开水表面散湿量公式进行计算，但由于浇洒后的热水温度快速降低，所对应的相同温度的饱和空气水蒸气分压力随时间快速变化，因此单位时间散湿量亦在变化。根据冰场运行实测值，可近似统计浇冰产生的湿负荷，统计值见表1^[2]。

　　表1 每次浇冰后水的蒸发量(浇冰用水温度60 ℃) 

　　 

　　kg

	室内设计参数
	15.5 ℃/ 70%	15.5 ℃/ 40%	12.8 ℃/ 70%	12.8 ℃/ 40%
短道速滑	8.2	35.0	16.8	34.0

　　 

　　 

　　 

　　浇冰通常是每天进行6～8次，湿负荷可以用全天总浇冰湿负荷除以总运行时间计算。按赛时场馆每天浇冰8次、每天运营7 h计算，浇冰湿负荷约为45 kg/h。

　　将上述湿负荷统计归纳为图3。

　　

　　图3 冰场湿负荷统计   

　　 

　　首都体育馆空调及除湿系统由观众区空调系统和冰面除湿系统两部分组成。如图3所示，观众区人员湿负荷与新风湿负荷占总湿负荷的97%,该部分湿负荷由观众区空调进行处理，观众区空气参数满足人员舒适性即可，设计方法同一般体育场馆，本文不再赘述。观众区与冰面区气流组织相对独立，通过合理设置除湿机送风风速，使冰面上方形成空气幕，阻止观众区热湿空气下落至冰面，剩余63 kg/h湿负荷由冰面除湿系统负担，在下文的除湿系统计算中，选取该负荷进行计算分析。

　　3.2.2 除湿系统分析

　　经前期调研，室内人工冰场除湿系统主要有冷却除湿和转轮除湿2种形式，结合首都体育馆建筑特点和除湿系统改造设计目标，对2种系统的适用性进行分析。

　　冷却除湿、转轮除湿系统流程图分别见图4和图5。

　　

　　图4 冷却除湿系统流程图   

　　 

　　

　　图5 转轮除湿系统流程图   

　　 

　　为了便于比较，将两者空气处理过程绘制在同一焓湿图中，见图6。

　　

　　图6 冷却除湿和转轮除湿空气处理过程   

　　 

　　根据图4～6,冰场上方空气A点经过直接蒸发式冷却盘管温度降低、含湿量降低，达到机器露点B点，再经过再热盘管调节送风温度至C点，送入冰面上方进行除湿。由于直接蒸发式空调机组的机器露点温度一般最低可以达到8 ℃,其对应的空气含湿量为6.4 g/kg, 基本可满足冰面上方不起雾的要求。

　　对于首都体育馆冬奥会赛时冰面上方1 m高处温度不高于16 ℃、相对湿度不大于40%的环境目标，其对应的空气含湿量为4.5 g/kg, 直接蒸发式冷却除湿系统已无法满足该要求，需通过转轮除湿系统进行低温深度除湿。B点空气经转轮后温度上升、含湿量进一步降低，到达E点，根据转轮温度和材料的不同，E点含湿量一般可降低到3.0 g/kg以下，可满足冬奥场馆的除湿要求。但由于空气经过高温转轮后温度上升，需经过再冷盘管降温，由E点降温至F点送入冰面上方，避免高温空气使冰面融化。

　　经对比分析，为保证冬奥会赛时冰面上方环境参数要求，首都体育馆冰面区选择转轮除湿系统。

　　3.2.3 除湿系统设计

　　根据北京冬奥会举办时间安排，经查阅北京市2008—2018年近10年2月份室外气象参数，获得平均温度和相对湿度分别为0.55 ℃、40%,对应的含湿量为1.588 g/kg, 小于冰面上方的含湿量4.54 g/kg要求，因此通过引入适当的室外新风即可达到消除室内及冰面湿负荷的目的。经计算，观众区舒适性空调系统的额定新风量与额定加热量即可满足该工况下除湿需求，故此时不必开启转轮除湿机即可完成室内观众区与冰面区温湿度控制要求。此处理过程同一般体育场馆一次回风冬季处理过程，不再赘述。

　　为保证冬奥会赛时万无一失，根据北京奥组委要求，经查阅北京市2008—2018年近10年2月份室外气象参数，选择含湿量最大一天的参数作为最不利室外参数，即温度和相对湿度分别为5.4 ℃、83%,其对应含湿量为4.654 g/kg, 并依此进行除湿系统设计计算。

　　由于该工况下室外空气含湿量数值仍小于观众区空调系统机器露点含湿量6.4 g/kg, 因此仍选择加大室外新风进行除湿。通过加大新风量，可将观众区温度和相对湿度分别控制在18 ℃、48%,在此条件下进行转轮除湿系统设计。

　　转轮除湿系统送风管道沿冰场区长边布置，距地高度约2.5 m, 均匀设置送风口，见图7,使观众区与冰面区形成2个相对独立的室内环境区域。转轮除湿系统主要承担冰面湿负荷，经计算送风温度为29.7 ℃,含湿量为3.1 g/kg, 送风量为40 000 m³/h。

　　

　　图7 转轮除湿系统送风管道平面图   

　　 

　　3.3 模拟验证

　　为验证理论计算与设计目标是否一致，确保冰面上方温度、相对湿度、平均风速设计满足冬奥会赛时室内环境参数要求，采用CFD方法对室内气流组织及热湿环境状况进行模拟分析验证。

　　3.3.1 模型建立

　　首都体育馆室内空调系统划分为观众区空调系统与冰面区转轮除湿系统两部分，沿短轴剖面，见图8。

　　

　　图8 首都体育馆空调及除湿系统气流组织示意图   

　　 

　　观众区空调送风口分布于观众席上方，回风口位于观众席台阶处。冰面区除湿系统送风口布置于观众席前侧，回风口位于冰面四周。根据设计图纸及其他相关资料，建立了模拟计算物理几何模型，模型尺寸及各风口设置与设计资料一致，见图9。

　　

　　图9 首都体育馆几何模型   

　　 

　　3.3.2 计算控制方程

　　任何流体的流动都要遵循物理守恒定律，由于室内空气流动包含空气和水蒸气，因此还需遵守组分守恒定律。本次模拟计算湍流模型选择重整化群RNG K-ε模型，其基本控制方程为连续性方程、动量方程及K和ε的输运方程。辐射模型选择DO模型，考虑了屋顶、墙壁与地面之间的辐射传热。组分模型采用空气-水蒸气模型，考虑了湿空气的组分运输，选用Species Transport模型设置组分1为空气，组分2为水蒸气，在混合物中设置组分1位于组分2之上。最后，由于场馆内有大面积冰面，模拟中考虑冰面的融化与凝固，选择了凝固和融化模型。

　　该模拟计算的收敛判断标准为：质量方程的迭代残差小于10^-3,能量方程的迭代残差小于10^-6;部分区域关键点的压力和速度分布合理，每次迭代都监控其值大小，计算至其不再发生变化为止。

　　3.3.3 边界条件

　　观众区空调系统送风口分布于观众席上方，风口底边标高20 m, 南北侧各39个；回风口位于观众席台阶处，回风口高度150 mm。观众区空调系统送风量580 000 m³/h, 送风温度23.3 ℃,相对湿度27.23%,含湿量4.865 g/kg。冰面区除湿系统送风口布置于观众席前侧，采用直径40 mm圆形送风口，22个一组，南北各24组，回风口位于冰面四周，共4个。冰面区除湿系统送风量40 000 m³/h, 送风温度29.7 ℃,含湿量3.1 g/kg。

　　室内湿负荷按上述计算方法，对观众区和冰面区湿负荷分别进行计算，冰面散湿量则根据水蒸气分压力进行计算。

　　室外气象参数选取分2种工况：一是选择2月份室外平均气象参数，其温度和相对湿度分别为0.55 ℃、40%,为冬奥赛时典型工况；二是选择2月份室外含湿量最大值所在日的气象参数，其温度和相对湿度分别为5.4 ℃、83%,为冬奥赛时最不利工况。

　　3.3.4 模型网格划分

　　模型网格划分采用非结构化网格。非结构化网格对于复杂几何结构具有更强的适用性，且便于对局部网格进行加密和修改。模型采用的初始网格结构如图10所示，模拟过程中利用网格自适应功能在初始网格的基础上加密网格。采用梯度法进行自适应加密，最终保证建筑周边风场速度梯度的欧几里得范数与网格特征长度的乘积小于0.01,此时可认为已达到网格无关解。最终计算网格为约5 720万。

　　

　　图10 物理模型网格图   

　　 

　　3.3.5 验证分析

　　对于室外气象冬奥赛时典型工况，观众区和冰面区均可满足改造设计目标。观众区的温湿度与理论计算基本一致，可满足舒适性要求且稳定可控；冰面区冰面上方1 m高处平均温度为15.6 ℃,平均相对湿度为21.16%,平均含湿量为2.79 g/kg, 平均风速为0.13 m/s, 可满足冬奥会赛时冰面区环境参数目标，其温度场、相对湿度场、速度场见图11～13。

　　

　　图11 冰面1 m高处温度分布云图(典型工况)   

　　 

　　

　　图12 冰面1 m高处相对湿度分布云图(典型工况)   

　　 

　　

　　图13 冰面1 m高处速度分布云图(典型工况)   

　　 

　　对于冬奥赛时室外气象最不利工况，观众区模拟结果与理论计算基本一致，可满足舒适性要求且稳定可控。但冰面区冰面上方1 m高处的模拟结果与理论计算值产生偏差，通过分析场馆气流组织断面图(见图14),其主要原因为由于受首都体育馆改造条件限制，除湿系统送风管道仅沿冰面区长边进行布置，冰场气流组织设计无法实施全覆盖，冰场区相对独立的环境区域并未完全形成，导致观众区空气与冰面区空气产生了掺混。同时由于观众区与冰面区的空气环境参数不同，产生了温差与水蒸气分压力差，最终导致观众区向冰面区迁移的热湿负荷大于预期，模拟结果与理论计算值产生偏差。

　　

　　图14 场馆气流组织断面图   

　　 

　　通过多次调整除湿系统的送风边界条件，即加大送风量、调整送风角度与送风温度及降低送风含湿量等，得到了8组冰面区冰面上方1 m高处的模拟结果，其数据见表2。

　　表2 不同送风条件下冰面上方1 m处的模拟数据 

　　 

　　 

序号	除湿系统送风边界条件				冰面上方1 m高处模拟结果(平均值)
	送风量/(万m3/h)	送风角度/(°)	送风温度/℃	含湿量/(g/kg)	温度/℃	相对湿度/%	风速/(m/s)	含湿量/(g/kg)
1	6	45	8	1	16.22	40.56	0.205	4.58
2	6	0	8	1	11.06	50.90	0.174	4.12
3	6	15	12	1	15.27	38.74	0.172	4.73
4	8	15	12	1	15.86	35.93	0.182	3.98
5	6	10	15	1	16.40	40.44	0.218	4.60
6	6	15	13	1	15.89	41.81	0.192	4.59
7	7	10	13	1	15.49	36.74	0.195	4.21
8	7	15	12	1	15.34	38.61	0.190	4.56

　　 

　　 

　　 

　　由表2可知，经送风边界条件调整后，在室外气象冬奥赛时最不利工况下，序号3、4、7、8送风边界条件的模拟结果均可满足冰面环境参数设计目标。根据现场条件及风道尺寸限制，综合考虑项目投资后，最终选取序号7为最优边界条件，其温度场、相对湿度场、速度场见图15～17。

　　

　　图15 冰面1 m高处温度分布云图(最不利工况)   

　　 

　　综上分析，转轮除湿系统的主要参数优化调整为：送风量70 000 m³/h, 送风温度13 ℃,送风含湿量1 g/kg, 送风口的送风角度10°。由此参数可知，观众区向冰面区掺混的热湿空气，导致了除湿系统的送风温度降低，因此改造设计中气流组织的设计应引起充分重视。

　　

　　图16 冰面1 m高处相对湿度分布云图(最不利工况)   

　　 

　　

　　图17 冰面1 m高处风速分布云图(最不利工况)   

　　 

　　4 结论

　　北京2022年冬季奥运会已落下帷幕，改造后的首都体育馆圆满完成了改造设计目标，各国运动员在场馆内取得了优异竞赛成绩并屡破世界纪录。冬奥会实践证明，室内人工冰场的围护结构性能提升是冰面温湿度控制的前置条件，同时观众区与冰面区分别设置空调系统与转轮除湿系统是行之有效的设计方案。需要注意的是，由于改造场馆各空调系统气流组织形式限制，观众区空调系统的除湿能力有限，应对观众区与冰场区的冷热负荷进行综合分析，并对观众区向冰面区湿负荷迁移引起足够重视。

　　首都体育馆人工冰场空调及除湿系统设计，不仅为既有体育场馆的改造设计提供了新的解决方案，也为完善我国冰上体育场馆的规划设计水平、促进冰上体育事业蓬勃发展提供了示范。

本文引用格式：丁传明，王力刚，王威，等．首都体育馆空调改造设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：62-67,37．