0 引言

　　首都体育馆冰场是北京市建筑设计研究院有限公司设计的国内第一个室内人工冰场。自1968年建成投入运行，已运行了53年，2016年入选“首批中国20世纪建筑遗产”名录。本次北京冬奥会期间，该馆承办短道速滑和花样滑冰2个重要项目的全部比赛，因此冰场制冷技术的应用，既要满足冬奥组委对绿色建筑和科技冬奥的目标要求，又要具有示范性。根据上述目标，该馆冰场制冰系统设计中，首先对原有的制冰系统进行了分析诊断，判断其是否能够满足冬奥会对绿色、科技和环保的技术要求；其次，由于制冰系统经历了多年使用，需要对其系统进行升级改造，以满足冬奥会和国际比赛对冰场的技术要求。

　　1 工程介绍

　　首都体育馆坐落于北京市海淀区白石桥东北角，拥有15 000观众席，总建筑面积45 406 m²,其中地上38 842 m²,地下6 564 m²,建筑高度27.46 m。

　　2022北京冬奥会期间，对于承接的2项赛事，由于其冰面温度需求不同，按冬奥组委要求需要在2 h内实现冰场转换。同时该馆赛后作为北京乃至全国的冰上运动主要场地，继续服务于各种冰上活动，并兼顾文艺演出、球类活动的场地统筹使用。

　　从国内第一块室内人工冰场到冬奥历史上第一块二氧化碳跨临界制冰系统制冰，从夏奥会到冬奥会，首都体育馆见证了无数历史时刻，同时也向全世界观众完美呈现了来自中国的“最美的冰”。室内效果图见图1。

　　图1 首都体育馆室内效果图   

　　首都体育馆原有冰场制冰系统采用传统的氟利昂制冷剂，使用间接冷却制冰方式。载冷剂采用浓度较高的乙二醇溶液，通过输配系统将冷量提供给冰面，使得冰面冷却并保持一定的温度状态。

　　采用间接冷却制冰方式时，可将制冷循环完全控制在制冷机房内，其安全性较高，宜集成为定型设备，特别适宜于标准冰场；另外由于冰场采用空调除湿等措施，较好控制了冰面上的室内环境，因此制冰系统的制冷设备容量变化较小，制冷设备宜系列化，相对成熟简单。同时，由于制冰系统需要设置载冷剂系统，增加了制冰系统的换热环节，并由于载冷剂多为有机溶液，其单位流量热容较小，黏度较大，仅依靠显热实现冰面的冷却效果，因此制冰系统的输配能耗也较大。

　　2 制冷系统改造分析

　　首都体育馆原有冰场制冷系统使用年限比较久远，并按照当时建筑功能、使用要求、工艺流线和气候特点等相关条件进行制冷系统设计。根据冬奥会2项赛事要求，分析判断目前制冷系统的供冷能力是否可以满足冬奥会2项赛事对冰场的技术要求；其次，根据冬奥组委对绿色建筑和科技冬奥的目标要求，分析目前制冷系统制冷剂的适宜性。原制冷系统使用的制冷剂为第二代制冷剂，其化学成分以含氯的氯氟碳化合物为主，虽然具有优良的热力性能、无毒、无燃烧性等诸多优点，但在环保方面不能满足北京冬奥会的技术要求，其臭氧消耗潜能值(ODP)和全球变暖潜能值(GWP)均较高，对大气环境有较大危害影响^[1]。从制冷剂安全、环保、制冷性能、经济性、全寿命周期等多方面综合考虑，需要对目前新型制冷剂的特性进行分析研究，以选用可满足北京冬奥会要求的制冷剂。根据冬奥组委对绿色建筑和科技冬奥的目标要求，以及冬奥会2项赛事的技术要求，经现有冰场制冰系统分析与诊断，首都体育馆制冰系统需要进行更新改造。

　　3 制冰系统设计

　　3.1 冰面冷负荷

　　冰面质量是冰场能否满足使用要求的关键因素之一，其中供冷能力的计算是影响系统的重要方面。如何准确计算冰面冷负荷，既不会因制冰系统供冷能力不足，致使冰场无法满足比赛时的技术要求；又不能因为计算不准确或过度考虑安全因素等，致使制冷设备等容量过大，在实际使用中造成制冷设备等低效运行，同时也增大了投资费用。因此，冰面冷负荷的准确计算是设计中的重要基础。

　　冰面冷负荷分为初次冻结冷负荷和运行冷负荷，应分别进行计算。一般说，初次冻结冷负荷与冻结过程时间密切相关，其数值具有一定的不确定性；运行冷负荷相对稳定。因此，需要按照各项热损失进行分项，分别计算并叠加，以确定设计冷负荷。按照以上原则，根据冬奥期间国际奥委会制冰工程师提出的室内环境和冰面参数要求，结合北京地区气象条件，该项目对冰场制冷系统的冷负荷进行了分析计算，得到了满足2项赛事要求的初次冻结冷负荷和运行冷负荷。

　　初次冻结冷负荷计算时，冰场初次冻结所需的时间对于冷负荷影响较大，应按赛时和赛后2种工况进行分析，时间按照24、48、72 h分别进行计算。根据北京冬季和夏季的不同室外气象条件，以及冬奥花样滑冰和短道速滑2项赛事的冰面温度要求，冰场初次冻结冷负荷的计算结果见表1。

　　表1 初次冻结冷负荷 

　　W/m²

　　从表1中可以看出：首先，初次冻结时间对冰面冷负荷影响较大，当初次冻结时间增加时，初次冻结冷负荷随之减小，但其减小的幅度随时间的增加而减缓；其次，室外气象条件对初次冻结冷负荷也有很大影响，当其他条件不变时，冬夏季的初次冻结冷负荷相差约100 W/m²;最后，冰面温度对初次冻结冷负荷影响较小，特别是随着初次冻结时间的增加，其对初次冻结冷负荷的影响可近似忽略。

　　运行冷负荷既是确定制冷设备容量的重要依据，又是系统运行调节的重要参数。运行冷负荷应按对流换热负荷、对流传质负荷、辐射传热负荷、地面传热负荷、整修冰面负荷和照明负荷6个分项进行计算^[2]。根据项目建筑围护结构热工性能等参数，冬季设计日的运行冷负荷分项值计算结果见表2。

　　表2 运行冷负荷分项值 

　　W/m²

　　从表2可以看出，运行冷负荷小于初次冻结冷负荷，且各分项冷负荷占运行冷负荷的比例也不同，如图2所示。

　　图2 运行冷负荷分项占比   

　　从各分项比例可以看出，由于冰面温度与室内空气温度、围护结构表面温度相差较大，冰面对流换热负荷、辐射传热负荷所占比例最大，两者之和占运行冷负荷的63%;整修冰面负荷占运行冷负荷的17%,与冰面修正时间间隔和水量大小密切相关；对流传质负荷占运行冷负荷的12%;其他各项均较小，各项之和占运行冷负荷的8%。

　　根据以上计算方法，对冰场全年运行冷负荷进行了计算分析，得到了全年运行冷负荷变化曲线，如图3所示。

　　图3 全年运行冷负荷   

　　从图3可以看出，运行冷负荷受室外气象影响明显，基本与室外空气温度变化趋势一致，为项目的赛后运行提供了依据。

　　根据以上计算分析，冰面冷负荷的最终确定，还兼顾了冬奥组委制冰师的建议，以及花样滑冰和短道速滑在短时间内的转换要求，适当考虑了设备容量的冗余，以确保冬奥比赛期间的万无一失。

　　3.2 制冷剂

　　根据冬奥会对绿色、科技和环保的技术要求，制冷系统的制冷剂选择，主要从制冷剂安全、环保、制冷性能、经济性、全寿命周期等多维度进行综合评价^[1]。评价结果表明，二氧化碳制冷剂(R744)具有良好的环保性能，其综合评价结果最佳。经多方论证，项目最终选择二氧化碳(R744)作为制冷剂。

　　3.3 制冰系统

　　制冰系统由制冷系统、热回收系统、冷却系统、水处理系统和补水系统等组成，其系统架构和各个子系统的相互关系如图4所示。

　　图4 制冰系统原理图   

　　制冷系统作为制冰系统最重要的子系统，主要由高压制冷机组、低压制冷机组和盘管组成。制冷机房内设2台制冷机组，单台制冷能力不低于550 kW,每台机组包括高压和低压2组压缩机组，各组内各压缩机的功率相同，采用压缩机备用模式；制冷机组在初次冻结及冰面需要快速转换时，同时运行。按照冰面的使用工况及冰面下建筑构造，冰面下盘管的制冷剂温度可在-18～-15 ℃之间精确调节，并选用耐压覆膜铜管，按照其最大承压能力进行核验。

　　热回收系统是制冷系统节能的重要手段。根据制冷循环过程分析，热回收主要分为两部分：高温热回收部分，即把跨临界高压压缩机出口的高温制冷剂所释放的热量加以回收，其进出水温度为55 ℃/70 ℃左右，用于转轮除湿系统再生预热；中温热回收部分，其进出水温度为40 ℃/55 ℃左右，用于防冻胀盘管及融冰等系统。

　　3.4 制冷循环

　　根据制冷系统架构，对其制冷循环过程进行了分析计算。首先，对制冷剂的物理性能进行分析。二氧化碳的临界点为30.98 ℃,当室外空气温度较高时，其制冷循环的放热过程易在高于临界温度条件下运行，即跨临界运行。其次，确定压缩的级数，如果仅为单级压缩，虽然流程简单，但由于压缩过程中，高压和低压之间的压差很大，机组的泄漏量较大，且连接器件的压力差大，器件产生变形的危险大^[3],因此，压缩级数选用双级压缩方式。根据以上分析及北京市气象条件，制冷循环最终确定为带回热双级压缩制冷循环，并跨临界运行。

　　根据文献[4]提供的方法，对制冷循环的高压侧压力、中间压力值进行了分析计算，选取最优值，并按照文献[5]考虑蒸气回热过程。制冷循环的理论压焓图见图5。

　　图5 带回热双级压缩制冷循环理论压焓图   

　　R744制冷剂的理论制冷循环为：冰面下的盘管完成蒸发吸热过程，为状态点11到点12,点12为干度为1的饱和蒸气；点12到点1为等压显热吸热过程，吸收的热量来自于中间压力下的等压放热，即点8到点10过程；点1到点2为初级压缩过程，点2的控制压力为最优中间压力；点2到点3过程为等压放热过程，通过空气冷却器，尽可能释放出最大的热量；点4是点3和点9的混合，即通过中间压力下饱和蒸气点9与点3混合，降低进入高压压缩机的蒸气温度；点4到点5为高压压缩过程，点5的控制压力为最优高压压力；点5到点6的过程为等压降温过程，高压高温蒸气进入空气冷却器，释放出制冷循环中大部分热量；点6到点7为通过节流装置的等焓降压过程；点7为气液两相状态，通过气液分离装置，分为气相部分点9和液相部分点8,其中点9与点3混合，形成点4,再次参与循环；点8作为热源，将热量释放给点12到点1过程，完成回热过程，自身由点8过冷到状态点10;点10到点11为通过节流装置的等焓降压过程，并进入盘管；盘管内，蒸发温度不变，完成点11到点12的吸热过程，从而完成一个完整的制冷循环。

　　考虑到实际制冷循环的特点，依据压缩机的产品特性，对上述理论循环进行了修正，给出了实际制冷循环(见图6),并计算出各个状态点的参数，见表3。

　　图6 带回热双级压缩制冷循环实际压焓图   

　　根据上述计算，实际制冷循环的性能系数COP为2.08,相对于理论制冷循环减小了32%,其原因为两级压缩过程中会产生熵增。

　　4 运行效果

　　2022年冬奥会期间，首都体育馆完美呈现了冰面温度均匀、冰场转换快速的特点。冰场底部安装了9个温度传感器，均匀布置于冰面下，用以监测底冰温度，控制冰面温度。图7显示了冰面测点布置和使用期间底冰温度监测值，可以看出，冰面温度均匀性很好，最高温度和最低温度之差不超过0.2 ℃,满足了冬奥组委2项赛事对冰面的温度及其均匀性要求。

　　表3 带回热双级压缩制冷循环状态点参数 

　　5 结语

　　2022年北京冬季奥运会已落下帷幕，但人们对冰雪的热情已经点燃，未来冰上项目必将成为大众热爱的竞技项目之一。经过冬奥会的实际运行与检验，首都体育馆冰场采用的二氧化碳直接制冰系统，既满足了冬奥会对绿色、科技和环保的要求，又为既有体育馆的改造提供了可以借鉴的范例。

　　图7 冰面测点和底冰温度示意图   

本文引用格式：王威，徐宏庆，聂垚，等．首都体育馆冰场制冰系统设计研究［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：57-61．