1 项目概况

　　国家体育馆位于奥林匹克公园的中心区，为2008年北京奥运会体操、蹦床等项目的比赛场馆。场馆总建筑面积97 836 m²,地上4层、地下1层，主要由体育馆主体建筑和一个与之紧密相邻的副馆及相应的室外环境组成，2008奥运赛后改造，已经成为集体育竞赛、文化娱乐于一体，提供多功能服务的市民活动中心。

　　根据2022北京冬奥会赛事整体安排，国家体育馆将在冬奥会期间承办男子冰球项目的部分比赛、女子冰球决赛及冬残奥会冰橇冰球项目比赛。主馆作为比赛场馆，副馆受尺寸限制，空间局促，难以满足赛时训练功能布局、交通组织、应急通道等运行需求，同时场馆运营方希望赛后能够保留冰球训练场地，举办国内冰球职业联赛、国内青少年冰球比赛等体育活动，因此从整体考虑，为避免赛后过多拆改，在原场馆北部扩建训练馆，扩建面积13 726 m²。改造后效果图如图1所示。

　　

　　图1 国家体育馆改造后全景(效果图)   

　　 

　　国家体育馆原空调冷源为3台2 989 kW/台的离心机和1台1 758 kW的离心机，冷水泵、冷却水泵、冷却塔与冷水机组一对一配置，机组供/回水温度为7 ℃/12 ℃,热源采用市政热力，冬季空调热水供/回水温度60 ℃/50 ℃;空调水系统采用一级泵系统，负荷侧变流量，冷源侧定流量。场馆内观众区、比赛场地、入口大厅、新闻发布厅等大空间均采用全空气定风量系统，办公室、会议室、休息室、媒体用房等辅助用房采用风机盘管加新风系统。

　　2 空调系统改造设计

　　为实现上述功能，遵循“绿色、低碳、节能、安全”的理念，对国家体育馆的暖通空调系统进行改造，场馆已于2020年2月获得了“二星级绿色建筑设计标识证书”,圆满实现了改造目标。

　　2.1 节能诊断

　　国家体育馆为改造场馆，为满足“绿色二星”的设计要求，需要依据国家体育馆基本情况及系统配置，对空调制冷系统开展诊断工作。诊断及评估工作以JGJ 176—2009《公共建筑节能改造技术规范》^[1]及JGJ/T 177—2009《公共建筑节能检测标准》^[2]为依据，本文对主要的诊断内容、检测结果及解决策略进行阐述。

　　2.1.1 冷源系统

　　选取2台大冷水机组(1#、3#)及1台小冷水机组(4#)进行测试，测试参数包括冷水进、出口温度和流量，冷却水进口温度，冷水机组功率因数及负载率，测试结果如表1所示。

　　由表1计算得到各冷水机组实际供冷量、功率及实际COP,如表2所示。

　　表1 冷水机组运行参数测试列表

　　 

　　 

	负载率/%	冷却水进口温度/℃	冷水出口温度/℃	冷水进口温度/℃	冷水流量/(m3/h)	功率因数
1#冷水机组	87	31.3	7.5	10.5	533.7	0.86
3#冷水机组	87	29.5	8.5	11.5	534.3	0.86
4#冷水机组	96	29.1	8.7	11.9	333.6	0.86

　　 

　　注：各测点每隔10 min读数1次，连续测量60 min, 并取每次读数的平均值作为检测值。

　　 

　　表2 冷水机组实际性能参数列表 

　　 

　　 

	实际供冷量/kW	实际功率/kW	实际COP	公共建筑标准COP	改造标准COP	额定供冷量/kW
1#冷水机组	1 849	441	4.19	5.8	4.2	2 989
3#冷水机组	1 830	447	4.10	5.8	4.2	2 989
4#冷水机组	1 239	297	4.17	5.5	4.2	1 769

　　 

　　注：1)“公共建筑标准COP”为GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中对冷水机组COP的要求。2)“改造标准COP”为JGJ 176—2009《公共建筑节能改造技术规范》中对冷水机组COP的要求。

　　 

　　可见，各冷水机组实际供冷量偏低，实际COP低于GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的相关要求，要达到JGJ 176—2009《公共建筑节能改造技术规范》规定的改造或更换限值，需要对现有冷水机组进行更换。

　　同时对冷却塔、冷却水泵及冷水泵进行诊断，冷水泵、冷却水泵的流量均不超过设计值的20%,效率不低于铭牌值的80%,冷却塔效率均大于标准限值，符合要求，设备运行良好，无需更换。

　　2.1.2 空调水系统

　　为满足赛后场馆运营管理需求，对空调冷水系统进行节能诊断。原制冷站设备正常，运行良好，据场馆运营管理方介绍：当场馆有大型活动时，开启两大一小3台冷水机组；日常运营主要供办公管理用房使用，负荷较小，即便只开启1台小冷水机组，系统运行能耗较大，经济性都较差，因此2008年增加了大量的分体空调及多联机系统来满足日常运维的需要，多联机室外机遍布于室外和地下车库内，影响美观且经济性较差。

　　为切实了解现状空调水系统的运行情况，解决以上运营问题，首先对现状空调冷水系统回水温度一致性和供回水温差进行检测，空调冷水回水温度测试结果见图2。

　　

　　图2 空调冷水回水温度测试曲线   

　　 

　　由图2可知：在09:00—19:00供冷时段内，空调箱、风机盘管及新风机组的回水温度均低于12 ℃,但各支路之间回水温度相差较大，其中空调箱支管由于承担负荷较大，回水温度最高，均高于11 ℃,而新风机组由于部分设备处于关闭状态，回水温度较低，均在8 ℃左右，系统总供回水温差基本在3 ℃,由此推断空调水系统的主要问题是冷源选型偏大且系统水力平衡状况不佳。

　　2.2 改造设计

　　结合空调冷源及空调冷水系统诊断结果，先对空调系统计算冷负荷进行核算梳理，对本次改造需要拆除和新增的机组承担的计算冷负荷进行统计，改造完成后对整个空调水系统重新进行运行调试，空调系统计算冷负荷统计如表3所示。

　　由表3可知：新建训练馆且主馆改造为冰场后，原冷水机组配置仍满足使用要求，因此冷水机组维持现状，即仍采用3台2 989 kW的离心机和1台1 758 kW的离心机的组合方式，为了在低负载率时进一步降低系统能耗，其中1台2 989 kW的离心机和1 758 kW的离心机采用变频冷水机组，经核算1 758 kW的离心机可满足新增训练馆后的整个场馆平时办公需求，系统改造前和改造后的综合制冷性能系数SCOP如表4和表5所示。

　　表3 空调计算冷负荷统计 kW 

　　 

　　 

	原建筑空调 系统计算 冷负荷	拆除机组 承担的计算 冷负荷	新增空调机组 承担的计算 冷负荷	除湿系统 计算 冷负荷
主馆	9 700	1 172	220	800
副馆				205
新建训练馆			600	400
总计	10 753

　　 

　　 

　　 

　　表4 改造前冷源系统SCOP 

　　 

　　 

	冷水机组					冷却水泵
	单台制冷 量/kW	同规格数 量/台	COP	耗电量/ kW	SCOP 限值	流量/ (m3/h)	扬程/ m	效率	同规格数 量/台	耗电量/ kW
离心式定频冷水机组	2 989	3	5.38	1 667	4.80	640	33	0.71	3	276
离心式定频冷水机组	1 758	1	5.55	317	4.70	320	33	0.71	1	46
总计	10 725			2 321

　　 

　　 

　　 

　　表5 改造后冷源系统SCOP 

　　 

　　 

	冷水机组					冷却水泵
	单台制冷 量/kW	同规格数 量/台	COP	耗电量/ kW	SCOP 限值	流量/ (m3/h)	扬程/ m	效率	同规格数 量/台	耗电量/ kW
离心式变频冷水机组	2 989	1	6.08	492	4.50	640	33	0.71	1	92
离心式定频冷水机组	2 989	2	5.95	1 005	4.80	640	33	0.71	2	184
离心式变频冷水机组	1 758	1	5.65	311	4.40	320	33	0.71	1	46
总计	10 725			2 145

　　 

　　 

　　 

　　经计算，改造前综合SCOP为4.62,SCOP限值为4.78,不符合规范要求；改造后综合SCOP为5.00,SCOP限值为4.65,符合规范要求。

　　3 制冰及除湿系统设计

　　场馆内共设置2块60 m×30 m的标准冰面，一块是主馆的比赛用冰，另一块是新建训练馆的训练用冰。冰面均设置在首层，因主馆无增设制冰机房的条件，制冰机房集中设置于新建训练馆地下1层，通过管沟将制冰管道敷设至主馆冰面，如图3所示。

　　

　　图3 冰面及制冰机房位置图   

　　 

　　3.1 制冰系统

　　考虑到冬奥赛事的重要性，制冰系统选用了较为成熟可靠的间接制冰系统，制冷剂采用R449A,载冷剂采用45%乙二醇，奥运赛时冰面设计温度-7 ℃,初冻时间48 h, 冰面厚度40 mm。据此计算冰场初冻冷负荷为695.5 kW,运行冷负荷为865.1 kW。冰球比赛局间休息时间为15 min, 因此浇冰后冰面的冻结时间较短，制冰系统运行冷负荷较大，运行冷负荷分类统计如图4所示。

　　

　　图4 冰场运行冷负荷统计   

　　 

　　因原主馆地下机房区空间有限，且不具备大型设备的运输条件，制冰机房集中设置在新建训练馆地下1层，2块场地采用2套完全独立的制冰系统，为满足赛时高标准的运行保障需求，实现赛时局间修冰时快速转换的制冰目标，因此考虑一定的安全余量，制冰系统的设计冷负荷定为1 055 kW,每个系统配置2台螺杆式制冰机组，机组进/出水温度为-20.0 ℃/-18.5 ℃,且要求负荷调节范围为15%～100%。初次制冰及浇冰时运行2台制冰主机，平时维护时运行1台制冰主机，此时停机的那台兼做另一个冰场的备用冷水机组，不再专设备用冷水机组。设置4台开式冷却塔对应制冰机组，设计供/回水温度为32 ℃/37 ℃,设置电伴热以解决冷却塔冬季防冻问题。

　　制冰系统运行时会有大量冷凝热排放，同时冰场自身也有用热需求，因此制冰机组均自带余热回收节能装置，回收冷凝热用于冰场防冻胀和融冰槽融冰，市政热力作为备用热源。制冰系统包括冷凝热回收系统，原理如图5所示。

　　

　　图5 制冰系统原理图   

　　 

　　3.2 制冰用热水系统

　　制冰同时也有工艺性用热需求，按照用热温度的高低分为高温系统和低温系统，高温系统包括修冰用热和除湿转轮再生用热，低温系统包括冰场防冻胀用热和融冰槽融冰用热。

　　该工程供暖季市政热力一次水供/回水温度为125 ℃/65 ℃,冬奥赛时可满足制冰用热要求，赛后即非供暖季需增设热源。空气源热泵是一种以空气作为低温热源，通过少量高品位电能驱动，将空气中的低品位热能提升成高品位热能加以利用的装置，具有高效节能、环保无污染等特点^[3],因此该工程新增空气源热泵，作为非供暖季也即赛后制冰工艺用热的高温热源，空气源热泵的使用时间为3月15日至11月15日，依据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》,取3月15日至11月15日期间室外最低平均干球温度0.2 ℃作为空气源热泵的选型室外设计温度。此外，要求制冰机组自带冷凝热回收装置，冷凝热作为非供暖季制冰工艺用热的低温热源。2个冰场的制冰总用热需求见表6。

　　表6 制冰系统总用热需求 

　　 

　　 

	供暖季热源 形式	非供暖季热源 形式	热负荷/ kW	设计 温度/℃	服务对象
浇冰热水	市政热力	空气源热泵	800	60/50	冰车
除湿转轮再生	市政热力	空气源热泵	1 280	60/50	除湿机组
融冰	市政热力	制冰机组冷凝热回收	100	40/35	冰车房融冰池
防冻胀	市政热力	制冰机组	800	40/35	冰面

　　 

　　 

　　 

　　结合以上供冷供热要求，冰面构造如图6所示。

　　

　　图6 冰面构造示意图   

　　 

　　3.3 除湿系统

　　人工冰场不同于一般高大公共建筑，其室内环境温差大，室内空气环境的改变容易产生湿度过大等问题，会造成金属腐蚀、木质结构腐朽，严重时可破坏建筑物结构，还会造成冰面起雾，使滑冰者视线模糊、行动困难，同时湿润的空气更容易滋生细菌和有害物质，影响室内空气品质和人员舒适性^[4]。为了保持优质的冰面和良好的室内环境，合理的除湿系统是十分重要的。场馆内距地面1.5 m高度处温湿度设计要求如表7所示。

　　表7 室内温湿度设计要求 

　　 

　　 

	夏季		冬季		新风量/(m3/(人·h))	冰面风速/(m/s)
	温度/℃	相对湿度/%	温度/℃	相对湿度/%
比赛、训练场地	16	40	16	40	100	≤0.2

　　 

　　 

　　 

　　该工程采用转轮式除湿系统，每个比赛场地设置4台除湿机组，通过冰场顶部的环形风管和球形喷口送风，回风口设置在冰场周边侧墙上，主场馆和训练场除湿系统独立设置。

　　转轮除湿分为再生区和除湿区，处理空气进入除湿转轮的除湿区，吸湿剂表面的水蒸气分压力小于空气中水蒸气分压力，水蒸气在分压差的作用下由空气向吸湿剂转移，处理空气被干燥，再生区通入温度较高的空气，吸湿剂中的水分向空气侧移动，吸湿剂被再生^[5]。该工程除湿机组的最大设计新风比为70%,冬季当室外湿度较低时，可加大新风比除湿。如采用北京地区冬季空调室外计算参数进行计算，理论上将机组新风比由25%提高至41%时，可不开启转轮，完全由新风除湿。冬奥赛事的保障级别较高，因此设计采用北京市区2004—2014年11月至次年3月最不利气象参数(室外干球温度29.3 ℃,室外湿球温度15.3 ℃)作为除湿系统选型计算的室外气象参数，此时仍需采用转轮除湿。同时从场馆运营角度考虑，在场馆举办非冰面活动时，要求系统也能正常供冷或供热，因此在机组设计时增加了空气净化段，预留加湿段，并增设了转轮旁通阀门，无冰面除湿要求时气流不经过转轮，设计最大新风比可达70%,同时可以满足工艺性和舒适性空调使用要求。

　　如上所述，除湿侧的空气处理流程为：新风粗效+新风静电除尘+表冷器(冬季泄空)+混合段+亚高效过滤+吸附段(预留，可采用活性炭)+转轮+表冷(加热)器+送风机，再生侧的空气处理过程为：新风粗效+新风静电除尘+再生热盘管+转轮+排风机，系统流程如图7所示。

　　

　　图7 除湿机组空调处理流程   

　　 

　　冰场除湿对于气流组织的要求比较高，既要气流全覆盖达到除湿要求，同时风速又不能过高，以免影响冰面。主馆比赛场地的空间较高，除湿风口的设置高度约28.8 m, 训练馆高度相对较低，除湿风口的设置高度约8.3 m, 回风口均设置在1层地面上方，每个场馆的除湿系统总风量80 000 m³/h, 共设置4台除湿机组，对于球形喷口分冬夏两季进行分析计算，并采用Fluent软件进行CFD数值模拟辅助验证。

　　为简化计算，采用Boussinesq假设，假设室内流体为定常流动的黏性流体，不考虑由流体黏性力做功所引起的耗散热，忽略固体壁面和室内物体表面的热辐射，墙壁作为绝热壁面处理。送风口为速度出口，回风口为自由出流，松弛因子按默认取值。除湿喷口冬夏季射流分析图见图8、9,运行模式参数如表8所示，计算结果如图10～13所示。

　　

　　图8 除湿喷口夏季射流分析图   

　　 

　　注：α_K为供冷时的送风角度；A为风口到两股气流交点的水平距离；H为风口安装在停留区以上的高度；H₁为两股气流在停留区上方交点的高度；L为气流长度；V_L为气流中央的风速；V_H1为人员活动区内风速；Δt_L为在距离为L时，气流中央的温差；Δt_H1为在高度为H₁时，气流中央的温差。

　　

　　图9 除湿喷口冬季射流分析图   

　　 

　　注：α_W为供热时的送风角度。

　　冬、夏两季由于送风温度不同，需要通过调节送风喷口射流角度和开启的风口数量来满足不同高度场地的除湿需求，因此要求喷口可电动调节送风角度，同时每个风口设置电动风阀以便远程关断。由图10～13可见，距冰面1.5 m处温度在16 ℃左右，相对湿度在10%～38%之间，风速最大0.18 m/s, 满足设计要求，此高度PMV在-3～-0.2之间，对于普通着装的人员体感微凉。

　　表8 除湿喷口冬夏运行模式参数 

　　 

　　 

	送风高度/m	夏季			冬季
		送风温度/℃	开启风口数量/个	送风角度/(°)	送风温度/℃	开启风口数量/个	送风角度/(°)
主馆比赛馆	28.8	12.5	52	-65	23	36	45
训练馆	8.3	17.8	32	0	20	32	23

　　 

　　 

　　 

　　

　　图10 主场馆1.5 m高度处水平面温度分布   

　　 

　　

　　图11 主场馆1.5 m高度处水平面相对湿度分布   

　　 

　　

　　图12 主场馆1.5 m高度处水平面PMV分布   

　　 

　　

　　图13 主场馆1.5 m高度处水平面风速分布   

　　 

　　4 防疫评估

　　场馆设计完成后新冠疫情暴发，冬奥开赛在即，新冠疫情依然持续，为了防止空调通风系统运行导致新冠病毒在空气中传播，造成人员感染，对场馆空调通风系统的防疫措施进行评估。

　　场馆内比赛区、观众区、媒体区等重点区域的空调系统独立设置，除比赛区最大设计新风比为70%,其他区域均为100%,进排风百叶面积、排风机风量满足最大新风比运行要求，空调机组内部配置静电中效除尘过滤装置。冬季赛时如果关闭回风，机组全新风运行，将新风比降至70%时，观众区和新闻发布厅室内设计温度可达16 ℃以上，基本满足人员舒适度要求。同时也会采取其他措施，如进行人员流线管理等，以提高赛时防疫安全保障。

　　5 结语

　　国家体育馆改造项目于2018年底完成施工图设计，2020年底竣工后分别于2021年4月和11月顺利举办国内/国际测试赛，最终圆满完成冬奥赛事任务。改造项目难度系数高，设计体会如下：

　　1) 绿色节能是暖通空调系统设计追求的主要目标之一，对于改造项目，建议先进行既有建筑的节能诊断，摸清现有系统的主要问题，从薄弱环节入手，有的放矢，以高效提升系统的节能性和经济性。

　　2) 对于工艺性设计要求，应结合场馆运营需求，使工艺性和舒适性要求相结合、可转换，最大程度发挥空调系统的使用效率。同时应充分考虑其系统的节能性，采取必要的节能手段，降低运行费用，以响应低碳绿色的建设目标。

　　3) 新冠疫情自2019年初暴发至今已经2年多，疫情依旧持续，而且很可能成为常态，疫情防控也应列为暖通空调系统设计时需要考虑的一个问题，尤其是在人员密集的场所，不恰当的系统形式很可能造成疫情的进一步传播，对全新风运行工况、新排风系统设置、气流组织及净化方式等方面提出了更高的设计要求。

本文引用格式：李丹，江雅卉，李鹏，等．国家体育馆空调制冷系统改造设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：51-56．