0 引言

　　2022年冬奥会秉承节俭原则，利用2008年夏奥场馆继续服务，通过装配式转换冰场结构，比赛游泳池转换为冰场^[1]。国家游泳中心(以下简称“水立方”)比赛大厅作为2022年冬奥会的冰壶比赛场地。

　　水立方的比赛大厅长约110 m, 地下1层比赛区宽约40 m, 1层看台上部宽约70 m, 大厅净高28 m, 冰壶比赛场地约占大厅面积的1/3,冰壶比赛观众席数量约占原比赛大厅观众席数量的1/4。以往冰壶比赛场馆空间较小，一般按照全空间空调设计，保证整体温湿度要求。水立方比赛大厅空间大，采用分区空调，在保证比赛场地使用要求的前提下，实现节能降耗。

　　暖通空调设计采用分区空调原则：比赛场地保证冰面赛时要求，大厅其他空间利用原空调通风系统改造维修并翻新，满足整体场馆的冬奥会使用需求。冰面附近空气的温度、湿度、速度、颗粒物浓度遵照世界冰壶联合会(World Curling Federation, WCF)的要求，并满足冬奥组委提出的控制性要求。为避免冰场造成大厅内过冷，保证观众观赛期间舒适，观众席温度通过看台空调系统保证。

　　1 空调系统设计

　　1.1 设计目标

　　WCF提出的冰壶比赛场地环境相关要求如下：1) 在任何情况下，空调系统均应保证冰面上方1.5 m高度处温度为10 ℃;2) 在任何湿负荷情况下，除湿系统均应有足够的能力控制建筑内露点温度为-4 ℃;3) 比赛区域不应有空气流动；4) 在任何负荷情况下，制冰系统具备保持冰面温度为-8.5 ℃的能力；5) 场地内不允许有直接太阳辐射。

　　根据上述要求，确定设计参数为：冰面上方1.5 m高度处干球温度(10±2)℃;露点温度<-4 ℃,即含湿量小于2.7 g/kg; 靠近冰面处风速<0.2 m/s。

　　1.2 模拟计算

　　在设计开始之前，根据对项目情况的预估，初步确定了模拟的边界及初始条件，包括围护结构内表面温度及设备、灯光等热源参数，见表1和表2。

　　表1 模拟边界条件：冰场室内表面温度 ℃ 

　　 

　　 

	内表面温度
东墙、北墙	16.0
西墙、南墙	18.0
吊顶	20.0
冰面	-8.5

　　 

　　 

　　 

　　表2 模拟边界条件：冰场热源参数 

　　 

　　 

			显热/W	潜热/W	产湿量/(g/h)
观众席	北侧	上部	75 852	29 412	43 344
		下部	75 852	29 412	43 344
	南侧	上部	75 068	29 108	42 896
		下部	75 068	29 108	42 896
	西侧		97 412	37 772	55 664
	东侧		18 228	7 068	10 416
围挡内	人员		12 840	11 580	17 220
	摄像设备		10 000	0	0
	场地内大屏幕		2 400	0	0
围挡周围	人员		19 440	5 220	7 740
	电脑等设备		5 000	0	0

　　 

　　 

　　 

　　模拟软件采用CFD软件Fluent Airpak。根据分区空调的场地情况，结合CFD模拟计算，确定冬季工况下场地内送风量为30 000 m³/h, 冰场两侧设计送风量各为15 000 m³/h, 送风角度为向上30°。

　　模拟得到场馆内干球温度、含湿量、露点温度分布，如图1所示。结果显示：比赛区域温度分布均匀，1.5 m高度处的平均温度为9.8 ℃;比赛区域水平方向截面含湿量分布均匀，平均露点温度为-5.6 ℃。以上均满足WCF要求。

　　

　　图1 比赛场地干球温度、含湿量、露点温度分布   

　　 

　　比赛区域风速分布见图2。比赛区域的风速主要分布在0～0.2 m/s之间，基本满足要求。

　　

　　图2 比赛场地风速分布   

　　 

　　1.3 气流组织

　　空调送风主风管布置于比赛场地下1层，通过金属风管连接至比赛场地周边竖井，竖井接出明装织物风管。两侧织物风管管径约0.86 m, 南、北侧风管长度约55 m。在观众席第一排座位前的看台墙面上设置明装风管，风管直接开口，满足朝向比赛场地的侧送风条件。回风口位于比赛场地西南和东北侧，靠近临时看台。设计平面示意图见图3。

　　

　　图3 设计平面示意图   

　　 

　　按照观众席视线要求，织物风管上沿比首排看台地面高765 mm, 送风小喷口距比赛场地地面高度约2.2 m。结合空调方案分析和模拟计算结果，参照之前冬奥会冰壶比赛场地的惯例做法，场地织物风管送风采用30°上扬角度，局部剖面示意图见图4。

　　

　　图4 织物风管送风局部剖面示意图   

　　 

　　为实现送风角度可调，布袋风管及三通考虑不同备件，可实现小喷口水平送风或其他角度送风，满足不同天气状况时不同的送风角度，确保各工况气流组织效果。

　　1.4 空调设计

　　制冷系统、除湿系统设计需要确定最不利的室外最高温度和最高湿度。根据气象局提供的近10年间的代表性气象数据，室外干球温度最高值为29.3 ℃,含湿量最高达到6.3 g/kg。依据国家游泳中心的建设要求，冰面工况仅满足11月至3月的秋冬季使用，不考虑全年其他时段。经过与冬奥组委、WCF及制冰师的沟通确认，最终确定按照以下参数进行设计：室外干球温度30 ℃,含湿量6.3 g/kg。

　　WCF要求除湿送风系统的设备有备用，极端工况时可考虑备用机组同时开启。结合CFD模拟确定的单台机组送风量15 000 m³/h, 确定了转轮除湿空气处理机组的设计参数，见表3。

　　表3 转轮除湿空气处理机组设计参数 

　　 

　　 

设计风量	15 000 m3/h, 风机变频调节范围20%～100%
机外余压	处理风侧800 Pa, 再生风侧600 Pa
送风参数	含湿量1 g/kg, 干球温度≤8 ℃
再生加热量	再生热水加热量117.3 kW,再生电加热量120.0 kW,场馆提供85 ℃/60 ℃热水
制冷量	前表冷器181.9 kW,后表冷器100.9 kW,另配置单独负责制冷的机组，提供0～5 ℃的乙二醇溶液，用于除湿机组冷却除湿
冬季加热量	加热量141.8 kW,场馆提供60 ℃/50 ℃热水
功能段配置	送风：进风段+粗效过滤段+前表冷器+转轮+送风机+中效过滤段+后表冷器+加热器；排风：进风段+粗效过滤段+热水加热段+电加热(再生备份)段+转轮+排风机

　　 

　　注：设计共采用4台机组，表中为单台机组的参数；场馆内空调热水引至除湿机组，作为热水加热热源。

　　 

　　空气处理流程见图5。

　　

　　图5 比赛场地空气处理过程   

　　 

　　比赛场地下部楼层分别增加北侧、南侧2个空调机房，每个机房内设置一用一备2台空气处理设备，满足冬奥会比赛保障要求。采用织物风管小喷口射流送风，且每个小喷口带有拉链，可拆卸并封闭织物风管。

　　场地送风量30 000 m³/h时射流距离为11 m, 冰面风速不超过0.2 m/s。在高温高湿极端天气(如下雨、高温)或场馆初次制冰的预冷时段，每侧送风的2台设备可并联运行，场地送风量达到最大值60 000 m³/h, 此时单侧送风射程21 m, 干冷送风可覆盖全部比赛场地。此特殊工况下冰面风速略大于0.2 m/s, 冬奥会、残奥会正式比赛期间并未运行在60 000 m³/h风量工况。实际冬奥会、残奥会正式比赛期间，运行风量在制冰师控制下根据需要调整，均在30 000～40 000 m³/h之间，冰面风速均不超过0.2 m/s。

　　1.5 测试结果

　　初期场地制冷除湿同时运行4台除湿机组，将比赛场地冰面环境温度控制在10 ℃左右，具备场地制冰的环境条件。赛前准备期间和比赛时段除湿机组的各功能段干球温度、含湿量见图6。

　　

　　图6 除湿机组各处理状态点干球温度、含湿量   

　　 

　　测量所用温湿度自记仪的测量精度温度为±0.2 ℃,相对湿度为±3%,在相对湿度较低时含湿量间接测量误差约为±0.35 g/kg。

　　赛事期间，除湿机组转换为维持温湿度工况运行，场地送风量为30 000～40 000 m³/h, 运行参数见表4。

　　表4 比赛期间除湿送风参数

　　 

　　 

	北侧机房			南侧机房
	送风温度/℃	相对湿度/%	含湿量/(g/kg)	送风温度/℃	相对湿度/%	含湿量/(g/kg)
12月3日白天	3.0	34	1.6	4.0	32	1.6
12月3日夜间	4.0	40	2.0	4.0	40	2.0
12月4日白天	3.0	34	1.6	4.0	32	1.6
12月4日夜间	4.0	44	2.2	4.0	44	2.2
12月5日白天	3.0	34	1.6	4.0	32	1.6
12月5日夜间	5.0	46	2.5	5.0	46	2.5
12月6日白天	3.0	41	1.9	4.0	46	1.9
12月6日夜间	3.0	55	2.6	3.0	55	2.6
12月7日白天	3.0	49	2.3	3.0	49	2.3
12月7日夜间	3.0	58	2.7	3.0	58	2.7
12月8日白天	3.0	49	2.3	3.0	49	2.3
12月8日夜间	3.0	58	2.7	3.0	58	2.7

　　 

　　 

　　 

　　测试赛期间，比赛场地和观众席看台的干球温度、相对湿度实测值见图7。

　　

　　图7 比赛期间赛场不同部位干球温度、相对湿度实测值分布   

　　 

　　为验证冰面上方的温湿度分布，比赛大厅从顶部拉线，在不同高度处(冰面以上0.1、1.0、1.5、3、6、9、12、15、18、21 m)设置传感器，冰面上方测得的温湿度见图8。

　　由图8可见，温湿度有明显的竖直分层。距冰面1.5 m高度以下，空气呈现干冷状态，随时间变化很小，温湿度基本稳定；冰面1.5 m高度以上，空气温湿度变化趋势与下部呈现截然不同的趋势。越接近冰面，空气的温度越低，较低的区域湿度接近。当室外温度低、湿度小，处于典型冬季工况时，没有观众时段短时间关闭除湿送风，室内温度仍呈现相同的日变化规律。有观众的比赛时段，温湿度情况基本无变化，观众对冰面附近的比赛区域基本无影响，对大空间上部环境有少量影响。

　　

　　图8 冰面上方不同高度干球温度、含湿量随时间的变化   

　　 

　　观众席上方温湿度测试结果见图9,1.5 m及以下高度的冰面附近参数也列出用于对比。当观众满场时，仅观众席的温湿度有略微变动，整体温湿度变化趋势与无观众时一致，观众席温度高于17 ℃,能较好地满足观众席舒适度要求，实现了观众区与冰壶比赛区的温湿度分区控制。

　　

　　图9 观众席上方不同高度处干球温度、含湿量随时间的变化曲线   

　　 

　　综合以上测试数据，比赛场地冰面上方1.5 m高度处空气干球温度为9.5～11.5 ℃,对应含湿量最高为2.42 g/kg, 冰面附近风速为0.1～0.2 m/s。看台观众席的干球温度为17～19 ℃,对应含湿量约为3.3 g/kg, 明显高于冰面附近的温湿度。空调系统可实现空气温湿度分区控制，在保证比赛场地环境控制的同时，提高了观众观赛区域的热舒适性。

　　2 制冰系统设计

　　2.1 设计目标

　　水立方场馆冰水工况可反复转换，对制冰机组设备和冰场盘管均有可转换、可移动要求。制冷系统需要结合工程可实施性选择适当的系统，包括制冷设备形式、冰场盘管形式等。整体制冷系统要求安全、可靠、高效。

　　2.2 制冷负荷

　　制冷机组需要满足冰壶比赛冰面的负荷需求，包括初次制冰、修补冰面和冰面维持。按照冬奥会和WCF赛事关于冰面场地的要求，制冷系统应具备满足一天之内溢流(制冰初期，制冰师要在冰上注入450 L水，尽快冻结)和冻冰5次以上的需求，并在任何热负荷条件下确保冰面温度达到-8.5 ℃。WCF要求制冰机组为双压缩机配置，并提出了非常规的设备备份要求，多轮技术沟通后确定按照以下要求设计：任何一台压缩机故障时，机组剩余的单机头和另一台机组的双机头可满足全部负荷需求，此外仍应有一台同样配置的机组作为备份。由于水立方的制冷系统在之前的冬奥会中并无先例，与WCF技术研讨后共同确认此特殊备用需求。

　　1) 负荷计算。

　　按照WCF要求，初次冻冰最短时间为48 h; 制冰机组预冷盐水载冷剂，整体系统盐水容量约55 t; 冰面温度取-8.5 ℃;修补浇冰厚度不超过1 mm, 冻结时间约0.5 h。冰场负荷与其运行关系密切^[2],初次冻冰的负荷与冻结时间有关，辐射、对流等负荷分项中，辐射负荷占比最高。冰面运行维持负荷中，辐射负荷占比最高，整修冰面负荷占比第二，冰面修补范围越大，冻结时间越短，其整修冰面负荷越高。以上因素造成不同赛事场馆冰面的初次制冰、冰面维持负荷有较大差异。

　　按照赛时照明、人员、辐射、对流换热及传质、散热、修整冰面等情况，初次冻冰和运行负荷分别为696.8 kW和540.5 kW。计算结果见图10。

　　2) 可转换冰排管道做法。

　　

　　图10 制冰负荷比例   

　　 

　　近年来化学管材发展迅速^[3],冰排管道采用可伸缩变形的塑料冰排，冰排管道材质为高强度聚乙烯HDPE-100材质，冰排主管管径为De250(内径220 mm),冰排支管管径为De21.2(内径16.5 mm)。冰面冻结的支管管道为强化换热内部加肋构造，保证在制冰师要求的盐水供回水温度下冰面温度均匀。冰排支管局部安装如图11所示。

　　

　　图11 冰排支管局部安装图   

　　 

　　3) 制冰系统需求。

　　按照WCF的技术要求采用盐水载冷剂，制冰师要求的制冷盐水最低温度为-18 ℃,据此选择体积分数45%的乙二醇溶液，冰点约-27.5 ℃^[4],保证蒸发器在设计温度下安全运行。

　　设计采用撬装集装箱模块风冷机组。机组在室外设置，仅需要供电、连接乙二醇管线和定压系统，设备自带乙二醇溶液循环泵。设备配有自控系统，满足不同地点制冰需求，可用于室外其他临时冰场制冰。

　　结合WCF技术要求，保证11月至次年3月期间制冰负荷，须考虑极端最高室外干球温度，作为制冷系统设计依据。在此基础上，按照WCF认可的近10年气象局温度数据进行筛查，室外干球温度范围确定为-20～30 ℃。所选制冷设备须满足室外干球温度30 ℃时正常运行和供水参数要求。

　　图12显示了测试赛前冰排主管及支管连接情况。冰排部分主管、支管总阻力共计150 kPa。

　　

　　图12 塑料冰排主管、支管连接   

　　 

　　2.3 制冰系统设计

　　1) 制冰系统技术参数。

　　① 制冰系统初次制冰时制冷量为696.8kW,维持制冰时制冷量为540.5 kW。

　　② 选型室外干球温度为-20～30℃。

　　③ 制冰机组采用螺杆式压缩机，每台机组设置双压缩机机头。主机为3台风冷螺杆式制冰机组，在-18.0 ℃/-16.5 ℃供回水温度下单台机组制冷量不低于361 kW。

　　④ 输送至冰场的载冷剂为体积分数45%的乙二醇溶液。1.5 ℃温差时设计流量为440 m³/h。载冷剂循环泵两用一备，设计工况单台流量为220 m³/h, 扬程为42 m。

　　⑤ 撬装机组建议尺寸为3.0m×3.0 m×8.2 m。

　　2) 制冷剂选择。

　　目前氟利昂制冷剂中，热工性能较优的常见中低温制冷剂为R507A,但是其全球变暖潜值GWP达到3 985,环保性能未达到WCF要求。综合考虑制冷系统造价、安全管理等因素，因投资限额排除了天然工质CO₂制冷剂，因安全管理风险排除了氨制冷剂^[5],目标集中在有成熟制冷设备产品的氟利昂制冷剂。

　　R449A制冷剂的机组效率在不同工况下略高于R507A制冷剂，幅度在2%～10%。考虑到实际赛时冰场冰面温度极少维持在最低温度-8.5 ℃,赛时绝大多数时段蒸发温度高于-21 ℃,即出水温度在-16 ℃以上；若对应冷凝温度在18 ℃以上，此时效率提高幅度在7%以上。综合环保、能效因素^[6],选择采用R449A制冷剂的风冷冷水机组用于制冰。

　　2.4 测试结果

　　中国青少年冰壶公开赛于2019年12月举行，赛前(11月19—26日)制冰过程中室外日最高气温范围为3～12 ℃,日最低气温范围为-5～-4 ℃。室外温度相对于最不利的30 ℃设计室外温度差距较大，预计制冰系统负荷明显小于设计负荷。

　　11月底开始场地预冷和制冰，11月29日至12月1日修冰。制冰机组两用一备运行，压缩机出力根据冰场负荷进行调整，出水温度由制冰师直接控制，满足制冰、修冰和冰面维持各阶段要求。26—27日进行浇水及修冰共6次，制冰机组冷媒出水温度在-9.0～-6.8 ℃范围内调节。

　　11月28日至12月8日，从初始制冰至比赛结束期间，根据比赛场次及冰面状态进行打点修冰，制冰机组冰排端乙二醇溶液供水温度在-8.8～-7.5 ℃之间调整。根据冰面埋设的温度传感器记录，比赛期间冰面不同部位的温度为-5.1～-4.1 ℃。

　　2022年2—3月的冬奥正式比赛期间，通过控制系统实时记录了比赛场地相关数据。由于实际冰壶比赛期间，制冰师会根据比赛需求调整冰面温度及送风参数，将整体环境控制在最有利于比赛的状态。图13显示了2022年3月4日实际比赛日的记录数据，当时场地空气露点温度在-4～-2 ℃之间，冰面温度约-6 ℃。现场运行团队反馈场地完全达到制冰师要求，环境控制和冰面质量非常好，满足冬奥会比赛的场地各项技术要求。

　　

　　图13 赛时比赛场地测点记录   

　　 

　　冬奥赛事之后，制冰系统设备作为奥运遗产还将继续发挥作用。室外制冷机组可以断开乙二醇管线，运输到其他临时冰场用于制冰；可转换冰排可在其他临时冰场作为转换冰排铺设。比如室外露天冰场，其冰面温度一般在-9～-4 ℃,机组出水温度可根据需求提高到-15～-10 ℃,供回水温差可以提高到2 ℃或更高。在此工况下，制冷机组制冷量可达到400 kW或更高，基本可满足800～1 000 m²临时冰场使用。

　　3 结语

　　2022年冬奥会、冬残奥会期间，根据现场制冰师控制需求，采用不同的送风量、送风温湿度、送风角度，满足了比赛场地温度、湿度、速度的环境控制要求。冰面附近的空气露点温度一直保持在适宜范围，保证了赛事所需的高质量冰面。

　　采用R449A制冷剂的风冷撬装制冷机组分别达到了初次制冰、制冰维持的负荷需求，机组出水温度控制精度和温度、流量参数也达到了WCF的全部技术要求。

　　2022年北京冬奥赛事胜利举办，国家游泳中心的空调系统、制冷系统实现了设计目标并圆满完成任务，后续将协助场馆团队管理和运用好北京冬奥遗产。

本文引用格式：陈盛，李凌杉．国家游泳中心冰壶场地空调制冷系统设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：44-50．