2022年北京冬季奥运会，国家提出了科技冬奥的愿景，即通过冬奥筹办，为世界探寻更好的未来城市生活解决方案，实现对人、环境、产业、社群都友好的人类城市生活目标。为落实“卓越、非凡”的冬奥会目标及为运动员赛出好成绩、打破世界纪录提供技术保障，奥运场馆的建设不仅要满足国际滑联与冬奥组委对冰场的严格技术要求，而且还要满足冬奥组委对“绿色建筑三星”和“科技冬奥”的目标要求，以实现场馆赛后保留冬奥遗产、可持续发展的目的。

　　1 项目介绍

　　国家速滑馆，又称“冰丝带”,是2022年北京冬奥会北京赛区唯一的新建冰上竞赛场馆，在2022年冬奥会期间承担大道速滑比赛和训练；冬奥会后，该馆将成为能够举办滑冰、冰球和冰壶等国际赛事及大众进行冰上活动的多功能场馆。

　　项目位于北京市朝阳区林萃桥东南，国家网球馆南侧，建筑效果的核心特征寓意冰和速度的结合，与国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”相呼应，形成“水”“火”“冰”的和谐对比。“冰丝带”建筑面积约9.7万m²,地下2层，地上3层，建筑高度33.8 m, 可容纳观众12 000 人，冰面面积最大可达到12 000 m²(全冰面工况),为国内目前最大的速滑比赛场馆，与“鸟巢”“水立方”共同组成北京的标志性建筑群^[1]。

　　2 室内热湿环境分析

　　目前国内外没有针对冬奥会大道速滑馆的室内温湿度标准，完全根据以往经验判断。世界冰球联合会的冰场设计指南《IIHF ice rink guide》给出了避免冰场起雾的室内温度和相对湿度的对应关系，比如当室内温度15 ℃时，相对湿度小于70%可不产生雾气，但没有给出国际比赛冰场应该达到的设计标准。ASHRAE Handbook对冰场的制冰负荷计算给出了较完整的方法和基础公式，但并没有室内温湿度标准。张昕等人总结了国内外冰场室内环境的设计现状，包括专业竞赛冰场、普通竞赛冰场和娱乐性冰场的室内温湿度要求等^[2]。

　　该项目为冬奥会比赛场馆，其赛时温湿度控制目标是达到“最快的冰”,促进运动员破奥运纪录，因此场馆对室内环境要求非常高，根据制冰师对历届奥运会的经验总结，设计目标如下。

　　1) 比赛大厅严格控制温湿度，当冰面温度达到-10 ℃左右时，赛道上方1.5 m高度区域的设计温度不应低于16 ℃;平时测试赛时室内相对湿度应小于40%,冬季正式比赛时室内相对湿度应小于30%,以保证最佳的冰面质量。各主要功能房间的室内设计参数见表1。

　　表1 主要功能房间室内设计参数^[3]

　　 

　　 

	夏季		冬季		新风量/(m3/	PM2.5日平均
	温度/℃	相对湿度/%	温度/℃	相对湿度/%	(人·h))	质量浓度/(μg/m3)
比赛大厅赛道(奥运赛时)			≥16	≤30	100	≤35
比赛大厅观众席			≥16		20	≤35
观众入口大厅	≤26	≤60	≥18		20	≤35
办公室，会议室，运动员、贵宾、媒体、赞助商用房等	≤24	≤60	≥20	≥40	30	≤35

　　 

　　 

　　 

　　2) 根据《北京2022年冬奥会和冬残奥会场馆与基础设施可持续性指南》的要求，该项目为新建场馆，必须达到GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》三星级标准，且严格控制室内颗粒物(PM2.5和PM10)的质量浓度，确保赛时场馆内空气中PM2.5日平均质量浓度不大于35 μg/m³。

　　3 暖通空调设计

　　3.1 冷热源

　　冷源机房位于主体建筑北侧地下2层，冷却塔设置在北部广场的下沉空间，机房位置见图1。使用DeST软件进行逐时模拟计算，全年动态逐时负荷见图2,即空调总冷负荷约为8 500 kW。冷源选择3台高性能(1级能效)变频离心式冷水机组，单台制冷量2 813.6 kW(800 rt);同时根据业主要求，冷热源需要为赛后场馆改造和运营预留足够的冷热量，因此为赛后改造预留1台同样容量的机组。采用大温差冷水系统，其供/回水温度为5 ℃/13 ℃。设计阶段要求制冷机的效率至少高于节能规范要求值12%,最终选用制冷机的名义制冷性能系数COP为6.72(高于节能规范要求值22.5%),综合部分负荷性能系数IPLV为11.1(高于节能规范要求值37%),为项目的绿建三星及节能运行提供了基础条件。

　　

　　图1 冷热源机房位置   

　　 

　　

　　图2 全年动态逐时负荷   

　　 

　　热力机房位于主体建筑北侧地下2层(见图1)。热源由市政热力提供一次热水，总空调热负荷为11 200 kW(含赛后改造预留),其供/回水温度为60 ℃/45 ℃。观众入口大厅采用空气源热泵机组作为值班供暖热源，其供暖方式为低温热水地板辐射供暖，设计热负荷为450 kW,供/回水温度为50 ℃/40 ℃,同时空气源热泵机组还可作为观众入口大厅夏季的辅助供冷措施。

　　3.2 空调风系统

　　该项目地上主要由比赛大厅和观众入口大厅组成，其空调风系统按区域独立设置。同时比赛大厅分为比赛区和观众坐席区，其空调风系统也按不同区域划分进行独立设置。

　　3.2.1 比赛大厅空调风系统

　　1) 冰场区空调风系统与除湿系统。

　　比赛大厅冰面上方要保证室内环境的温湿度控制，需要对空气进行除湿。选择高效转轮式除湿机，通过加热空气使转轮再生，其原理见图3a, 设置4台除湿机组，通过冰场顶部的环形风管送风，空调送风系统见图3b。气流组织为顶部设置环形风管，喷口送风降温除湿，回风口位于冰场下部周边侧墙。

　　

　　图3 比赛大厅冰场区空调风系统示意   

　　 

　　比赛大厅的除湿系统按全年10个月有冰进行计算(7—8月不制冰),并按9月的室外相对湿度计算场馆的除湿量，包括运动员产湿、观众产湿、新风产湿、浇冰过程产湿等。

　　该项目制冰采用CO₂直冷系统，制冰期间会产生温度较高的废热。除湿机组的热源采用冰场废热与电加热器共用的方式，可以尽量多利用废热并能保证稳定的除湿效果。转轮除湿机组采用变频电动机。

　　2) 观众坐席区空调风系统。

　　该项目的观众席分为永久观众席和临时观众席，永久观众席在奥运会结束后仍保留，临时观众席在奥运会后拆除。永久观众席采用座椅送风、二次回风全空气定风量空调系统，共设置8台空调机组，利用地下2层的环形主风管，把空调风送到每个观众座椅。每台机组对应1台回风机，根据观众人数采用变机组台数控制送风量。临时观众席采用上送风、一次回风全空气定风量空调系统。观众席后方设置回风口和排风口。比赛大厅观众席空调风系统见图4。

　　

　　图4 比赛大厅观众席区空调风系统示意图   

　　 

　　3) 比赛大厅气流组织分析。

　　为验证空调风系统设计的可靠性，通过CFD模拟计算了比赛大厅的风速和温度，见图5。结果表明：① 距地面1.5 m处，平均温度为18 ℃左右，温度分布比较均匀，满足奥运比赛期间的温度要求(>16 ℃);② 距地面1.5 m处，大部分区域的相对湿度小于30%,满足奥运比赛期间的湿度要求；③ 距地面1.5 m处，平均风速为0.15 m/s, 满足奥运比赛期间的风速要求(<0.2 m/s)。

　　4) 座椅送风气流分析。

　　为了充分利用台阶下的空间，该项目座椅送风的静压箱分为多个空间，见图6。通过CFD模拟计算了座椅送风在典型不规则静压箱工况下的气流分布情况，风口为直径130 mm的圆形风口，风量为50 m³/h, 风口的湍流强度设为10%,风口阻力为13 Pa。结果表明：在送风位置严重偏向一侧的情况下，出风的不均匀度为9%,基本可以满足座椅送风的均匀性要求，见图7,具体计算分析过程见文献[4]。

　　3.2.2 入口大厅空调风系统

　　1) 空调风系统。

　　入口大厅采用全空气区域变风量空调系统，过渡季可实现全新风运行工况，采用变频调速风机。气流组织为各层分别送风，首层侧墙回风，2层地面设置下沉式风机盘管。当室外气温适宜时，可开启通风口进行自然通风，缩短空调使用时间，见图8。

　　

　　图5 比赛大厅气流组织模拟的模型与计算结果   

　　 

　　

　　图6 2种典型不规则静压箱形式   

　　 

　　2) 气流组织分析。

　　该项目入口大厅建筑形态复杂，幕墙为不规则曲面幕墙，室内空间为不规则空间。为了使室内气流组织更合理、温度更均匀，在观众入口大厅的首层、2层都设置了与其冷热负荷对应的空调送风口；为了平衡曲面幕墙的太阳辐射热负荷，在2层靠近幕墙处设置了地面送风空调，在3层顶部设置了空调送风喷口。

　　模拟计算结果见图9,表明该空调系统具有较好的舒适性。

　　3.2.3 地下室空调系统

　　地下室的主要功能房间包括报告厅、运动员用房、媒体用房、赞助商用房、场馆运营、安全防护等，均设置了集中空调系统，其中小房间采用风机盘管加新风系统，并设置了转轮热回收型新风机组。

　　

　　图7 静压箱送风的不均匀度计算结果   

　　 

　　

　　图8 观众入口大厅空调风系统示意   

　　 

　　3.2.4 空调净化

　　根据北京近年的室外污染情况，室外PM2.5的质量浓度计算值取150 μg/m³。为了达到设计目标，即保证室内PM2.5的含量小于35 μg/m³,对于不同建筑空间，空调机组过滤段有相应的过滤效率要求，主要房间的过滤效率计算见表2。该项目比赛大厅和观众大厅的空调机组及建筑内其他新风机组都设置静电除尘过滤器与中效过滤器。

　　

　　图9 观众入口大厅的CFD模型及计算结果   

　　 

　　地下室的新闻发布厅采用全空气一次回风定风量空调系统，可根据室内的CO₂浓度调整新风阀门开度，同时也设置室内CO₂浓度采集分析系统和PM2.5、甲醛测点。其他主要功能房间风机盘管的回风管上均安装电子除尘过滤器。

　　3.3 空调水系统

　　空调水系统竖向不分区，为两管制形式，系统夏季供冷水，冬季供热水。夏季大温差运行，供/回水温度为5 ℃/13 ℃。经计算，采用大温差后供冷系统的输冷输热比ECR为0.016 3,远小于规范限值0.032 3,为系统节能运行提供了基础。每台空气处理机组设置动态平衡电动调节阀，每台风机盘管设置动态平衡电动两通阀。观众集散大厅采用地板辐射供暖作为值班供暖，夏季供冷。

　　4 节能分析与效果验证

　　4.1 节能分析

　　为了分析该项目暖通空调设计方案的节能效果，在建筑全年逐时负荷计算的基础上，采用动态模拟计算软件TRNSYS17建立了制冷系统模型，见图10,并分别计算了各系统的全年能耗。

　　表2 比赛大厅和集散厅的空调过滤效率需求计算 

　　 

　　 

	观众产尘标准/ (μg/(人·s))	人数/ 人	总送风量/ (万m3/h)	送风质量浓度 差/(μg/m3)	室内PM2.5浓度 标准/(μg/m3)	新风比/ %	送风质量浓度 计算/(μg/m3)	过滤器最低 效率要求/%
观众席	0.415	12 000	53	33.7	35	46.0	1.3	98.5
集散厅	0.830	1 890	20	28.2	35	42.5	6.8	91.9
比赛区	0.830	200	10	6.0	35	16.0	29.0	45.6

　　 

　　 

　　 

　　

　　图10 TRNSYS制冷系统模型   

　　 

　　供暖空调系统的能耗汇总见表3。由于选择高效率变频空调设备，制冷机的节能率为8.9%;冷水泵采用大温差运行，节能率为25.1%;风系统采用过渡季自然通风、风机变频、排风热回收及CO₂控制等措施，节能率为10.3%;除湿机组再生加热使用制冰废热，节能率为26.8%;低温热水地面辐射供暖系统采用空气源热泵，节能率为18.7%。

　　表3 供暖空调系统能耗汇总

　　 

　　 

	基准建筑能耗/ (kW·h/a)	该建筑能耗/ (kW·h/a)	节能量/ (kW·h/a)	节能率/ %
制冷机	628 756	572 913	55 843	8.9
冷却塔	39 648	39 648
冷却水泵	92 751	92 751
冷水泵	110 665	82 852	27 813	25.1
市政供热系统	750 561	750 561
风系统	416 978	373 839	43 139	10.3
除湿再生加热	195 416	143 128	52 288	26.8
地板供暖空气源热泵系统	90 687	73 722	16 965	18.7
总计	2 325 462	2 129 414	196 048	8.4

　　 

　　 

　　 

　　可见，在节能与能源利用方面，该项目采用的各种节能措施使供暖、通风与空调系统能耗降低幅度达到了8.4%,经综合评估达到了设计阶段绿建三星级标准。

　　4.2 比赛大厅温湿度效果验证

　　2022年2月，国家速滑馆进行了冬奥会正式比赛，在12个比赛日里，国家速滑馆共刷新12次奥运会纪录和1次世界纪录。图11为冬奥会期间速滑馆比赛大厅的温湿度分布，可见，赛道上方实测温度都高于16 ℃,观众坐席实测温度高于18 ℃,相对湿度小于30%,且温湿度分布比较均匀，比赛大厅完全达到了预期的温湿度效果。

　　

　　图11 冬奥会期间比赛大厅的温湿度分布   

　　 

　　5 结语

　　国家速滑馆冬奥会期间承担了大道速滑比赛和训练，冬奥会后将成为能够举办滑冰、冰球和冰壶等国际赛事及大众进行冰上活动的多功能场馆，这对暖通空调设计提出了新要求与新挑战。笔者通过广泛调查与研究，介绍了国家速滑馆室内热湿环境营造的分析过程，梳理了暖通空调系统的设计研究成果；通过节能效果和比赛大厅空调系统实际运行测试数据分析，验证了本项目暖通空调设计的合理性与创新性，为大道速滑馆的暖通空调设计提供了新的可借鉴解决方案。