0 引言

　　冰上运动场馆是一类十分特殊的公共建筑。其空气环境特殊、热湿环境复杂^[1],使得其单位面积能耗可达一般办公建筑的1.3～1.7倍^[2]。针对这一类特殊高大空间冰场展开热湿环境保障研究，对精确、高效、节能地实现冬奥会赛时热湿环境控制具有重要意义。

　　冰场内常采用独立的制冰系统维持低温冰面，采用独立的除湿系统营造冰上运动所需要的空气热湿环境^[3]。冰上运动对冰面温度及空气参数的要求较为严格。例如，Palmowska等人对波兰冰场的研究表明，冰面上方空气温度应为10 ℃,露点温度不高于冰面温度以避免结霜^[4]。传统文献中对人工冰场的环境参数研究主要针对娱乐冰场开展，缺乏对专业竞技冰场的分析。然而，冰壶运动是对空气参数要求最为严苛的运动类型^[5]。对于冬奥会规格的冰壶竞赛而言，过高的空气湿度将导致冰面结霜，而过低的空气湿度将导致冰面升华，经时间累积后的冰面变化情况可能造成冰壶运动轨迹变化，影响竞赛质量。

　　与此同时，冰场馆的高大空间将带来热湿环境营造的难题。Palmowska等人采用数值模拟的方法分析了娱乐冰场的气流组织与热湿环境营造效果^[4]。Taebnia等人分析了不同送风位置营造的不同温湿度控制效果^[6]。在文献中，大多数研究案例的冰场空间高度约为10 m, 且大多采用喷口位于冰场顶部的全空间控制方式，整个空间均采用深度除湿进行控温控湿。根据相关报道，奥运历史上体型最大的冰壶场馆高度约29 m, 体型高大使得其热湿环境更为复杂。若在如此大体量的建筑中采用全空间深度除湿控制，势必造成较高能耗，不符合绿色奥运的原则。

　　本研究重点以一座冬奥会规格的冰壶场馆为研究对象，分析冰壶场馆分区控制空调的热湿环境营造效果。本研究采用实地测试的方法，在场馆内针对热湿环境的关键参数进行监测，展现除湿空调对于冰场的热湿环境营造效果，以及不同室外环境条件下场馆分区控制的结果，探究冰壶场馆热湿环境合理控制方式。

　　1 方法

　　1.1 场馆介绍

　　本文所研究的冬奥会冰壶场馆的建筑结构及内部环境如图1所示。场馆的长、宽、高分别为116、60、28.8 m。场馆的正中间为冰场的比赛区域，设4条标准冰壶道，比赛时冰面附近的南北两侧均设置1.2 m高的广告板，如图2所示；整片冰场的长、宽分别为55.6、30.0 m。场馆的南北两侧为观众席。

　　

　　图1 冬奥会冰壶场馆示意图   

　　 

　　

　　图2 冰壶场馆空调分区和除湿送风系统   

　　 

　　根据实际空间功能的差异，场馆内部被划分为3个子功能区域，如图2a所示。

　　1) 比赛区：

　　这一区域为冰壶比赛的核心区域，其空气参数需要满足世界冰壶联合会对冰上参数的要求，也即冰上1.5 m处空气温度达到10 ℃±2 ℃,冰面附近空气露点温度低于冰面温度(一般为-4 ℃,对应含湿量2.7 g/kg),其实际空间高度约为1.5～2.0 m。同时，冰面附近的风速一般要求不超过0.2 m/s。由于冰面长期存在，这部分区域的热湿环境需要全天不间断地保障。

　　2) 观众区：

　　这一区域为观赛区域，其空气参数需符合观众的热舒适需求，温度要求约为20 ℃,远高于比赛区。这一空间的参数仅需要有观众时进行控制。

　　3) 高大空间区：

　　这一区域位于比赛区上方，无具体参数需求。

　　1.2 空调系统介绍

　　本场馆采用分区控制的空调方案，分别满足不同区域的实际需求。

　　1) 比赛区空调：

　　采用南、北侧悬挂的布袋向冰场内提供干冷空气，如图2所示。干冷空气由搭载变频风机的转轮除湿机组提供，最低温湿度参数可达4 ℃、0.5 g/kg, 单侧单台除湿机满频率运行额定风量为15 000 m³/h, 两侧各有1台除湿机备用。实际使用过程中，布袋除湿送风参数、风量随实际需求调整变化。

　　2) 观众席空调：

　　观众席采用座椅送风空调进行温度控制，额定风量228 000 m³/h, 带走由观众产生的热量，或补充温度过低时观众席所需的热量，而不对湿度进行额外处理。本次测试期间，无观众入场，仅监测观众席温湿度。

　　3) 高大空间区域：

　　不进行额外控制。

　　1.3 测试方法

　　本研究的测试时间为2020年12月至2021年1月。测试期间场地内进行冰壶比赛及训练。本次测试针对静置无除湿工况、室外湿度适中时有除湿工况、室外空气干燥时有除湿工况进行温湿度测试。测试期间冰面温度由制冰师控制并调节，冰面温度约为-4 ℃。

　　参数测试位置如图2a所示，分别测试冰上0.1、0.5、1.0、1.5、2、3、4、6、8、10、15、20、25 m高度的温湿度及观众区的温湿度。另外，测试了场馆墙体表面温度、顶膜温度，并在距送风布袋最近的冰壶比赛赛道内冰面上方0.1 m高度进行风速测量。所用的温湿度测试仪器见表1。

　　表1 测试仪器

　　 

　　 

参数	仪器	精度
温湿度	温湿度自记仪	±0.2 ℃,±2%
温度	温度自记仪	±0.2 ℃
风速	热线风速仪	0.1 m/s

　　 

　　 

　　 

　　2 场馆热湿环境营造效果

　　2.1 室内温湿度

　　本研究重点关注场馆除湿空调对热湿环境的营造效果，以及不同区域的温湿度分区控制效果。测试主要工况分为室外湿度适中时有除湿工况(A)、室外干燥时有除湿工况(B),另外设置自然无除湿条件下的场景进行对比分析，测试时间均为当日04:00,具体工况的送风参数、室外环境参数见表2。工况A和B的室内送风温度与含湿量接近，仅室外温湿度有明显差异。

　　表2 不同工况送风参数和室外环境参数

　　 

工况	室外参数		送风参数
	温度/ ℃	含湿量/ (g/kg)	温度/ ℃	含湿量/ (g/kg)
有除湿(工况A)	-2.1	2.1	6.9	0.5
有除湿(工况B)	-5.5	0.7	8.0	0.6
无除湿	-2.8	2.5

　　 

　　 

　　 

　　冰上运动区域是场馆中最核心的空间，其热湿环境营造效果是研究中最关键的内容。图3展示了冰面上方0～5 m高度的热湿环境营造结果，从温度和湿度两方面分析环境营造效果。由于比赛时冰面难以直接布置仪器测点，故常实时监测1.2 m或1.5 m高处的温湿度参数以进行温度、湿度反馈调节，而直接与冰面换热、冰面质量相关联的参数是最接近冰面的空气参数，所以场馆营造中，需要特别关注0.1 m与1.5 m高处的温湿度参数差异。

　　

　　图3 冰壶场馆冰面区域上方0～5m高度竖直温湿度分布   

　　 

　　对于温度营造结果，冰面附近空气温度约为9.7～11.6 ℃,放置在相邻冰面位置的测点温度约比上述结果低2.0 ℃;冰面上方1.5 m高处空气温度维持在11.5～12.0 ℃,符合比赛要求；冰上空间1.5 m以下的温度主要受冰面温度及热源影响，在不同送风参数及自然条件环境中底部空间空气温度差异较小；在挡板高度处(约1.2～1.5 m)空气温度有小幅降低，其中有除湿送风的工况中这一降低幅度更加明显。图3结果表明，除湿空调使得比赛区内不同高度处的空气温度趋于一致。

　　对于湿度营造结果，有/无除湿的条件下冰场的湿度分布规律有所不同。冬季，场馆无除湿送风环境冰面附近0.1 m高处含湿量约为3.4 g/kg, 这一数值在1.5 m高处迅速上升至4.1 g/kg, 从仪器监测位置(1.5 m高处)和冰面附近(0.1 m高处)两方面考虑，长时间维持环境冰面均有结霜风险。而采用除湿空调后，如工况A所示，比赛区空气含湿量降低约1.0 g/kg, 降低至3.0 g/kg, 同时0.1 m高处的含湿量与1.5 m高处含湿量的差值减小，1.5 m高处仪器监测结果约为3.2 g/kg, 在1.5 m以上的空间区域湿度进一步升高。当室外湿度降低时，如工况B所示，若采用相同的送风含湿量，不同高度的空气湿度将进一步降低，冰面附近含湿量降低至 2.3 g/kg, 此时4 m以下、比赛区域内不同高度含湿量接近一致。以上A、B工况环境中，冰面均长时间无明显凝水及结霜现象，保持清澈透明。

　　进一步分析全场馆的热湿环境营造效果，以此分析冰场不同区域分层控制效果，如图4所示。结果表明，场馆内底部空间与顶部空间的温度、湿度均存在明显差异，空调控制的分层高度约为6 m(图中转折点)。以室外环境相似的工况A与无除湿工况相比，从底部到顶部空间的温度变化斜率变小，高处空间温度降低。场馆自然工况的湿度分布规律表明，冬季场地空气湿度在10 m以下区域迅速升高，顶部空间湿度不再发生显著变化，而除湿空调作用后全空间湿度降低，起到显著的除湿效果，且湿度分布规律发生变化。

　　除此之外，本研究同时监测了同一时期观众席温度，监测期间观众席无观众、同时不开启空调，其数值与冰上5～15 m高度的竖直温度保持一致。

　　综合分析，采用除湿空调后，比赛区内温湿度均达到冬奥会比赛要求，场地竖直温湿度分布规律与自然状态呈现显著差异，布袋悬挂的送风方式使得送风高度以下(越过挡板约为1.5 m高)的温度和含湿量均趋于一致，便于监测；高处空间的温湿度与比赛区域温湿度呈现明显差异，实现了分区控制的目标。除湿空调的深度除湿风量共20 000 m³/h, 与半空间空调也即高度约15 m的坐席空调风量相比，所需深度除湿风量降低约90%,具有显著节能意义。

　　2.2 室内风速

　　

　　图4 冰壶场馆竖直温湿度分布   

　　 

　　世界冰壶联合会的技术指导中要求冰壶场地冰表面几乎无气流干扰，在文献的冰场研究中常将这一表述定量化描述为冰面附近风速小于0.2 m/s, 否则气流可能成为比赛壶、比赛球运动轨迹的干扰因素。本次测试重点监测了冰面附近风速，以靠近送风布袋的D比赛道为例，测试结果如图5所示。

　　

　　图5 冰面风速分布(单位:m/s)   

　　 

　　D比赛道边缘距离送风布袋水平距离约10 m, 距离场地周围设置的广告围挡水平距离约5 m, 当风量为10 000 m³/h时，布袋送风的出口处风速约为12 m/s, 以特定气流组织送入场内后，风速迅速衰减至小于0.2 m/s。图5的风速测试点分别位于冰道内侧的冰壶大本营、投掷前置线、正中央位置，测试结果中，绝大多数点位风速小于 0.1 m/s, 满足几乎无气流干扰的要求，符合冬奥会场馆环境营造标准。

　　2.3 壁面温度

　　场馆中的壁面温度以长波辐射换热的方式直接影响室内各表面换热量。本研究中的冬奥会冰壶场馆的顶面与比赛冰面的辐射角系数为0.717,其温度变化显著影响冰面温度，同时与墙面以长波辐射的方式影响观众席观众的体感温度。故而本次测试也测试了全天顶面及墙面温度的变化情况，结果如图6所示。

　　

　　图6 单日内室内顶面及墙面表面温度   

　　 

　　结果表明，单日内顶面温度在16～22 ℃之间变化，墙面温度在16～19 ℃之间变化，二者均呈现昼夜波动，温度峰值分别出现在14:00及16:30。另外，由于顶面和墙面直接影响冰面温度，在实际比赛中制冰师将在中午、下午降低制冰冷源的冷媒出水温度0.5～1.0 ℃,而在夜间将冷媒出水温度升高0.5～1.0 ℃,以维持冰面温度稳定。

　　以操作温度来表征人体在热环境中综合对流和辐射的体感温度，由观众席空气温度、冰面温度、墙面温度、顶面温度及各个表面与观众之间的角系数，可计算得到观众席位置的操作温度约为17.2 ℃,远高于比赛区的10～12 ℃,观赛环境得到改善。

　　2.4 冰面制冷负荷

　　由场馆热湿环境及壁面温度参数，可计算冰面维持阶段的制冷负荷。冰面在场馆内与附近空气发生对流传热与传质，同时与其他表面发生长波辐射换热，另外接收来自灯光、太阳的短波辐射，如图7所示。冰面对顶面的角系数为0.717,对其他表面(主要为墙面)的角系数为0.283。

　　

　　图7 室内换热及表面角系数示意图   

　　 

　　注：ε为长波辐射发射率。

　　冰面制冷负荷q可由式(1)^[7]表示：

　　q=qch+qcm+qlw+qsw         (1)q=qch+qcm+qlw+qsw         (1)

　　其中，对流传热量q_ch可由式(2)、(3)计算：

　　qch=hch(Ta−Ti)         (2)hch=3.41×3.55v         (3)qch=hch(Τa-Τi)         (2)hch=3.41×3.55v         (3)

　　对流传质量q_cm可由式(4)、(5)计算：

　　qcm=hcm(da−di)r         (4)hchcp,ahcm=Le23         (5)qcm=hcm(da-di)r         (4)hchcp,ahcm=Le23         (5)

　　长波辐射传热量q_lw可由式(6)、(7)计算：

　　qlw=hlw(Tr−Ti)         (6)hlw=[1Fri+(1εr−1)+ArAi(1εi−1)]−1⋅(T2r+T2i)(Tr+Ti)         (7)qlw=hlw(Τr-Τi)         (6)hlw=[1Fri+(1εr-1)+ArAi(1εi-1)]-1⋅(Τr2+Τi2)(Τr+Τi)         (7)

　　式(1)～(7)中 q_sw为短波辐射传热量，W/m²;h_ch为对流传热系数，W/(m²·K);T_a、T_i、T_r分别为冰面附近空气温度、冰面温度、辐射表面温度，K;v为冰面附近空气流速，m/s; h_cm为对流传质系数，kg/(m²·s);d_a、d_i分别为冰面附近空气含湿量及冰面温度对应的饱和含湿量，g/kg; r为潜热，kJ/kg; c_p,a为空气比定压热容，kJ/(kg·K);Le为空气的路易斯数；h_lw为长波辐射等效传热系数，W/(m²·K);F_ri 为辐射表面对冰面的角系数；ε_r、ε_i分别为辐射表面和冰面的长波辐射发射率；A_r、A_i分别为辐射表面及冰面的面积，m²。

　　在所研究的冬奥会场馆中，顶膜外由特殊遮光材料遮蔽太阳辐射，同时采用低热量的LED灯，在冰面实测结果中短波辐射传热量q_sw接近0,可以忽略。

　　由上述测试结果可计算得冰面制冷负荷，如图8所示。单日内制冰负荷范围为125～166 W/m²,其中对流传热约占46%,来自顶面和墙面的长波辐射约占51%,它们是制冰负荷最主要的来源；制冰负荷最小值出现在09:00,最大值出现在16:00。此数值及变化规律可为制冰机的运行模式调节提供参考。

　　

　　图8 单日内冰面制冷负荷来源示意   

　　 

　　3 结论

　　本研究针对冬奥会冰壶场馆的热湿环境营造效果开展研究，以实测方式对场馆热湿环境进行详细分析，验证除湿方案对场馆热湿环境营造效果。主要结论有：

　　1) 采用除湿空调可显著降低冰壶场馆内比赛区域的温度、湿度，其中比赛区域内不同高度的温度及含湿量略有差异，冰面附近0.1 m高处的温湿度可控制为10.5 ℃、2.2～3.0 g/kg, 而冰面上方1.5 m高处温湿度为12 ℃、2.4～3.2 g/kg。在冰场设计及比赛中选定温湿度参考、监测点时需对监测高度进行说明，否则将造成结果的误差。

　　2) 冰壶场不同高度竖直温湿度由于分区除湿呈现分层效果，高处空间温湿度可达17 ℃、4.3 g/kg, 与传统全空间控制空调的营造效果具有显著差异，实现了由全空间控制到分区控制的需求，降低了全空间除湿所需要的深度除湿风量，具有显著节能效果。

　　3) 场馆观众席操作温度可维持在约17 ℃,满足舒适观赛需求。较低的冰面温度及较低的比赛区分层使得比赛区干冷环境对观众席影响较小。

　　4) 场馆冰面制冰负荷为125～166 W/m²,其中对流传热和长波辐射传热是制冰负荷的主要来源，分别贡献46%及51%的热量。

本文引用格式：李凌杉，张涛，刘晓华，等．冬奥会冰壶场馆热湿环境营造效果研究［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：24-29．