0 引言

　　北京冬奥会及冬残奥会再一次在中国创造了一场载入史册的奥运盛会，向世界呈现了一届“简约、安全、精彩”的冰雪赛事，并成功实现了“3亿人参与冰雪运动”。

　　冬奥雪上比赛项目在北京、延庆、张家口3个赛区都有分布(见图1),延庆和张家口赛区全部是雪上项目。北京赛区雪上场馆为首钢滑雪大跳台，为单板滑雪、自由式滑雪的比赛场地；延庆赛区场馆为国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心，是高山滑雪、雪车、雪橇的比赛场地；张家口赛区场馆为云顶滑雪公园、国家冬季两项中心、国家跳台滑雪中心和国家越野滑雪中心，是平行大回转、障碍追逐、空中技巧、雪上技巧、跳台滑雪、越野滑雪、冬季两项、北欧两项的比赛场地^[1]。具体见表1。

　　图1 北京冬奥会雪上运动场馆分布示意图  

　　表1 北京冬奥会雪上场馆信息

　　1 雪上项目技术标准

　　冬奥会雪上项目比赛是国际上最高级别的赛事，对场地相关技术条件要求极为严格。按照比赛要求，运动员在雪道中滑行速度最高可达140 km/h, 需要采用人工冰状雪，使雪道表面保持近似于冰面的结晶状态，减小雪板和雪道之间的摩擦。雪道制作过程中，造雪是最为关键的一个环节。冰状雪的制作过程相对复杂，需要增加雪的含水量并通过雪车反复翻压将湿雪搅拌均匀压平，再经过板结、下沉，清除表层软雪后最终才能形成专业雪道。

　　雪上项目技术标准主要来源于国际滑雪联合会FIS(International Ski Federation)和奥林匹克委员会的要求，部分项目标准为专项联合会特定标准，比如冬季两项来源于国际冬季两项联合会IBU(International Biathlon Union)的要求。对于场地设计，FIS和IBU都作了严格要求，要求有专门的赛道设计人员全程跟踪，依据实际场地特点和滑雪场地技术规范制定策略，并参与赛道的建设和运行，以确保达到比赛特定的标准。

　　FIS和奥林匹克委员会对于造雪系统的建设标准要求，主要包含3个方面：1) 造雪量及雪质满足比赛要求；2) 造雪厂家具备FIS的认可资质；3) FIS的附属要求，比如储雪和覆盖、撒盐雪面硬化、使用隐蔽的可伸缩阀门井、造雪系统兼顾灌溉系统等方面。FIS核心造雪要求是造雪量和雪质，特别是对于比赛日当天雪道的造雪量及造雪质量有明确规定。

　　雪质主要体现在雪密度上。人工造雪的密度为300～600 kg/m³,300 kg/m³的雪质为非常干，600 kg/m³的雪质为非常湿，雪质越干，越接近粉状雪。具体使用哪种类型的雪，要根据各种运动项目的需求而定，如冬季两项等运动赛道通常采用密度为430 kg/m³的雪，高山滑雪的赛道用雪密度要求为590 kg/m³,非竞赛滑雪道采用430 kg/m³的雪。有时也会根据天气情况适当调整，比较干的雪在白天使用，在气温低的夜间使用比较湿的雪。对于非比赛区域的景观位置可以采用300 kg/m³的雪^[2]。

　　覆雪厚度是雪上项目建设标准的关键指标。国内对普通滑雪场所的滑雪道要求雪层压实之后的厚度应不小于30 cm, 雪层表面不得形成冰状^[3]。冬奥会雪上比赛项目的覆雪厚度要求更加细化，需要根据不同运动项目确定：高山滑雪项目的竞赛道和训练道要达到2 m的覆雪厚度，技术道路为50 cm的覆雪厚度；空中技巧项目赛道及技术保障道路的覆雪厚度要求为1 m, 终点区覆雪厚度最小1 m、最大1.5 m; 冬季两项中心及北欧两项越野滑雪场的比赛雪道应达到50 cm覆雪厚度；跳台滑雪场的助滑道和起跳区雪面必须十分平整，并与轮廓板高度完全一致，轮廓板应保证雪面厚度至少20 cm, 起跳部分应具备40 cm的覆雪厚度，在终点区域应具有1 m的积雪深度^{[2,4,5,6,7,8]}。

　　为保证冬奥会赛场具备符合质量要求的积雪，通常需要采用以下4项措施：1) 制造符合质量和数量要求的积雪；2) 额外储存一定的雪作为应急备用，同时将储存雪与雪道上的雪混合达到符合标准的雪，如国家冬季两项和国家越野滑雪项目，赛事保障方在比赛雪道旁预设了7个储雪点；3)覆盖雪道以防止受大风和灰尘侵袭；4) 在温度偏高或者积雪变湿的时候，应对比赛雪道采用撒盐的方式处理，使雪道变硬。

　　2 冬奥会雪上运动场馆技术实现

　　冬奥会雪上运动场馆主要由室外赛场部分和技术场馆两部分组成，根据赛时和赛后需求建设训练馆、冬奥村等辅助设施。冬奥会雪上运动场馆建设过程中，存在以下难点和特点。

　　1) 技术标准高。

　　雪上竞赛项目约有1/3在国内没有开展过，奥运级别的雪上运动场馆很多是第一次在国内建设。设计、施工及管理运行方面的经验不足，缺少相关技术标准，给冬奥会场馆建设带来很大的挑战^[9]。

　　2) 山区条件差。

　　雪上运动场馆选址除首钢大跳台位于北京，其他都位于延庆和张家口的山区，地形复杂、气候差异大。山区位置缺少可以直接使用的设计气象资料参数，气温偏低，市政配套条件不足。

　　3) 临时设施多。

　　雪上运动场馆一个特殊性是临时设施多，考虑赛后运营和节俭办奥运的原则，需要场地设施对多种赛事具有适应性和灵活性，同时需要做好永久和临时的结合。

　　4) 绿色环保低碳。

　　冬奥会场馆大纲中明确了场馆建设的可持续性，雪上运动场馆的建设需要体现我国科技创新、环境保护、绿色减碳、可持续发展方面的努力，展现科技奥运、人文奥运、绿色奥运的理念。

　　国际雪联对雪道硬度要求较为严格，建造满足比赛要求的雪道是保障运动员稳定发挥的基本保障。冬奥会建设团队通过借鉴国内外经验，结合项目实际研究论证，有序保障了冬奥的顺利实施。在雪场雪道设计上，冬奥建设团队对赛道系统进行创造性整合，一方面结合地形减少人工痕迹对自然生态的破坏，另一方面优化造雪工艺和造雪系统，利用山区寒冷的气象条件，严格保障各雪场雪道的造雪量和造雪品质。

　　利用张家口张北地区丰富的风、光可再生能源产生的清洁电力，北京冬奥会三大赛区26个场馆全部实现了100%绿色供电，在奥运史上尚属首次。充足的绿电资源为市政资源不足的山地雪上场馆提供了能源保障。冬奥会雪上场馆的热源系统和冷源系统均以绿电作为主要能源，采用地源热泵、空气源热泵、电蓄热、电供暖等形式，为雪上场馆提供适宜的室内环境。如延庆赛区冬奥村项目，夏季冷源系统设置3台电制冷冷水机组，冬季热源采用4台低温型空气源热泵机组+电极热水锅炉+水蓄热耦合系统；延庆的冰上项目训练基地，利用场馆绿地下的埋管条件，采用地埋管地源热泵系统+水蓄能系统，为基地供冷供热；张家口崇礼区的跳台滑雪中心、冬季两项中心、越野滑雪中心项目，冬季供暖采用多联机热泵+电供暖相结合的方式，保障场馆的室内温度；张家口赛区冬奥村项目采用了发热电缆地面辐射供暖系统。

　　按照节俭办奥运的原则，雪上场馆临时建筑均采用赛时搭建、赛后拆除或者方便赛后利用的临时设施，如临时看台、箱式房、板房、篷房等，均采用了装配式建筑形式。临时建筑的供暖通风空调设施，也按照灵活设置、可重复利用的方式配置，对于工厂化预制的装配式箱式房，供暖通风设施按照项目定制设计、工厂集成的高效装配化预制方式。

　　冬奥会冰雪场馆的永久设施按照绿色建筑三星标准实施，部分项目达到了超低能耗建筑和近零能耗建筑，如延庆赛区的山地新闻中心为近零能耗建筑，奥运村的第六运动员组团为超低能耗建筑。

　　3 雪上项目关键设备

　　3.1 造雪机

　　在雪道建设过程中，造雪是最为关键的一个环节，造雪机是实现人工造雪的关键设备。通过人工创造条件实现“气-水-雾-冰-雪”的转变，造雪机的造雪密度是决定雪品质的关键指标。按照晶核形成的机理不同，造雪机可分为4种类型：内混型造雪机、外混型造雪机、风扇型造雪机和碎冰造雪机。其中风扇型造雪机和碎冰造雪机对环境温度要求高，且使用成本较高，而外混型造雪机造雪过程需要保证一定的安装高度。

　　室外雪场使用的造雪机以内混型造雪机为主，它的原理是将压缩空气和高压冷水在核子器腔室内混合，压缩空气在喷嘴内把水膜破碎成微小水滴产生雪核，与环境空气中水分或其他未冻结的大尺寸水滴聚合，水分在雪核上冷却凝固形成雪花^[10,11]。

　　造雪机的关键指标主要包含适用造雪温度、造雪量、造雪密度、造雪消耗功率、电加热输入功率及最大射程等。适用造雪温度是指满足造雪机造雪的环境温度条件，高于适用造雪温度，造雪机喷出的几乎是水雾，很难形成雪晶。主流造雪机适用造雪温度低于-1 ℃,在相对湿度小于70%时成雪。造雪量是指在适用造雪温度的范围内，单台造雪机1 h的成雪量，是评价造雪机造雪能力的重要指标。造雪密度是反映成雪品质的重要指标，是雪质量与体积的比值。造雪消耗功率是指造雪机在造雪过程中，单位时间为维持造雪持续进行而消耗的电量，主要耗电设备有空气压缩机、循环水泵、风机、电加热及其他附件。电加热装置提供热量给喷嘴外表面加热，以防在低温条件下喷嘴出口携带水滴冻结成冰堵塞喷嘴，其单位时间消耗的电量称为输入功率。最大射程是指造雪机在喷嘴成雪后将雪吹送的最远距离。

　　室外造雪设备按照外形可分为炮式造雪机和枪式造雪机。炮式造雪机根据安装形式又可分为塔式雪炮、升降塔式雪炮、移动式雪炮、悬臂式雪炮，其中塔式雪炮、升降塔式雪炮、悬臂式雪炮为固定式雪炮；枪式造雪机根据安装形式可以分为移动式雪枪和固定式雪枪。常用造雪设备的主要技术参数见表2。

　　表2 常用造雪设备的主要技术参数 

　　3.2 雪车雪橇赛道制冰系统

　　国家雪车雪橇中心项目虽然归属雪上项目，赛道实际上是剖面呈U形或半U形的冰道。根据国际单项组织的规定，雪车雪橇赛道设计最大时速为135 km/h, 最大加速度为5 m/s²,冰面温度参数为-10～-7 ℃,冰层厚度约为50 mm。赛道冰要满足赛道室外、大面积、长距离、大高差、大时速的要求。

　　为保障赛道冰的效果，国家雪车雪橇中心项目采用氨直接蒸发制冰系统，将雪车雪橇赛道分为54个制冷单元，赛道冰面中心线长度为1 935 m, 垂直落差超过121 m, 由16个角度、坡度不同的弯道组成。主要设计参数为：设计蒸发温度-18 ℃、设计冷凝温度35 ℃、经济器补气温度-0.6 ℃、设计制冷负荷共计6 000 kW。制冰系统采用5台氨制冷压缩机组，制冷系统氨液充灌量约80 t, 供液方式采用泵强制供液。项目同时设置了冷凝热回收系统，将压缩机排放的废热进行有效回收再利用，可满足赛区约10 000 m²的室内供暖需求^[12]。

　　3.3 仿真雪

　　近些年国内外研发了仿真雪技术——旱雪，它打破了夏季和南方不能滑雪的自然规律，更方便推广滑雪运动。

　　旱雪采用特殊塑料制成，具有与真雪90%的相似度。它具有仿真、润滑、安全、耐候和环保特性，是滑真雪的时空延伸，它使用与滑真雪相同的雪具来完成从初级到高级的雪上练习，实现了四季滑雪。目前在多地建设了旱雪场，成为运动员和滑雪爱好者训练和学习的重要设施。

　　4 冬奥会雪上运动场馆的绿色低碳技术

　　1) 在奥运会历史上首次实现了赛时所有场馆100%绿色电力供应。截至2022年冬残奥会结束时，冬奥会场馆共减少标准煤燃烧11万t, 减排二氧化碳28万t。

　　2) 采用了高效造雪机和智能造雪技术，有效控制最大出雪量、提高了造雪能源利用率，相对于传统造雪，可减少水资源消耗约20%^[13]。

　　3) 国家雪车雪橇中心的制冰系统采用氨制冷剂，氨的消耗臭氧潜能值ODP和全球变暖潜能值GWP均为0,是一种环境友好型制冷剂。采用氨直接蒸发制冰系统，具有冷量大、环保、效率高等优势。

　　4) 冬奥会雪上运动场馆的建筑节能率均高于相应的标准规范要求，部分场馆按照超低能耗建筑和近零能耗建筑建设。雪上运动场馆室外设计气象参数进行了属地化修正，采用低温型高效空气源热泵机组、冷凝热回收、蓄热、排风全热回收效率等节能技术。

　　5) 冬奥会雪上运动场馆永久建筑和临时设施，采用了装配式建筑设计理念，提高了建筑质量，同时节省了材料，方便了现场建设。

　　为实现国际奥委会承诺的“绿色办奥”理念，针对北京冬奥会雪上运动场馆的设计、建设与运维绿色评价，北京市组织编制了DB 11/T 1606—2018《绿色雪上运动场馆评价标准》。经过预评价，冬奥雪上场馆均获得了绿色雪上运动场馆三星级设计评价标识，通过竣工验收，冬奥雪上场馆满足相应的设计要求。

　　5 冬奥会雪上运动场馆的赛后利用设计

　　本着充分利用奥运遗产资源和节俭办奥运的原则，贯彻场馆的可持续利用和环境的可持续发展设计理念，冬奥会雪上运动场馆均要求合理配置永久建筑、临时设施和使用场地数量和规模。冬奥雪上项目场馆的赛后改造设计与赛区临近各场馆及周边设施协同发展，并在赛后围绕雪上竞赛场馆的运动项目的核心活动提供设施，实现赛区协同。

　　冬奥会雪上运动场馆暖通专业在进行方案和施工图设计时兼顾了赛时和赛后利用，尽可能地在设计阶段进行整合。总体原则是力保赛时、赛后永久设施按需落实，对纯赛时功能以满足要求、最大限度降低对赛后使用影响。设计遵循可持续设计原则、同步设计原则和四季运营策略，尽量避免或减少赛后拆改，降低赛后拆改工作量及不必要的重复性投资，缩短改造周期。

　　项目地处山区，建筑布局分散，功能多样，暖通专业冷热源选择着重兼顾赛时赛后功能转换，选择小型化、模块化、分散布置的冷热源形式，利于功能变化后的规模调整。系统及末端选择具有可拆改、能独立控制的形式，便于赛后功能变化后的末端调整。基于设计方案和赛时赛后建筑功能布置图，对室内机房进行合理分区设置，保证赛后改造时主要机房及设备具有通用性；除通用竖向管井外，赛后使用的管井、墙洞预留好结构条件(板洞后浇处理等);平面管线进行综合布置，配合建筑设置合理的层高以保证赛后功能对空间高度的要求；室外机位置留有冗余，利于赛后改造时增容。

　　根据赛后功能定位，设计中对赛后改造本着分级改造、分区改造、分期改造、分季改造的原则预留条件。以延庆冬奥村为例，根据酒店管理公司标准，冬奥村公共组团赛时与赛后主要功能、设计标准差异较大，运动员组团的人员密度及人员作息时间与现行节能标准中推荐值也存在较大差异，因此需要赛时赛后分别进行负荷计算，逐一对比落实。国家高山滑雪山顶出发区的景观餐厅，设计中考虑了厨房工艺条件，仅把管线预留到位，方便赛后安装；国家雪车雪橇中心的运行及后勤综合区赛后变更为主题酒店，赛时设计则按酒店客房布局预留竖向风、水管道井，并对新风机组、室内末端按赛时兼顾赛后的标准进行选型设计。

　　首钢滑雪大跳台中心项目是与工业遗产再利用直接结合的雪上运动场馆，对首钢工业遗存的修缮、改造和利用是该项目可持续设计的重点之一。暖通专业在设计过程中，将空调冷却塔结合制氧厂冷却站房的建筑特点，利用工业遗址原有排风罩作为空调冷却塔的排风通道，冷却塔的设计既保留了工业遗址观感，又提高了冷却塔散热能力，完美体现了对工业遗址的保护和再利用。

　　6 总结与展望

　　北京冬奥会的成功举办，实现了“绿色奥运”的庄严承诺，高标准的运动赛场得到了各国运动员的赞赏，留下了非常宝贵的奥运遗产。

　　北京冬奥会极大地激发了人民群众参与冰雪运动的热情，带动了我国冰雪运动设施的产业升级，为我国冰雪运动发展创造了历史机遇。

　　本文引用格式：满孝新，刘加根，祝秀娟，等．北京冬奥会雪上运动场馆技术标准与低碳应用［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：7-11．