北京市冰上项目训练基地是北京市冰上运动队长期训练场地，2021年3月验收至今，先后承接了2021年全国男子冰球锦标赛和国家队备战2022年北京冬奥会、冬残奥会训练任务，主要功能包括8块标准真冰场、陆上训练区、舞蹈用房、赛事用房、训练配套用房及教学公寓等。

　　1 工程概况

　　基地位于延庆区妫水河北岸，包括综合训练馆和教学公寓楼2栋建筑物，如图1所示。基地总建筑面积86 842 m²,规划控高20 m, 地下1层为车库和设备机房，1层设2座冰球馆、2座冰壶馆，2层设2座短道速滑馆和2座花样滑冰馆。

　　

　　图1 基地鸟瞰效果图   

　　 

　　室外设计参数见表1。制冰总冷负荷为6 576 kW,8台冰场专用制冰机通过二级泵系统为8块冰场间接制冷，供/回水温度为-15 ℃/-12 ℃,载冷剂为质量分数40%的乙二醇溶液，可实现冰面温度在-7～-3 ℃间调节。

　　2 项目特点

　　表1 室外设计参数取值 

　　 

　　 

夏季	冬季
大气压力951.2 hPa	大气压力968 hPa
通风室外计算干球温度27.8 ℃	通风室外计算干球温度-8 ℃
空调室外计算日平均温度26.4 ℃	供暖室外计算干球温度-12.2 ℃
空调室外计算干球温度31.7 ℃	空调室外计算干球温度-14.7 ℃
空调室外计算湿球温度24.2 ℃	空调室外计算相对湿度47.5%
室外平均风速1.5 m/s	室外平均风速2.1 m/s

　　 

　　 

　　 

　　为响应国家节能减排政策，冷热源系统采用地源热泵，但延庆地区供暖期负荷明显大于供冷期，常规设计使用地埋管地源热泵系统面临土壤冷热负荷难平衡的问题。

　　冰上运动场馆与普通体育场馆差异明显，主要体现在：1) 冰面上空竖向温度梯度大，空调室内设计参数要求高，例如冰面温度在-7～-3 ℃,而距地3 m高度处温度则应高于15 ℃,如表2所示。2) 对空气湿度非常敏感，空气湿度大易造成顶部金属构件结露腐蚀，易在冰面附近形成雾团影响运动员视线。3) 气流组织要求高，空调送风不可直吹冰面，迎面风速不得大于0.3 m/s。4) 功能复杂、使用时间不统一，设计时需合理划分系统，采用多种空调形式以满足差异化要求。

　　表2 冰场室内设计参数 

　　 

　　 

	夏季		冬季		新风量/	A声级噪声/
	温度/℃	相对湿度/%	温度/℃	相对湿度/%	(m3/(人·h))	dB
观众座椅区	26	≤55	18		20	≤45
冰场运动区(训练)①	22	≤60	18	≤60	30
冰场运动区(比赛)②	18	≤45	18	≤45	30
网(桁)架区③	不结露		不结露		0	≤45

　　 

　　① 该温湿度环境下，平时训练时可避免运动区的结雾。② 国际冰球联合会(IIHF)要求的比赛环境温湿度可视为比赛时冰场运动区温湿度参数要求^[1]。③ 网(桁)架区最不利工况为夏季雨季湿度大时，确保此时网(桁)架区域不结露。

　　 

　　该项目建设要求高。按照北京市体育局平昌冬奥会场馆考察意见和“训练严于比赛”的指导方针，场馆建设既要保障运动员的日常训练，还要具备承接高水平赛事的能力，设计时要充分考虑功能弹性。

　　3 空调系统设计

　　作为封闭式训练和赛事举办场地，北京市冰上项目训练基地功能较齐全，冰上正赛、冰上训练、陆上训练、赛事组委会、新闻媒体发布、教学办公、公寓等区域空调用能差异明显。结合空间、结构、功能、启停时间、使用频率等特点，基地空调系统划分为5个子系统：组合式空调系统、风机盘管加新风系统、冰场除湿空调系统、散热器供暖系统和教学公寓楼空调系统，如图2所示。

　　

　　图2 空调水系统原理图   

　　 

　　注：支路①组合式空调系统；支路②风机盘管加新风系统；支路③冰场除湿空调系统；支路④散热器供暖系统；支路⑤教学公寓楼空调系统；支路⑥、支路⑦为预留回路；CH-1～CH-4为地埋管地源热泵机组。

　　组合式空调系统用于冰球场运动区、观众区、新闻发布大厅等大空间区域，这些区域内目标参数统一，阶段使用特征明显。基地内共设各型号组合式空调机组32套，夏季冷负荷为1 680 kW,冬季热负荷为1 805 kW。

　　风机盘管加新风系统启停灵活，用于赛事组委会、办公室、会议室等区域，该区域夏季冷负荷为1 033 kW,冬季热负荷为560 kW。

　　冰场除湿空调系统用于8块真冰场运动区，用于防起雾和冰场上空网(桁)架区防结露，空调冷热水作用于前、后表冷器以实现温湿度精准控制，该部分夏季冷负荷为914 kW,冬季热负荷为541 kW。

　　教学公寓楼为独立建筑，使用功能以办公、起居为主。该区域空调末端以风机盘管和吊顶式新风机为主，夏季冷负荷为1 926 kW,冬季热负荷为1 898 kW。

　　散热器供暖系统仅冬季连续运行，用于整个基地的卫生间、浴室、更衣室等区域，末端形式主要为钢管柱型散热器，冬季总热负荷为334 kW。

　　此外，数据处理间、信息网络机房、运营商机房、UPS间、声控室及弱电机房等设机房专用恒温恒湿空调，数据分析间、竞赛指挥室、消防安防控制室、电视转播、灯光控制室等设多联机空调系统。

　　4 冷热源设计

　　项目无市政热源，场地西北侧规划有大片景观园林绿地，具备大范围埋管条件，如图3所示。按照整体能源规划和技术论证，地埋管地源热泵系统应用在北京市冰上项目训练基地，主要承担上述5个系统的空调供暖负荷。

　　

　　图3 基地总平面图   

　　 

　　基地运行后，运动员在教学公寓与训练场地间通勤，不同系统间将出现负荷错峰。经计算分析，基地夏季总冷负荷最大值为5 048 kW,约出现在计算日15:00,总冷负荷谷值为1 416 kW,约出现在计算日05:00,冬季总热负荷(稳态)为4 607 kW,计算日逐时冷负荷曲线图如图4所示。

　　

　　图4 计算日逐时冷负荷曲线图   

　　 

　　4.1 冷热源方案

　　在确定冷热源方案时主要考虑两方面因素：1) 为应对大型比赛时人员、通风、灯光等瞬时新增冷负荷的冲击，克服极端天气的不利影响，冷热源设计应考虑应急保障措施以提高保障度。2) 根据2018年发布的《北京市郊区非居民销售电价表》,延庆区一般工商业用电尖峰电价为1.463 7元/(kW·h),低谷电价为0.323 0元/(kW·h),二者相差3.53倍，充分利用谷电为场馆蓄冷，实际运行经济效益明显。因此，该项目冷热源采用“地埋管地源热泵+水蓄冷”的方案。

　　地埋管地源热泵机房和蓄冷水池位于地下1层，选用3台高温型螺杆式热泵机组和1台全热回收螺杆式热泵机组，总制冷能力5 185 kW,总制热能力4 731 kW。其中，2台用于基载，1台用于蓄能，1台全热回收机组可兼顾制备生活热水。夏季，机组直接供冷供/回水温度为7 ℃/12 ℃;冬季，机组直接供暖供/回水温度为58 ℃/50 ℃。空调水系统统一定压0.29 MPa, 最大工作压力0.70 MPa, 采用膨胀定压罐和全自动软水装置定压补水，各机组情况如表3所示。

　　蓄冷水池为长方体形，容积约2 000 m³。蓄冷机组在夜间非用电高峰期开启，将部分冷负荷储存在蓄冷水池中，蓄冷水通过上、下两层配水器形成自然分层。蓄冷工况机组出水温度4 ℃,释冷回水温度与蓄冷进水温度差10 ℃,蓄冷水池最大蓄冷量1 878 kW·h。蓄冷水池通过板式换热器向空调系统间接供冷，考虑到实际运行中水池保温冷损失和换热损失，一次侧供水温度约4～6 ℃,二次侧供/回水温度为7 ℃/12 ℃,与机组直供保持一致。

　　表3 地源热泵机组功能参数 

　　 

　　 

机组 编号	制冷/制热 能力/kW	蓄冷/蓄热 能力/kW	功能
CH-1	1 720/1 501	1 535/1 485	基载、蓄能
CH-2	1 720/1 501		基载
CH-3	1 074/864		基载、生活热水备用
CH-4	671/953		制冷(夏季)+生活热水
	844(制热)		生活热水(春、秋、冬季)

　　 

　　 

　　 

　　4.2 土壤冷热平衡分析

　　根据岩土热响应试验数据，项目所在地地层平均初始温度14.5 ℃,岩土体综合导热系数为1.93 W/(m·K),钻孔单位延米换热量参考值：夏季72.6 W/m, 冬季37.5 W/m。夏季最大冷负荷5 048 kW,约折合钻孔长度80 690 m, 相当于675个换热孔；冬季最大热负荷4 607 kW,约折合钻孔长度70 840 m, 相当于595个换热孔。因此，考虑15%安全系数后，共设计换热孔780个，埋管深度120 m, 换热孔间距5 m, 埋管区占地约19 500 m²,位于场地西北侧景观绿地下。

　　为了解决严寒地区地埋管地源热泵系统因供冷时间短、供暖时间长等原因造成的土壤冷热不平衡问题，设计时采用冷热平衡增强运行策略：一方面，冰场除湿时尽可能使用表冷器，最大程度减少电转轮除湿机启动率，将传统电转轮除湿机的能耗转移至地埋管地源热泵系统，既降低“碳排放”,又强化了系统向土壤释热；另一方面，考虑到冰场环境的低温特性，设计时运动员休息区采用局部供暖，以尽可能减少冷热相抵。冬季运行时，非使用时段执行低室温、低能耗控制策略，以降低空调负荷，减少地埋管地源热泵系统从土壤吸热。

　　结合延庆地区月平均气温数据和项目用能特点，设计时对全年冷热平衡进行了校核计算，延庆地区月平均温度如表4所示。夏季舒适性空调使用时长约3个月，除湿空调提前和延后使用各10 d, 地埋管地源热泵系统共向土壤释热约27 285 GJ/a; 冬季供暖期5个月，累计从土壤吸热约27 150 GJ/a。一个冷热周期内系统向土壤净排放热量135 GJ,平均地温约升高0.022 ℃,土壤年不平衡率为0.5%,地埋管地源热泵系统总放热量与总吸热量基本平衡^[2,3],如图5所示。设计时在典型区域设置监测井，用于长期监测地下温度场变化，便于通过运行策略及时调整土壤冷热平衡，对地源热泵系统健康运行意义重大^[4]。

　　表4 延庆地区月平均温度 

　　 

　　℃

	1月	2月	3月	4月	5月	6月	7月	8月	9月	10月	11月	12月
平均温度	-6	-3	4	12	18	22	24	23	18	11	2	-4

　　 

　　 

　　 

　　

　　图5 土壤吸、放热量柱状图   

　　 

　　4.3 运行策略

　　“地埋管地源热泵+水蓄冷”系统有“制冷机优先”和“水池优先”2种运行策略。“制冷机优先”策略用于保障重大赛事或应对极端天气，该工况下机组率先启动，当瞬时负荷激增、机组不能保证时，释冷水泵启动与机组联合运行；“水池优先”策略用于日常训练工况，此时空调冷热量需求不高，系统先释放蓄冷水池冷量供冷以缩减机组运行时间。

　　该项目中，地埋管地源热泵机组制冷/制热能力已基本满足整个基地日常训练需求，蓄冷水池作用体现在两方面：一是应对非设计工况，提升基地整体保障能力；二是承担部分白天空调冷负荷，降低运行费用。

　　5 冰球馆空调设计

　　5.1 概况

　　冰球馆位于1层，总建筑面积4 120 m²,最大净空高度18 m, 其中国际冰球比赛标准场地1 780 m²,冰面周边区1 240 m²。观众区1 100 m²,分布于冰场周边区南、西、北三侧，净空高度在8.0～13.5 m之间。为减小空调机组总装机量，降低观众人体湿负荷对运动区的影响，冰球馆空调系统进行了分区、分层设计，冰面上方4 m以内设运动区空调系统，屋面下方4 m以内设网架区空调系统，观众区设舒适性空调系统。冰球馆平、剖面示意图如图6所示。

　　

　　图6 冰球馆平面和气流组织示意图   

　　 

　　举办大型赛事时，运动区温湿度参照国际冰球联合会要求，冰面上空1.5 m处温度不低于18 ℃,相对湿度不大于45%,迎面风速≤1 m/s, 使运动区不结雾的同时最大程度保证运动员舒适性。考虑到项目功能弹性，运动区非赛事温湿度要求可适当放宽，设计时参照商业冰场按温度22 ℃、相对湿度55%取值；网架区空调室内设计参数全年恒定为温度28 ℃、相对湿度55%;观众区按一般舒适性要求，夏季空调室内设计参数为温度26 ℃、相对湿度55%,冬季空调室内设计温度18 ℃。

　　5.2 运动区空调

　　运动区空气处理装置采用“一次回风+电转轮除湿段”组合式空调机组，功能段如图7所示。气流组织采用侧送下回方式，送风管为低渗透率织物风管，吊装于冰面周边墙面，管中心距地4 m, 通过侧开圆孔水平送风，射程约20 m。回风口设置于场地长边两端，回风百叶窗底距地0.5 m, 设计风速≤1 m/s。

　　

　　图7 运动区组合式空调机组功能段示意图   

　　 

　　运动区防止起雾的关键是除湿^[5]。运动区湿负荷主要来自于运动员活动、新风引入、室外空气渗透、浇冰、融冰及观众区逸入。从能源利用角度，空调表冷器除湿能效最佳，但7 ℃冷水对应的空气露点含湿量仅5.7 g/kg, 难以实现深度除湿，因此，运动区空调系统采用“冷水(供/回水温度7 ℃/12 ℃)+电转轮除湿”联合除湿模式。

　　结合室外空气状态，组合式空调机组有最小新风比和风量调节2种运行模式，分别用于冬夏季和过渡季。最小新风比模式以夏季计算日比赛工况为例，新风经前表冷盘管，从状态点W(温度31.7 ℃,含湿量16.2 g/kg)变为状态点W′(温度19.0 ℃,含湿量12.5 g/kg),与回风混合后(状态点C,温度19.0 ℃,含湿量7.5 g/kg),经转轮除湿(状态点H,温度25.2 ℃,含湿量5.0 g/kg),再由后表冷器降温至状态点O(温度11.0 ℃,含湿量5.0 g/kg)送入冰球场，空气处理过程如图8所示。

　　

　　图8 夏季计算日比赛工况最小新风比空气处理过程   

　　 

　　注：N为室内状态点；N′为经风机温升后的回风状态点；O为后表冷器后的状态点；O′为经风机和管道温升后的送风状态点。

　　非赛事工况，运动区室内设计参数放宽至温度22 ℃、相对湿度55%,组合式空调机组仅通过后表冷器除湿即可满足室内设计参数要求。空气处理过程如图9所示，新风W与回风N′混合到状态点C(温度24.0 ℃、含湿量10.2 g/kg),经表冷器后变为状态点L(温度12.6 ℃、含湿量8.3 g/kg),考虑风机管道及转轮温升影响，送风状态点O″参数为温度16.0 ℃、含湿量8.3 g/kg, 此时转轮除湿机仅备用，适时启动。

　　

　　图9 夏季计算日非赛事工况最小新风比空气处理过程   

　　 

　　注：L为表冷器后状态点；O″为经风机、管道、转轮温升后的送风状态点。

　　延庆地区过渡季室外空气具备良好的除湿能力，以4月为例，平均气温12 ℃、相对湿度41%时，室外空气含湿量仅3.6 g/kg, 机组全新风运行即可实现。每年10月至次年3月室外温度较低，空调机组启动加热盘管、变新风量运行亦可达到室内设计参数要求。

　　5.3 气流组织模拟

　　设计中以冰球场地尺寸建立模型，以5.2节中送风状态为边界条件，采用CFD模拟气流组织，温度场和速度场分布如图10、11所示。

　　

　　图10 运动区温度场分布图   

　　 

　　

　　图11 运动区速度场分布图   

　　 

　　CFD模拟显示，冰场温湿梯度受送风温湿度、角度、速度影响较大，回风口距地高度越高，除雾效果越差，距冰面1.5 m处室内空气温度12.7 ℃,相对湿度43%、风速0.2 m/s, 运动区空调系统设计满足比赛工况参数要求。

　　5.4 观众区空调

　　观众区为开敞大空间，人员密度高、新风量大，湿负荷极易对运动区空调除湿造成影响。为了提高观众舒适度，减小气流组织对运动区影响，观众区空调采用座椅送风。设计时利用座椅下部空腔作为送风静压箱，送风口选用可调角度双层百叶，安装于每个座椅下方，单座椅送风量60 m³/h; 回风口选用单层百叶，安装于观众区背面侧墙上，回风口底部高出最后一排座椅4 m。同时，为充分回收排风热量、降低新风预热能耗，空气处理装置采用“二次回风+热管式热回收”组合式空调机组，设计排风量为新风量的1.05倍，以保持观众区对运动区的微负压。以夏季典型日为例，新风经显热回收后与室内一次回风混合至状态点C,冷却除湿至状态点L(干球温度13.2 ℃、相对湿度90%、含湿量8.6 g/kg),二次回风混合后至状态点O(干球温度19.0 ℃、含湿量10.2 g/kg),考虑送风机和管道温升等因素，实际送风温差在5 ℃以内。空气处理过程如图12所示。

　　

　　图12 夏季计算日观众区空气处理过程   

　　 

　　综上，小温差、低流速的设计更好地保证了观众区人员舒适度，同时观众区局部微负压，也在一定程度上降低了观众区人员散湿和新风湿负荷对冰场运动区的影响。

　　5.5 网架区空调

　　冰球场上空网架空间设置网架防结露空调系统，送风管采用柔性织物风管，沿网架区一侧穿网架布置，通过柔性风管侧向开孔对网架区送风，网架另一侧设置金属风道回风，使整个网架区域形成均匀的气流场，网架区风管布置及气流组织如图13所示。

　　

　　图13 网架区风管布置及气流组织示意图   

　　 

　　冰场网架结露是因为网架金属构件温度低于空气露点温度。湿空气在温度梯度作用下上浮，在顶部网架区域积聚，湿度增大进一步加剧了结露现象发生。特别是在夏季，空气相对湿度远高于其他季节，更易结露^[6],因此，网架区防结露，既要降温除湿，还要加热干燥。

　　相较于一般全空气空调系统，该项目网架区空调最大特点是不引入新风，通过纯内循环杜绝新风湿负荷。空气经表冷器降温除湿、再热盘管再热后送入网架区域。设计时，考虑到能源回收利用，再热热水由制冰机组提供，供/回水温度35 ℃/30 ℃。为了提升金属杆件对流换热效果，增加空气流速，网架区设计为二次回风系统。

　　经计算，网架区空调总送风量为62 000 m³/h, 约合换气次数4 h^-1,空调除湿能力约65 kg/h, 系统稳定运行可将空气控制在温度28 ℃、相对湿度55%。

　　6 冰壶馆空调设计

　　基地有2座冰壶馆，各设4条冰壶道，每个冰壶馆长50 m、宽27 m、净高7.5 m, 上空为钢桁架结构。冰壶道冰面温度-6～-5 ℃,空调风速应不大于0.2 m/s且不得直吹冰面，冰面上空1.5 m处干球温度应控制在12～14 ℃,相对湿度30%～35%,相较冰球馆环境要求更严苛。

　　为保证环境参数及净高要求，冰壶馆运动区、桁架区合用空调系统，组合式空调机组选型时加大转轮除湿能力，其他功能段与冰球运动区一致。空调送风采用低渗透率织物风管，沿冰场四周穿桁架布置，风管侧向开孔，由四周向桁架中心区域水平送风。冰壶馆侧墙低位设置单层百叶回风口，回风风速按1 m/s设计。冰壶馆平面及气流组织如图14、15所示。

　　

　　图14 冰壶馆平面图   

　　 

　　

　　图15 冰壶馆气流组织示意图   

　　 

　　经计算，冰壶馆夏季空调冷负荷为175 kW、湿负荷为52.4 kg/h, 组合式空调机组设计选型风量30 000 m³/h、除湿能力128.8 kg/h, 送风干球温度14 ℃、相对湿度13.6%、换气次数3 h^-1。CFD模拟显示，距冰面1.5 m处室内空气温度13.7 ℃、含湿量3.4 g/kg、相对湿度34.7%,满足冰壶比赛需要。

　　7 结论

　　1) 冷热源采用“地埋管地源热泵+水蓄冷”系统，实现了项目在能源利用方面采用新技术、新设备的绿色建筑理念，蓄冷水池提升了基地空调系统的整体保障能力，降低了运行费用。

　　2) 通过增加冷水除湿、合理局部供暖、冬季低能耗运行等设计手段，地埋管地源热泵系统夏季强化向土壤释热，冬季控制从土壤吸热，实现了岩土体的全年热平衡。

　　3) 冰场空调采用分层、分区设计，降低了大空间竖向温湿度扰动，解决了运动区除湿、观众区舒适度和网架区防结露问题。

　　4) 按正规赛事和商业冰场双工况，设计分级除湿空调和运行策略，在保障比赛的同时兼顾日常训练和大众健身，实现了功能多样。

本文引用格式：刘祖一，李冬，王天博，等．北京市冰上项目训练基地暖通空调设计［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：127-133．