冬奥会主媒体中心空调系统设计及运行
1 工程概况
国家会议中心二期主体工程位于北京奥林匹克中心区，占地面积9.26万m2,总建筑面积41.6万m2,主要功能为展览、会议、主会场、大宴会厅、屋顶花园、办公等，与二期配套工程和相邻的一期工程共同组成总规模超过130万m2的多功能的国家会议中心。
2022年北京冬奥会和冬残奥会主媒体中心(MMC)和其他赛时功能建筑面积约为24万m2。MMC包括国际广播中心(IBC)和主新闻中心(MPC),是奥运会历史上首次将IBC和MPC两大功能融合在一起，共用公共空间，节省了建筑面积，充分体现了节俭办奥运的理念。赛后该工程建筑的功能将转换为举办国务接待级别的大型会议和综合展示活动的会展功能。
赛时最重要的部分是IBC中的持权转播商(RHB)使用的技术区，该区域面积约2.66万m2,位于工程南半部分的首层和2层，2层平面见图1(图中CTA为数据机房，首层布局类似)。该区域为奥运会赛时广播电视运行中心，由奥林匹克广播服务公司(OBS)负责运营——将其分块租赁给世界各国的电视台，用于接收和发送在各个场馆制作的国际电视和广播信号，最终传输至全球数亿观众的电视机前。所有广播电信设备，包括接收和发送设备等都集中在此。运营商OBS对该区域内的环境温湿度及其设计方案都提出了具体的技术要求，交付使用后由OBS负责在区域内进行二次搭建、风道末端施工、系统调试和运行。
图1 RHB技术区2层平面图
2 赛时室内外设计参数
2.1 室内设计参数
RHB技术区是整个主媒体中心中最重要，也是温湿度要求最严格的区域。OBS提出的室内设计参数见表1。其余区域采用常规设计参数。
表1 RHB技术区室内设计参数
| 温度/ ℃ |
相对湿 度/% |
单位面积发 热量/(W/m2) |
净使用面 积/m2 |
|
| CTA | 21±2 | 50±10 | 700～1 200 | 2 900 |
RHB其他区域 |
23±2 | 50±10 | 168 | 23 700 |
2.2 室外空气设计参数确定
由于RHB技术区内部发热量大且基本处于内区，冬奥会期间需要向室内供冷。在计算冷负荷最大值时，如果按照文献[1]中提供的冬季空调室外计算参数计算新风负荷，总冷负荷会过小，多数时间无法满足使用要求。如果按照夏季室外计算参数计算，冷负荷过大，造成设备选型过大。设计中根据中央气象局提供的最近几年的气象参数相关数据，确定了用于计算空调最大冷负荷的室外设计参数。
在最冷时段，混合新风后的送风有可能达不到需要的温度，空气仍需要加热。计算最大热负荷时，采用文献[1]中提供的冬季空调室外计算参数。
同样，加湿量计算也需要考虑2月4日至3月13日室外不同气温时对应的相对湿度，按最不利工况确定，以此进行设计计算和设备选型。
表2给出了对应不同用途设计计算采用的室外空气设计参数。
表2 室外空气设计参数
用途 |
参数 | 数值 | 确定依据 |
计算空调最大热负荷 |
空调计算干球温度1 | -9.9 ℃ | 文献[1]冬季空调计算参数 |
| 空调计算相对湿度1 | 44% | 文献[1]冬季空调计算参数 | |
计算RHB技术区空调最大冷负荷及加湿量 |
空调计算干球温度2 | 23 ℃ | 中央气象局提供的最近几年的气象参数 |
| 空调计算相对湿度2 | 14% | 中央气象局提供的最近几年的气象参数 | |
计算供暖最大热负荷 |
供暖计算温度 | -7.6 ℃ | 文献[1]冬季供暖计算参数 |
3 空调系统
3.1 赛后空调系统
根据会议中心的使用功能，设置了全空气、风机盘管加新风、多联机等多种空调系统。
其中，赛时RHB技术区所在的1、2层赛后为大空间的会展用房，采用了过渡季可加大新风比的一次回风定风量全空气系统，部分空调机组冬季采用高压微雾加湿器，风机均可变频调速，空调机组送风机可根据人员数量等改变风量，排风机根据新风比的变化改变风量。
3.2 赛时RHB技术区空调系统
各国转播商所租用区域内不同用途房间的单位面积发热量并不相同，也不稳定，对于有分室控制需求的房间，设置风机盘管加新风或者变风量空调系统更为合适。但是RHB技术区内有大量转播设备，整个区域内不得有水管，也不能产生凝结水，不能设置风机盘管。如果采用变风量系统，仅在赛时1个多月内临时使用，末端和控制系统造价过高，而且各租赁区的分隔方案不确定时，无法设计变风量末端。因此OBS在历届奥运会均选择采用一次回风全空气定风量系统。空调系统图见图2。
图2 空调系统图
因RHB技术区要求相对湿度为50%,加湿量很大，设计采用干蒸汽加湿器，在室外设置了5台(四用一备)单台蒸汽量为1 000 kg/h的临时燃气蒸汽发生器。
在设计初期，为了节能，曾考虑赛时采用变新风比运行，即冬奥会期间最大限度地利用免费的新风作冷源。如按50%新风比进行计算，当室外温度低于7.5 ℃时，即使室内发热量最大，也不需要开冷水机组和水泵。但是加大新风量后，加湿量也大大增加，需为赛时多增加7台临时燃气蒸汽发生器，且赛后都得不到利用，这是不能接受的。因此，确定赛时空调机组为15%定新风比运行。
3.3 赛后利用及转换
3.3.1 空调设备
因赛时的空调系统形式与赛后类似，可全部利用为赛后选用的41台空调机组(风量范围为30 000～65 000 m3/h)组成12个空调系统，为赛时RHB技术区服务。空调机组各功能段均可赛时赛后共用，只是赛后加湿段中的加湿器由干蒸汽加湿器改为高压微雾加湿器。另外，赛后一些需要调换位置的空调机组均在设计图纸中进行了说明。
各空调系统均采用为赛后设置的变频排风机进行排风。根据防疫部门要求，冬奥会前调试期间需要加大新风比运行，变频排风机可根据新风比的变化加大排风量。
赛时空调风道阻力比赛后阻力约大400 Pa。原因是：赛时噪声标准要求高、消声器设置较多；回风管道需要接至每个分区域，长度增加；OBS要求每个分区域的送风管道末端要预留不小于180 Pa的静压。解决的办法是，与空调机组生产厂商协商，按赛时阻力选取曲线比较陡的风机，赛后通过调低频率，在风量基本不减小的情况下，减至所需的风压。
3.3.2 风道系统
因发热量最大的机柜等设备集中设置在CTA内并采用自带独立冷源的精密空调机组，与2008年夏奥会相比，为这些大发热量设备增加的赛时临时空调机组的数量大大减少，无需增加大量临时空调机房，为减少土建、风道、管道的拆改创造了条件。但精密空调机组赛后未能在该项目得到利用。
因赛时赛后建筑功能不同，风道的拆改是不可避免的。设计时，为方便赛后快速转换进行风道分层布置，全程采用了正向BIM设计技术，在三维模型中用不同颜色表示赛后需要拆除的管线，见图3。冬奥会结束后拆除图中位于下层的用蓝色和粉色表示的赛时风道即可转换成为拟于2022年9月举办的服贸会服务的风道系统。
图3 RHB技术区赛时风道系统三维模型
3.4 赛时RHB技术区空调机组空气处理过程及各功能段负荷计算
设计中选用了几个室内外的典型工况进行计算，用于对空调机组各功能段的校核或选型，不同工况时空调机组的空气处理过程见表3。其中，工况1用于计算空调机组冷却盘管制冷量和加湿器加湿量，工况4用于计算加热盘管加热量。
表3 不同工况时空调机组空气处理过程
工况 |
室外新风状态 | 室内发热量 | 空气处理过程 | |
| 温度/℃ | 相对湿度/% | |||
1 |
23 | 14 | 满负荷 |  工况2空气处理过程 |
2 |
-9.9 | 44 | 满负荷 | |
3 |
-9.9 | 44 | ≤99 W/m2 |  室内发热量较小时的空气处理过程 |
4 |
-9.9 | 44 | 0 | |
从工况1和2的计算结果可以看出，整个冬奥期间无论室外参数如何变化，在室内发热量为设计值时，对室内外混合空气均需进行冷却和加湿处理，不需加热。但是室内发热量设计值只是一个预估数据，而且并不恒定，当室外气温较低且室内发热量较小时，则需要对混合空气进行加热和加湿，例如室外空气温度为设计最低值-9.9 ℃,室内发热量低于99 W/m2(99 W/m2是既不用冷却，也不需加热的临界值)时的工况3。
3.5 赛时RHB技术区空调系统调节控制
3.5.1 风量初调节
OBS要求空调机组风机和排风机均采用变频风机，与赛后风机的配置一致。最开始为低风量运行，随着转播商入住，可根据需要加大风机频率。
若干空调机组通过送回风静压箱连接，送回风静压箱与若干尺寸相同的总支路和末端支路连接。OBS要求在送回风总支路上设置电动调节阀和风量计，并在各末端支路上设置手动调节阀，设置情况见图2。
OBS在冬奥会前按下列步骤进行了风量调节：
1) 根据需要的总风量调节和确定风机频率。
2) 根据各国转播商提供的房间分隔图纸进行末端支路施工时，将各租户内单位面积发热量相似的房间归入同一个总支路，各总支路所负担的区域发热量不同，需要的风量也不同。调试时根据需要，按每个风量计显示的风量，远距离手动调节电动风阀，使每个总支路风量调定在设定风量。
3) 根据各末端支路所服务房间的面积等实际情况，用手动调节阀调定每个末端支路的风量。
由于各支路压力相关，调节一个支路时，其他支路因系统压力改变，风量也会随之改变，需要不断重复调试。初始调节过程中，记录了风机频率对应的风量、所有电动阀的阀位、送回风静压箱的静压等数据。
笔者认为，用压力无关的定风量阀替代每根总支路上设置的流量计和电动阀，通过设定定风量阀的挡位调节风量是更好的办法，但成本更高。由于设置电动阀和流量计是OBS的一贯做法，因此本次设计未作改变。
3.5.2 室内温湿度控制
设计采用了传统的定风量系统的自控方式：监测空调机组回风温度，控制加热量或供冷量(即调节空调冷、热水阀门开度),改变送风温度；监测并控制送风温度不低于14 ℃(保证送风温差≤9 ℃);监测回风湿度，控制蒸汽加湿量。因同一个空调风系统服务的各个房间发热量不相同，也不稳定，监测平均回风温度不能精确地反映各房间的实际室温，这是没有采用分室调节的空调系统必然存在的问题。
根据OBS的要求，设计还增加了定送风温湿度控制加热量、供冷量、加湿量自控手段，与变送风温度控制可以根据实际情况选择使用。运行时，实际采用的就是这种控制方式，即根据经验对发热量不同的系统设定不同的送风温湿度，并自动控制使其恒定。当用户有反馈(投诉)时，远距离手动调节相关的总支路电动风阀，并根据风量计显示的风量确定总风量并改变风机频率，实际上形成了手动控制的简易变风量定风温空调系统。当区域内的使用情况稳定后，手动操作的情况并不多。
据OBS介绍，历届奥运会都是这样设计运行的，说明了他们具有成熟的系统调试和运行经验，对于短期使用且有大量运行保障人员24 h服务的奥运工程，也不失为一种简易可行的做法。也说明除了数据中心外，RHB技术区的其他区域对恒温恒湿要求并不像所提资料那样严格，重点是要保证广播电视转播设备所在空间温度不能高于23 ℃,另外还必须保证一定的相对湿度，不能产生静电。
3.5.3 空调机组防冻控制
冬季运行的最大难点是供冷的同时需要考虑盘管防冻。为了使新回风混合均匀，防止新风直接进入盘管段，新回风尽量在空调箱外混合后送入机组，但是受机房空间等条件的限制，很多机组未能实现。
最有效的措施是自控系统设置了防冻保护环节。当处于前端的加热盘管管壁上温度测点测得的温度低于等于5 ℃时，进入防冻保护控制模式，无论当时是冷却工况还是加热工况，均将热水阀打开至保证30%的水流量。如果此时是冷却工况，则热水盘管管壁处温度升高至8 ℃时解除防冻控制，热水阀关闭，冷水阀正常工作，调节开度维持回风温度恒定。由于盘管发生冻结危险的时段新风温度较低，不是冷负荷的最不利工况，经计算可知，盘管冷却能力的富余量基本可以抵消30%热水流量带来的热量，能够满足赛时使用要求。此防冻措施得到了OBS的认可。
4 冷源系统
4.1 赛后系统
冷源采用集中电驱动冷水机组及相关配套设备，设置6台单台制冷量7 737 kW(2 000 rt)的大冷水机组和2台单台制冷量2 110 kW(600 rt)的小冷水机组。空调水系统为四管制，空调冷水采用一级泵变频变流量系统，大温差运行(供/回水温度为5.5 ℃/13.5 ℃)。选用的制冷机组性能系数COP和综合部分负荷性能系数IPLV分别为6.43、6.76,冷源系统综合制冷性能系数SCOP为5.21,空调冷水循环泵的耗电输冷比ECR为0.019 7,均高于国家和北京市相关标准的规定值。冷源系统配置见图4。
图4 冷源系统配置
1.小冷水机组；2.大冷水机组；3.小冷却塔；4.大冷却塔；5.小冷却水泵；6.大冷却水泵；7.小冷水泵；8.大冷水泵；9.板式换热器。
内区冬季采用冷却塔供冷。冷源侧使用小冷水机组对应的冷却塔和1台小冷水机组配套的冷却水泵，设置板式换热器1台，空调冷水侧使用2台小泵。按文献[2]进行系统设计计算，满足供冷量的低温冷却水和空调冷水最高计算温度分别为11.5 ℃/13.5 ℃和13.0 ℃/15.5 ℃。
冷却塔供冷系统采用了以下冬季防冻措施：
1) 冬季不使用的冷却塔和室外管道均可泄空，使用的管道设置电伴热。
2) 冬季使用的小冷却塔下部设置了冷却水集水箱，使冷却塔集水盘不存水，并实现在室内补水。
3) 根据水温控制冷却塔风机启停；在小冷却塔总供回水管道间设置旁通管，并在每台小冷却塔管路和旁通水路上分别设置水温控制电动阀，控制低温冷却水温度不低于5 ℃。
4.2 赛时系统及赛后转换
沿用2021年东京奥运会做法，OBS将RHB技术区内之前分散设于各处的发热量最大的机柜等设备集中设在CTA内，采用自带独立冷源的精密空调机组(赛时临时设备),其余需要冷水机组承担的冷负荷约为3 980 kW,由为赛后设置的冷水机组提供冷量。赛时使用2台小冷水机组，1台大冷水机组作为备用，见图4中非阴影部分。
为了赛后能比较快速地将工程转换为国家会议中心功能，所有冷水机组及其配套设备、管道等全部一次性安装完成，赛时不使用的设施不供电，自控设施等也未全部完成调试。考虑到在室外气温比较低且室内发热量较小的时段，例如冬奥会开幕之前几个月的调试阶段，可以尽量利用冷却塔供冷来降温，以缩短冷水机组运行时间，在不增加任何投资的情况下节约能源，因此，为赛后设置的冷却塔供冷系统的全部设备、电动阀门及自控设施等全部通电并进行了调试，在赛时可以使用。
4.3 赛时冷源系统的运行
冬奥会在比较低温的冬季举行，但冷却塔供冷并未按赛时工况进行设计，是因为赛后所需冷却塔供冷量约1 100 kW,远小于RHB技术区最不利设计工况所需的3 980 kW冷量。如赛时也采用冷却塔供冷，则需要开启1台或多台大冷却塔，还需要大大增加板式换热器面积和防冻集水箱容积，且赛后不能利用，在短短1个月左右的使用期内节能量有限，无法回收增加的投资。另外，经过冷却塔的冷源水温度(不低于5 ℃)相对冷水机组的冷却水温度低很多，不利于防冻，安全性较差。
实际情况是，OBS接手RHB技术区后，在内部进行了房间分隔和末端风道施工，并逐步进行系统调试，前后长达7个月。后期调试阶段，室内设备、灯光等有一定的发热量，需要供冷，且已经进入冬季，所以基本采用冷却塔供冷。
因为有了调试阶段冷却塔供冷的经验，在冬奥会期间也采用了冷却塔供冷，并且保证了供冷量。
例如，2月4日冬奥会开幕式当晚，室外实测气温为-2.2 ℃,相对湿度为25%(湿球温度为-6.2 ℃),RHB技术区的室内发热量几乎达到了实际运行阶段的最大值，需要空调冷水供冷，但未开启冷水机组，采用了为赛后设置的冷却塔供冷系统。运行1台小冷却水泵和2台小冷却塔情况下，室内温度达到了要求，保证了开幕式的顺利转播。当时实测冷源侧的供/回水温度为6.6 ℃/8.1 ℃,水泵流量为550 m3/h。负荷侧供/回水温度为7.7 ℃/10.0 ℃,实测水泵流量为300 m3/h, 由此计算出供冷量约为900 kW。
之后到3月13日冬残奥会闭幕，一直采用冷却塔供冷，未开启冷水机组。期间室外最高温度出现在3月10日下午(干球温度18 ℃,湿球温度10.6 ℃,冷却塔出水温度11.9 ℃),据了解此时大部分转播商已撤离，少部分未撤离的也减少了人员，所以需冷量很小。通过记录的实测运行参数计算，整个冬奥会和冬残奥会期间，即使是在室外新风温度相对较高的白天，供冷量也均未超过2月4日晚的数值，说明室内发热量是冷负荷的主要部分。
冬奥会期间之所以能够采用冷却塔供冷，是因为：
1) 虽然冷却塔供冷的空调冷水温度高于冷水机组供冷设计水温(5.5 ℃/13.5 ℃),但利用了为赛后设计的空调机组，其冷却盘管的冷却能力富余量较大，能够满足赛时所需冷却量。
2) 赛时实际所需总供冷量小于计算值，冷却塔供冷系统能够满足要求。
5 对冷负荷计算的分析和思考
RHB技术区空调总冷负荷计算值偏大，例如按2月4日晚的实际气象参数计算出的设计冷负荷为2 270 kW(不是室外温度23 ℃时的最不利设计工况的3 980 kW),而当晚供冷量只有约900 kW,仅为设计冷负荷的约40%,分析其主要原因如下：
1) RHB技术区内有一部分区域为OBS的办公用房和库房，发热量较小，其面积和位置需要根据最后的租用情况确定，OBS没有为这部分区域单独提技术要求。实际上有约5 300 m2的面积没有出租，约占RHB技术区面积(不包括CTA)的22%。OBS将这些用房集中在2个区域，设置了2个空调系统为其服务，冬奥会时这2个系统并不需要空调冷水，而是开启加热盘管供热。扣除这部分面积，按2月4日晚的气象参数计算出的冷负荷约为1 770 kW,实际供冷量约为此计算值的50%。
2) 因RHB技术区基本在内区，计算冷负荷时没有考虑围护结构的传热和冷风渗透。但冬奥会期间，因为赛后的建筑装修待完成，首层四面外门和幕墙的漏风形成较严重的穿堂风，导致内区走道很冷，也消除了一部分余热。
3) 即使考虑上述因素，计算冷负荷仍然比实际所需供冷量大很多。主要原因是：RHB技术区租用给各国转播商之后，各个国家会将自己租赁的区域分隔出办公室、演播室、制作室等不同功能的小房间，各房间单位面积发热量并不相同，而OBS提供设计资料时，还没有各国转播商提供的房间分隔图纸，只能按发热量较大房间的单位面积发热量提供。这是为了安全起见，对于必须确保万无一失的奥运会国际广播中心的技术区是必要的。
虽然导致了为赛时设置的冷源设备偏大，但赛后都可以利用，而且采用了冷却塔供冷，并不存在投资和能源的浪费。不过为了保险而层层加码，造成设计负荷远大于实际负荷，是空调冷热负荷设计计算时比较普遍的现象，需要加以注意。
对于一般工程，冷负荷计算值如超过实际值过多，会使冷水机组、输配系统、末端设备的容量过大，增加了投资，降低了冷水机组能效，增加了输配系统能耗。文献[1]强制要求对空调区进行逐时冷负荷计算，就是出于这种考虑。室内发热量在大型公共建筑中占比很大，一般都是预估，尤其是当室内设备、灯光、人员发热量较大，成为主要负荷时，设计人员更应准确地进行设计计算。另外，还要严格遵守文献[1]的强制性条文规定：“电动压缩式冷水机组的总装机容量，应根据计算的空调系统冷负荷值直接选定，不另作附加”。
6 结语
短期临时运行的奥运工程，尤其是奥运会国际广播中心这种需要确保万无一失的工程，设计中需考虑的重点与一般大型公共建筑不尽相同：
1) RHB技术区由运营方确定空调方案及一些细节做法。
2) 必须保证系统运行安全、万无一失，因此运营商要求所有设备按N+1的原则备用。
3) 赛时设备的选择和进行系统设计时，最大限度地考虑赛后利用，尽量减少投资和赛后转换的工作量。
4) 赛时使用日期短(冬奥会16天，冬残奥会10天),为临时使用。因此考虑节能措施必须在满足上述要求的条件下进行，在运行阶段可以灵活掌握，以最节能的方式运行。
本文引用格式：杨帆，汪波，徐竑雷，等．冬奥会主媒体中心空调系统设计及运行［Ｊ］．暖通空调，2022,52（6）：99-104．
[2] 北京市建筑设计研究院.北京地区冷却塔供冷系统设计指南[M].北京：中国计划出版社，2011:20.