独墅湖体育馆主赛场场馆空调系统改造设计及分析

张 勇， 姜肇锋， 刘成兴， 印伟伟， 汤爱奇

（中衡设计集团股份有限公司，江苏 苏州 215021）

0 引言

苏州独墅湖体育发展中心位于苏州独墅湖科教创新区内，其作为苏州市重要的体育场馆，自2006年竣工投入使用以来，承办了国际男篮挑战赛等各种国际国内大型赛事。独墅湖东主体建筑一层为展厅、商店等用房，二层至四层(标高5.50m至标高27.0m)为体育馆部分。体育馆内层高21.5m，场馆内分为比赛区和观众区，体育馆东、西、北三面均设有移动座椅，南面为主席台及VIP观众席区。

独墅湖东主体体育馆内采用2台1163kW直燃型溴化锂机组进行制冷和供热，同时场馆内空调系统采用全空气系统，分别在二层和三层东南角和西北角合计设置4处空调机房。二层每个机房内布置40000CMH和50000CMH组合式空调处理箱各一台；三层每个机房内布置50000CMH组合式空调处理箱各一台（如图1所示）。

体育馆比赛区域空调系统气流组织为馆内空气经二层东西两侧标高6.5m处低位均匀分散设置的百叶风口分别回风至二层两个空调机房内与新风混合经空调箱处理后，送至馆内标高18.2m处东西两侧高位喷口喷射至比赛场地区域。体育馆观众区域空调系统气流组织设计为馆内空气经二层南北两侧标高6.5m处低位均匀分散设置的百叶风口和东南西北四侧标高18.2m处高位均匀分散设置的百叶风口同时从场馆高位和低位回风至两处竖向回风干管，再同时与二层和三层空调机房内空调箱回风风管连接，回风与新风混合经空调箱处理后送至观众区座椅下部土建腔体(送风土建静压箱)，再由均匀布置的固定座椅专用旋流风口经阶梯侧面送出。场馆内标高6.5m处的低位回风百叶设置于活动座椅储藏室内(前排固定座椅下方)。

随着场馆使用时间的延续，用于独墅湖东主体建筑的2台1163kW直燃型溴化锂机组已经使用十年左右，机组性能急剧衰减、效率大幅降低，加之原有空调送回风管路损毁、土建送风静压箱热惰性等原因，独墅湖东主体建筑空调系统已无法满足正常运行时的空调需求。

图1 原设计空调送回风系统示意图Fig.1 The original air conditioning distribution system schematic diagram

1 空调系统改造方案设计

项目改造方案从更换空调冷热源主机、修复及优化送风管路两个方面来进行，具体如下：

1.1 空调冷热源主机

体育场馆空调部分负荷工况时常占比较大，结合场馆分区控制运行的思想，选用直流变频驱动技术、高效换热器技术、过冷器技术、基于工业微机的智能喘振技术以及磁悬浮无油运转技术的先进高效节能的磁悬浮离心机组，其在部分负荷工况下，可以实现负荷在5%～100%范围内智能无级调节，IPLV值在10.5左右远高于等同工况下的常规离心机组(IPLV为7.5)。同时磁悬浮离心机组无润滑油系统，运行维护要求低，智能控制程度高。

结合场馆特点，经过空调负荷校核计算，改造设计中选用1台1500kW磁悬浮离心机组和2台580kW燃气热水锅炉替代原直燃型溴化锂机组。原有直燃型溴化锂机组暂时先并入系统作为备用冷热源。

1.2 优化送、回风管路

现有空调送回风系统经过几年的运行，经过检查发现其存在如下问题：1）固定座椅下部土建静压箱为混凝土结构，未采取任何保温措施，将其作为送风口，由于静压箱的蓄热导致送风温度偏高；2）部分送风管路严重损坏，影响系统送风。

针对以上问题，结合工程实施难度，特提出如下修复及优化送、回风管路方案：

将观众区域原座椅风口改用作回风，则土建腔体由送风静压箱功能转变为回风静压箱功能。将体育馆内6.5m标高处低位百叶风口和18.2m标高处高位百叶风口由回风功能转变为送风功能。场馆内18.2m标高处原东、西两侧高位球喷送风系统保留不变；将南北两侧原高位回风支路改造，原百叶风口改为球喷送风；6.5m标高处原东、西两侧高位回风支路不变，以利用原百叶风口实现高位观众区域的空调送风。

将改造前后的气流组织形式制表对比，见表1。

表1 改造前后气流组织对比Tab.1 Comparison table of airflow before and after retrofit

1.3 分区域独立运行

原系统中通过竖向干管将低位和高位管路系统连接在一起，运行时赛场区域、低位观众席区域和高位观众席区域都需要打开。在某些小规模活动中，仅赛场区域及低区观众席区域需要空调，全部打开造成能源浪费。

改造设计中竖向干管在中间断开，二层机房空调处理箱与低位送风连接，三层机房空调处理箱与高位送风连接，将低位送风和高位送风系统分开。实现场馆内比赛区域、低位观众席区域和高位观众席区域的空调系统分区独立控制运行,具体改造后系统流程如图2所示。

通过以上改造，实现体育馆分区域独立运行的目的，这对于体育馆承办一些小规模活动等仅使用赛场区域及低区观众席区域的情况节能收益较大，实现了节能运行。

图2 改造后空调送回风系统示意图Fig.2 The retrofitted air conditioning distribution system schematic diagram

2 改造方案气流组织CFD模拟验证

针对该改造工程，为确保体育馆内温度场、速度场满足舒适度要求和比赛场地的风速要求，结合现有文献[1-2]，在改造前采用Airpak 3.0软件对体育馆的空调送风气流组织进行CFD模拟。

以体育馆为建模主体，根据设计和现场实测数据确定送回风口风速、温度、风量及风口扩散系数，场馆灯光发热量和人员发热量以点热源代替(合理简化)。对空气采用boussinesq假设，计算采用标准K-ε模型、simple计算方法进行模拟，并给出了X方向和Y方向的典型平面温度场和速度场分布：

从图3和图4(相对标高1.6m高度平面温度场、速度场分布)中可以看出，场馆中心区域温度为21～24℃，风速为0.5～1.0m/s，出风口区域温度为20～21℃，风速为1.5～4.0m/s，场馆周边区域温度为23～25℃，风速小于0.8m/s。因此该改造方案在典型X平面内基本满足体育场空调需求。

图3 体育馆1.6m高度温度场分布Fig.3 Temperature field distribution at 1.6m height in the gymnasium

图4 体育馆1.6m高度速度场分布Fig.4 Velocity field distribution at 1.6m height in the gymnasium

高位设置球形喷口(13m/s、17℃)和下送风口(4m/s、17℃)，为检验改造后座椅回风形式的效果，列出Y轴向截平面温度场分布和速度场分布图（如图5、图6所示）。从图5和图6(Y轴截平面温度场、速度场分布)中可以看出，座椅回风区温度为23～26℃，风速小于0.4m/s，场馆中心区域（高）温度为20～22℃，风速为1.0～2.2m/s，场馆中心区域(低)温度为21～23℃，风速为0.4～1.2m/s。因此该改造方案在典型Y平面内基本满足体育场空调需求。

图5 体育馆Y轴截平面温度场分布Fig.5 Temperature field distribution along Y axis cut plan in the gymnasium

图6 体育馆Y轴截平面速度场分布Fig.6 Velocity field distribution along Y axis cut plan in the gymnasium

气流组织模拟分析结果表明：改造后的空调系统能够基本满足比赛区域和观众区域的舒适性需求和场馆使用要求。

3 空调改造实际运行效果

体育馆空调改造工程于2016年5月份开始施工，在近一个月的紧张施工后完成了除锅炉房部分以外的所有工程，如期赶上了2016年6月举办的国际男篮挑战赛。赛事举办期间，苏州室外气温在30～35℃，体育馆内室温达到约22℃，而且比赛区域和观众席区域温度都比较均匀，室内空调效果的改善明显。具体改造前后体育馆温度测点分布见表2。

表2 改造前后体育馆温度测点对比Tab.2 Comparison table of temperature at measure points before and after retrofit ℃

4 总结

本文针对独墅湖东主体建筑空调系统由于使用寿命和空调风管等系统导致的无法正常运行问题进行诊断，并结合相关使用条件进行系统改造，应用了磁悬浮变频离心式空调机组，经综合评价后，在改造项目或总制冷量较小的项目中，值得应用和推广。提出了分区控制，独立运行的系统方案，并进行施工设计，为同类问题的体育场馆的空调改造提供了思路和一定的借鉴意义。

[1]张欢，杨尚一，由世俊，等.体育馆空调气流组织的CFD模拟研究[J].暖通空调.2008(3):87-90.Zhang Huan,Yang Shangyi,You Shijun，et al.CFD simula⁃tion for the air distribution in a gymnasium[J].HV&AC,2008(3)：87-90．

[2]陈祖铭，钟朝安，丁力行.体育馆空调系统优化设计与节能分析[J].暖通空调.2009(8):36-39.Chen Zuming，Zhong Chaoan，Ding Lixing．Optimizing design and energy efficiency analysis of air conditioning systems in gymnasiums[J]．HV&AC，2009(8)：36-39．