室内人工冰场气流组织研究现状与进展

邵明宇 陈柏龙

1沈阳建筑大学（110168）2哈电（大连）电力设计有限责任公司（116000）

0 引言

室内人工冰场主要承担短道速滑，冰壶，花样滑冰，冰球等比赛，也可以供人们休闲娱乐所使用。在室内人工冰场享受冬季运动的人越来越多，预计未来新建室内冰场的需求还会增加。这些冰场通常应配备足够的除湿和供暖系统，为用户(观众和运动员)在所需的温度和湿度条件下提供最佳的气流组织。此外，暖通空调系统设计人员应采取措施，防止雾气在冰面上凝结，防止顶棚和壁面结露。

1 结露的原因和防结露措施

冰场结露的位置集中在顶棚和冰场周边的壁面上，造成结露的原因主要分为两个方面。首先，由于冰面温度较低，在冰面冷辐射的作用下，当冰场的顶棚和周边的壁面的内表面温度低于周围空气的露点温度时，就会使水蒸气凝结于顶棚或者壁面上。另外,当室外潮湿空气通过门窗等位置进入冰场后，使场内空气的露点温度升高，也会有结露的现象。顶棚和壁面的结露不但会造成对建筑物的损害，而且当露珠过多时会形成水滴滴落在冰面上，使冰面变得不光滑，影响冰场的正常使用。

特别在我国南方地区，夏季室外空气高温高湿,当温湿度较高的空气通过门窗等通道进入室内，就更容易结露。建议采用低传热系数，高反射率的屋顶，因为在夏季室外温度相对较高，由于太阳辐射和对流换热的作用，屋面外表面温度升高。使屋顶温度高于附近空气的露点温度，从而避免结露。但是不保温屋顶又加大了冰场的负荷，不同地区屋顶保温材料的选择要根据当地的气象参数选定。采用高反射率的屋顶可以减少冰面冷辐射的影响。当改变屋顶材料不能达到防结露的目的时，建议通过风机将经加热后的室外空气送入冰场内，使热空气在冰场的顶棚流动，以提高顶棚表面温度高于周围空气的露点温度。此外，也可以在冰场内加设除湿机，通过降低空气的含湿量的方式使冰场内空气的露点温度降低。

2 起雾的原因和除雾措施

人工冰场上方的雾气是由冷辐射和对流传热形成的。当冰场内空气干球温度较低和相对湿度较高时，空气中的水蒸气就会凝结出来，在冰场中形成雾气。此外，当冰面上方空气不流动或者流动速度较慢时，会使下半部分空气持续降温，当空气进入雾区，就会形成雾气。冰面上起雾，使冰面上活动区域的可见度明显下降，导致运动者无法正常活动。

现阶段我国人工冰场的除雾方法分为两种方式:①局部除湿，常用除湿系统有冷却除湿、转轮除湿和溶液除湿;②采用合理的气流组织方式，文章将详细介绍。

3 室内人工冰场常用的气流组织方式

室内人工冰场的设计应使冰面周围不形成雾，以便在暖通空调系统设计方面为用户提供一个舒适的室内空间。为了解决这个复杂的问题，许多研究人员一直在努力进行多项研究以优化室内溜冰场的气流组织方式。

首都体育馆在设计之初，设计师比较了三种气流组织方式。①侧送下回，优点是顶棚上没有管道，节省了成本，缺点是地面风速低于0.2 m/s；②顶部管道及顶部风口送风，其优点是空气供应均匀，能够满足地面风速的要求，缺点是有很多管道，增加了负荷；③顶部条缝送风，其优点是空气供应可以满足地面风速的要求，而且管道不进入天花板，缺点是房间周围的窗户会产生一定程度的空气泄漏。经过进一步的研究，专家们决定采用组合的送风方式，即侧送风和顶部条缝送风组合的气流组织形式。

哈尔滨冰球练习馆的防止顶棚结露的空调系统安装在两侧壁面，喷口水平吹顶棚网架内，使空气在顶棚下的网架内循环。可以调节送风的温度，防止顶棚结露。冰面除雾的空调送风系统沿冰场的长轴方向布置，送风口布置在风管下侧，回风口高度在冰面2 m左右。进气吹出的汽雾被吸入进气入口，通过回风管道送入空气处理室。经热处理和去湿处理后，送入送风管。

北京某基地速滑馆在馆内顶棚安装了40台诱导风机，用于防止滴露现象的产生，工程人员采用自动控制技术，根据场馆内的使用情况，合理的控制诱导风机开启的数量，从而达到节能的目的。

4 CFD在冰场气流组织的应用

体育设施是对通风有特殊要求的建筑物，因此解决方案与公共或住宅建筑中的标准系统有很大的不同。通风设施的具体要求取决于建筑物的用途，例如人工冰场、游泳池、多功能场馆等。这些建筑在室内空气参数和实现这些参数的气流组织方面存在不同的限制。如室内游泳馆注重解决馆内的高温高湿，羽毛球馆更注重场馆内的风速要求。从保持体育设施内部足够的热湿条件的角度来看，室内人工冰场的设计必须考虑以下因素:使冰面周围不形成雾，顶棚和周围壁面避免结露，以便在暖通空调系统设计方面为用户提供一个舒适的室内空间。冰场由于冰面冷辐射的作用，通常计算过程较为繁琐，计算结果不够精确，近些年国内外开始采用CFD模拟冰场的速度场、温度场、湿度场，PMV和PPD等参数，为之后的设计作为指导。

束庆利用CFD模拟了上海某大型购物中心冰场的温度场分布、PMV指数和PPD指数。指出国内外冰场设计参数的不同，国内冰场的设计更偏向于舒适性，即把冰场内运动者的舒适度放在第一位，而国外的设计对冰场温度的控制较差，更倾向于控制相对湿度。在模拟结果中可以看出，在避免冰场结露和起雾的同时，也能满足运动者的舒适度[1]。

于腾等人以天津大悦城滑冰场为例，利用CFD数值模拟和试验的方法，研究了回风口位置对除雾效果的影响，模型中冰场采用上送下回的气流组织方式，分别将回风口高度设置在距离地面1.5 m，0.8 m，0.3 m的位置。通过对Fluent软件的模拟数据和试验数据的对比，两者结果中温湿度相差不大。之后通过焓湿图得知当回风口位置在0.3 m时比0.8 m和1.5 m的除雾效果好[2]。

Jones & Whittle描述了CFD用于建筑气流预测的现状和能力，Jian等人和Yang等人使用CFD模拟大空间通风的空气质量。然而，这些研究没有计算供暖和制冷负荷。Bellache等人使用CFD程序在二维和稳态条件下进行了数值模拟，预测了室内人工冰场的温度场，速度场和湿度场。他们的CFD程序还计算了由于空气对流、水蒸气冷凝以及来自墙壁和天花板的辐射至冰面的热量。后来Bellache等人改进了这个二维CFD模型，包括瞬态现象、冰面的传热量、灯光的辐射量以及冰场修复时的散热量。然而，这些二维模型不能准确地再现冰场内的空气流动，而冰场内的空气流动必然是三维的[3]。

Denisikhina等人介绍了安装在索契体育场的空调系统，该场馆可容纳1.2万名观众，在溜冰场场馆顶部采用了混合通风系统，并设有送风口和回风口。对该通风系统进行了数值分析和试验研究。数值计算结果与实测结果有4%~7%的误差。另外，当送风温度保持在18℃，冰面周围的空气温度保持在12℃~15℃，并保持室内溜冰场上部区域的温度在24℃~26℃，此种状态下冰面的质量能够满足使用要求。Lestinen等人研究了位于瑞典马尔默的一个可容纳13 000名观众的多功能场馆的气流组织形式，该场馆采用了置换通风和混合通风相结合的方法。根据CFD模拟结果，温度上升2℃时室内溜冰场的温度分层现象较弱。此外，低座位区的温度在13℃~17℃，高座位区的温度在15℃~17℃。该空调系统不能满足观众的舒适度要求[4]。

5 分析与展望

室内人工冰场可采用局部送风的方式，即对顶棚，冰场空间内，观众席分区送风。观众席设置独立的空调系统可提供较高的空气品质和热舒适性。此外，在冰场四周安装透明的屏风，屏风在保证观众安全的同时也能减少观众席和冰场的能量交换。

CFD数值模拟可以精准的预测出室内人工冰场的速度场、温度场、湿度场、PMV和PPD等参数，随着CFD的不断发展，模型的建立会进一步细化，模拟的结果一定会更加精准。