室内冰场暖通设计的节能策略探讨

张昕 王叶 刘京 王伟良 王芳 彭博 王博

1 中国建筑设计研究院有限公司

2 国家体育总局冬季运动管理中心

3 哈尔滨工业大学建筑学院

0 引言

伴随着2020 年北京冬奥会的各场馆建设和“3 亿人上冰雪”的政策引导，室内冰场在全国多地迅速涌现。作为高能耗体育设施，运营单位承受很大压力。室内冰场多采用制冷剂+载冷剂的间接制冷工艺方式（简称间冷系统），为降耗节费，新型间接制冷技术和直接制冷技术（简称直冷系统）在北欧、北美地区迅速发展，在国内也有尝试和应用。表1、2 是笔者收集的一些国内外冰场的能耗数据，从中可见室内冰场能耗之大。

表1 日本部分室内冰场能耗

表2 国内大中型室内冰场能耗

文献[1]提供的图1 和图2，显示了采用间接制冷技术的某冰球训练场地的能耗分布，可见暖通相关系统占比的权重。

图1 用电分布

图2 用热分布

综上可知，暖通设计如何响应绿色理念、为运营创造节能节费条件，是室内冰场可持续发展的关键。

1 设计标准的选择

综合考察国内外的设计依据和文献，发现室内冰场的设计标准较多且混乱，相互有矛盾之处。对于既有冰场进行分析，看到很多问题是设计标准采用不当引发的，能耗徒增，效果不佳。冰场设计标准应根据设计等级和功能选用，且由于冰场垂直高度温湿度不同的特征，标准中各参数还有区域性的要求，不同高度设计参数不同。

总结国内外多种设计依据比较研判后，笔者整理了室内冰场的冰场区域（FOP 区）设计标准（表3～6），供大家参考。

表3 专业竞赛冰场或高标准训练冰场室内设计标准

表4 普通竞赛或训练用冰场室内设计标准（较高标准）

表5 普通竞赛或训练用冰场室内设计标准（一般标准）

表6 娱乐性冰场室内设计标准

2 冷热源配置

对于室内冰场，冷热源配置是否合理有其特殊性，除了能源条件，地域适配性，冷热设备效率等因素外，还要从低温冷源效率提升，低温冷源与舒适性冷源关系，冷凝热回收应用等多方比较，才能得到节能导向的冷热源方案。

2.1 低温冷源效率提升

低温冷源的核心设备是低温制冷机组，其效率与制冷剂种类，机组构造形式，输出参数等正相关。

当前低温制冷机组常采用的制冷剂为R507a、R134a、R744（CO2）、R717（NH3）等，最新推出的制冷剂有R448/449，表7 是这些制冷剂热力学和物理性质[2]。

表7 常用制冷剂特性参数表

一般来讲，选择制冷系数较高的制冷剂，可以提高制冷的经济性。单位容积制冷量、导热系数、放热系数等制冷剂的特性，也会影响制冷系统的效率。此外，制冷系统的效率还与其它设备效率、综合能源利用等相关。

考虑全年运行时季节影响，间歇使用，标准多变和初冻负荷与维持负荷较大差异等特点，制冷机组常为多台并联，可实现负荷匹配和极端条件下的机组备用。单台负荷多为300～600 kW（蒸发温度为-15～-18 ℃，重大国际赛事时会要求低至-19～-23℃），要求部分负荷效率高、低噪声、寿命长，多机头设计的效果更好。

表8 是制冷机组厂家提供的部分数据，可见压缩机和制冷剂种类对冷机效率的作用。

表8 压缩机种类和制冷剂与制冷机组能效关系

制冷机组的额定冷量与输出条件对应，如冷凝温度、蒸发温度等，不同条件对应的冷量存在差异。所以设计中要先确定输出条件尤其是蒸发温度后，再进行机组选用，否则会造成机组低效率运行，耗电费能。如对于北京地区的60 m×30 m 冰面的娱乐型冰场，按照设计需求，选择蒸发温度-12 ℃时480 kW 冷机即可，然而有些设计师会选用蒸发温度-15 ℃对应的480 kW 冷机，标准无谓提高，COP 降低了6～8%，造成了不必要的能量损失。

2.2 低温冷源与常温冷源关系

面对冰面对室内环境的影响，很多设计师有这样的疑惑：夏季室内冰场是否可以取消舒适性空调系统，不设常温冷源？在调研中发现，部分娱乐型冰场、学校用冰场甚至一些训练场馆，确实没有设置夏季空调冷源，或者设置了空调冷源也不使用。文献[3]中对娱乐性冰场展开了讨论。

仔细调查和分析后，笔者认为：常温冷源和空调系统设置与否，应通过详细的计算和综合考虑来确定，强行取替则造成能源损失。

一是，标准较高的室内冰场需要空调系统和常温冷源调控室内的温湿度。比赛或高水平训练冰场，采用局部除湿设备不能保证除湿效果时，需要通过冷却除湿和固体除湿结合的方式实现全面除湿。同时还要控制低位空间的温湿度，防止冰面结霜、起雾等，因此常温冷源和空调系统必须具备。文献[3]的案例里，实际也需要常温冷源来处理新风负荷。在调研中发现，没有设置空调系统的冰场，结露、起雾、壁面腐蚀等问题较为突出，冰面品质也得不到保证。

二是，普通冰场是否设置常温冷源和空调系统，应有充分的设计依据。普通冰场是指对运行效果要求不高、对偶发的温湿度问题较能容忍的冰场，典型的是娱乐型冰场。

夏季，室内可资利用的冷负荷是冰面的“余冷”，即冰面对流放热负荷、对流传质负荷尤其是辐射传热负荷。“余冷”和室内空调冷负荷相当，且室内无其他冷源需求，则可以不设常温冷源，或者设置局部冷源。但冷辐射无法形成有组织、均匀的供冷，对局部环境如防撞垫、挡墙遮蔽的空间起不到调温控湿作用，没有其他辅助手段就会失控。在北京某娱乐型冰场内，夏季冰场运行时空调未开，围挡外底部多处结冰，冰面起雾，挡墙上均是细雾滴。所以，在设计决策时，应做好充分计算和模拟，判断是否设置。

三是，应采取措施尽量降低低温冷源的配置和供给。低温冷源比常温冷源电耗大，效率低。所以，当“余冷”不足以提供室内空调冷负荷，不能以此提高低温冷源的容量。

2.3 冷凝热回收应用

室内冰场运行时，一般有低温用热如防冻胀用热、低温地板辐射供热、防结露空调系统用热等，还有高温用热如除湿系统用热、浇冰用热、散热器供暖系统用热等。冰场周边还有淋浴、泳池等其他生活热水用热。面对多样化热源需求，如能将制冷系统冷凝热充分利用，那么综合能效将极大提升。举例来说，对于标准60 m×30 m 的训练冰场，采用制冷剂为R507a 的低温制冷机组，当间冷系统的供回液温度为-12 ℃和-10 ℃时，制冷量为540 kW，COP 约为2.12，机组部分回收冷凝热为130 kW。其余冷凝热若通过水源热泵回收，经计算总的冷凝热利用率可达85%。

制冷机组冷凝热回收的热水供水温度区间一般为40～60 ℃，对于特殊工艺如CO2超临界直冷系统，其冷凝热回收供水温度高达70～95 ℃，供热品质优异，用途更为广泛。

在冷凝热回收利用中，应注意供热品质、数量的匹配。对于低温用热应尽量采取余热直供，且保证热量供应，减少因换热带来的损失和辅助热源的消耗。对于特殊工艺中产生的高温余热热源，也采取直供方式加以利用。对于低温热源采取提升设备制取的高温热源，应经全年的能效、投资、运行费用等多方比较后，慎重选择适用对象，以免造成节能的假象。

3 冰场空调系统气流组织形式

空调系统作为冰场室内温湿度环境的维护者，其气流组织形式与冰场低位和高位空间环境的优劣密切相关。

冰场日常运营时，常见的与气流组织相关的问题有：①低位空间温湿度较高、风速较大，导致冰面湿度较大结霜或有雾、冰面局部融化等影响运动效果。②低位气流分布不匀，局部结露甚至结冰。③高位空间温度较高、增加制冰能耗，或者温度较低、人员体感太差也增加起雾、结露风险。④高位空间雾气较大，阻挡视线。⑤屋顶内表面或金属桁架区域湿度过大，产生结露，破坏冰面，甚至导致电路火灾隐患增加等。⑥观众区环境舒适度不足等。

本文重点在于冰场上空的气流组织形式，对观众区的空调形式不再赘述。

冰场气流组织形式一般为上送下回、上送上回的方式，该方式在很多工程中有所应用，其中不乏国际赛事的场馆。该方式实现全空间环境标准较高，与室内装修方案易结合，对于缺乏空调系统设置空间的大冰面或多冰面的场馆，及冰球等有挡墙阻碍气流的项目，气流组织不受影响，温湿度场均匀分布。弊端在于：冰场低位空间环境要求较高，高位空间要求不高，满足全空间则高位室内环境要求超标，代价是能源消耗较大。另外由于上送风流程较长，实现低位空间的室内参数达标较困难。

另一种常见的气流组织形式是同时设置低位和高位空调系统。低位空调系统采取侧上送下回、下送侧上回、地面送风侧上回风等方式，保障低位空间温湿度达标。高位空调系统一般是在桁架内设置防结露空调或者其他设施，如多联机系统、局部热风加热系统，目的是解决冷辐射造成的屋顶内表面或相邻的金属构件等表面低温高湿易结露的问题。与上送方式相比该空调系统针对性强，节能与功能双赢，更适合冰场要求。当然，低位空调系统也有它的局限性。首先它比较难与场地配合，需要和建筑、室内专业密切协作，才能将空调系统和场地结合，形成预期的气流组织。当场地设观众区空调系统时，两者易产生气流流线上的冲突。其次低位空调系统与冰面位置临近，设置不妥会对冰面产生破坏，干扰使用者开展活动。还有，低位空调受到场地设施的阻碍，如冰球场地周围2 m 高度的挡墙，短道和花样滑冰场地环绕的防撞垫等。采用CFD 模拟可以帮助设计师实现高精度的系统设计，十分必要。

其它的空调形式，多是以上两种形式的结合，与设计师关注的因素相关。例如考虑到顶送可能对冰面造成破坏，因此顶送风口设置在冰场周边的过道上空。还有的设计师采用喷口对射的侧送方式，旨在覆盖全部冰面等。各种气流组织方式评判的标准，其一在于是否效果能够达标，其二在于是否系统节能，两者缺一不可。

4 输配系统

输配系统指的是制冰用制冷系统的输配部分，对于间冷系统指冰场末端系统和载冷剂供回液系统，对于直冷系统则包括冷机至末端在内的完整系统。输配系统的耗电量在制冷系统中占比约为14%。

间冷系统中的节能要点，与普通制冷系统一致，即尽量降低耗电输冷比。典型间冷系统是采用一定质量浓度的乙二醇液作为载冷剂，那么随着冰温的降低，乙二醇液质量浓度增加，其粘性加大，则乙二醇液泵扬程加大、电耗提高。正确选择冰面设计温度，避免不必要的低温对输配能耗的降低是关键。管道管径的选择，以及冰面制冷盘管的布置方式也是重要的影响因素。管道多采用同程式布置，有利于系统水力平衡，冰面盘管多采用短边敷设成环，减少支管长度。

考虑到乙二醇液的特性，为降低输配能耗，间冷系统的载冷剂选择也有不同的尝试，国外和国内现有案例来看，采用CO2作为载冷剂的较多。CO2作为载冷剂，流动性好，粘度低，所以其循环泵的功耗小，耗电量约为乙二醇液泵的1/10。在制冰过程中CO2液发生相变，易于保持整个冰面温度的均匀性。

对于采用直冷系统的冰场，输配环节与采用CO2作为载冷剂的冰场原理和效果相仿。

与传统的制冷剂+乙二醇液载冷剂的冰场对比，资料显示：CO2作为载冷剂的间接制冷冰场和CO2、NH3、R22、R134a 作为制冷剂的直冷冰场，年电耗约减少40%～50%。

5 结语

与其它体育建筑不同，室内冰场的高能耗属性鲜明，对于其推广和应用有多重阻碍。针对高能耗的产生机理，性质和特点深入分析，精准定位运营方略，在设计阶段，从设计标准、设备配置、系统设计、工艺选择、智能化等各环节着手，定制系统性的节能方略，建设开放式管控平台，多管齐下，势必在运营过程中打造出可持续发展的、绿色运维的高效冰场，走出能耗困境，助推冰上项目的发展。