冬奥冰上场馆热环境营造系统高效构建与实际应用

蔺文钰，刘晓华，高惠润，孙德远，张仟

0 引言

2022年北京冬奥会已经圆满结束，中国以实际行动兑现了“绿色办奥”的庄严承诺。通过充分改造既有体育场馆、绿色设计新建场馆。北京冬奥会最大化降低能源消耗，实现场馆内部热湿环境的高效营造。北京冬奥会为我国冰雪运动的发展带来了历史性机遇。为了实现“三亿人上冰雪”的目标，提高我国冰雪运动水平，冰雪场馆的建设需求相应增加[1]。探讨冬奥冰上场馆的节能运行方法与高效营造策略，对人工冰场的绿色设计有着重要的指导意义。

1 冰场环境营造的关键问题

人工冰场是一类室内热湿环境要求严格、能耗巨大的特殊体育建筑，服务于竞技比赛、体育训练以及各类大众娱乐活动。该类场馆通常是高度超过8m、面积超过1800m2的大型空间建筑[2]。人工冰场对于冰面质量及场内空气温湿度都有着严格的要求。根据功能、需求不同，冰场可划分为冰区和观众区，不同区域的环境参数要求各不相同。冰面及冰区是冰场的核心区域，其热湿环境参数也是环境保障的关键。若控制不当，会出现冰面融化、结霜、起雾、结露等环境问题[3-4]。图1总结了规范及文献中采用的冰场环境控制参数要求[3-8]。不同冰上运动场馆的室内热湿环境要求不同，娱乐冰场的空气温湿度控制参数相对宽泛，而专业竞技冰场则较为严格。

图1 冰上场馆室内热湿环境控制标准

制冰机组、除湿机组、空调机组等共同构成冰场热湿环境保障系统，是保障冰场运行的重要构成部分[3]。由于冰场热湿源多样，且同一高大空间内相互连接的各个分区环境需求不同，导致冰场室内热湿传递过程复杂，因此对热湿环境保障系统要求很高。制冷系统保障冰面质量，严格维持冰表面温度及其均匀性。除湿机组控制冰区环境，严格维持空气低湿。空调机组控制观众席环境，为观众提供较为舒适的观赛环境。

由于特殊的室内环境，冰场制冰空调系统运行时间是商业建筑的2.5～3倍[6]，消耗大量的能源。研究表明，冰场能耗巨大且构成复杂，单位面积能耗为300～700 Kw·h/(m2·year)[9]，年能耗为0.8～2.4 GWh/year[10]。瑞典冰场的统计分析指出，制冷系统在总能耗中所占比例最大，平均为43%[11]。在满足冰场环境控制要求的前提下，从降低需求、提高效率的角度出发，通过降低制冰空调负荷、提高制冷除湿系统性能等措施，可以有效降低冰场能耗，实现高效运行。本文将以改造场馆国家游泳中心为例，分析冬奥冰上场馆的节能措施，对人工冰场未来建设、节能设计与高效运行提供参考。

3 国家游泳中心示范应用

3.1 场馆概况

国家游泳中心“水立方”位于北京奥林匹克公园内，总建筑面积87，000m2，建筑尺寸为177 m×177 m×30 m。该馆竣工于2007年底，曾是2008北京夏季奥运会的标志性场馆之一，承担游泳、跳水与花样游泳的比赛任务。经过2020年改造工程后，“水立方”变身为“冰立方”，成为了2022北京冬季奥运会的冰壶比赛场馆（图2、3），也成为了世界上唯一既可以运行水上项目又可以运行冰上项目的“冰水交融”奥运场馆。国家游泳中心核心区域比赛大厅尺寸为116 m×60 m×28.8 m，冰区长55.6 m，宽30 m，周围设置1.2 m高围挡，内有4条冰壶赛道。

图2 “水立方”鸟瞰图

图3 “冰立方”场内图

图5 比赛大厅出入口气密性改造

图6.7 空腔通风示意及顶部核心筒

国家游泳中心冬奥冰壶改造工程克服了许多困难。纵观历届冬奥会冰壶比赛场馆，比赛大厅内高度范围为12～20 m，而“冰立方”比赛大厅高度接近30 m，是空间高度最大的冬奥冰壶场馆。“水冰转换”意味着要由高温高湿的水上运动场馆转变为低温低湿的冰上运动场馆，这给环境营造系统带来了巨大的挑战。需要指出的是，冰壶是对冰区环境要求最为严苛的冰上运动。根据世界冰壶联合会（WCF）规定[7]，冰面温度应控制在-8.5℃，冰面上方1.5m处的空气温度需保持在10℃，空气露点温度需小于-4℃，即含湿量应小于2.7g/kg，场内风速应小于0.2m/s。

环境营造团队以实现场馆可持续运营目标为根本，在严格满足环境控制要求的前提下在制冰、环控等方面进行科技攻关，为真正实现场馆绿色运维、可持续运行提供了重要技术支持。

3.2 围护结构

（1） 气密性改造

国家游泳中心共有8扇外门，核心区域比赛大厅在地下一层及地上一层均设置了出入口。建筑整体有着空间范围大、结构复杂、区域环境差异大的特点。室外渗透风是高大空间建筑空调负荷的主要来源之一，存在循环风量大、建筑能耗高的问题。不同功能区的空气流通会造成室内热环境分布不均匀，影响环境舒适性，不利于室内环境的营造。

2018年底改造前对水立方建筑整体进行气密性测试分析显示，建筑渗风量为261，000m3/h，其中62%的风从外门进入，38%的风直接进入比赛大厅。为了严格保障比赛大厅内部热湿环境满足赛事要求，同时减少环境营造能耗，对国家游泳中心进行了一系列的气密性改造工作：将密闭性较差的推拉外门改造为双层门斗滑移门，避免在冬季迎风北面开启多扇外门；封堵比赛大厅主要渗风口及缝隙，所有出入口加装磁吸门帘（图4、5）。2019年底气密性改造后再次对建筑整体进行测试，测试结果表明建筑渗风量与改造前相比降低了96%，观众席出入口的渗风量降低了85%，气密性的增强大大降低了室外环境产生的不必要影响，降低了环境营造需求，助力场馆实现低成本运营。

图4 建筑出入口气密性改造

（2）空腔通风

国家游泳中心的围护结构为双层气枕形式，以钢架及其中部龙骨作为支撑体，中部填充由3或4层ETFE膜制成的气枕，属于透光围护结构。外侧加涂镀点起到一定反射阳光的作用。为了避免围护结构温度过高，设计空腔机械通风为夹层降温。室外新风从底部新风口进入，先后通过格栅、百叶，再由夹层底部大量圆形新风入口进入空腔。位于场馆内部建筑顶层的机械排风机将夹层上部的热空气经由排风管，从位于顶部核心筒的排风口处排出（图6、7）。

测试赛期间分别运行无通风工况及空腔机械通风工况，对夹层及室内热环境进行测试，以分析机械通风的运行效果。图8给出了两种工况下夹层内空气温度及内壁面温度的测试结果。在无通风工况下，由于日间太阳辐射的作用，夹层顶部温度逐渐升高，至下午15:00左右达到峰值27.8 ℃，空腔内热量只能通过夜间围护结构传热缓慢散出。在开启机械通风后，空腔顶部温度显著降低，日间最高温度为20.9℃左右。根据现场实测调研数据分析，冰面维持阶段的制冰负荷占比如图9所示，其中屋面长波辐射换热占比高达45%。通过空腔通风，比赛大厅顶面平均温度从20.0 ℃降低至16.9 ℃，冰面与顶棚的长波辐射换热量减少，冰面维持制冷负荷降低8.8%，对冰场节能运行有重要意义。

图8 空腔通风效果测试

图9 国家游泳中心制冰负荷占比

3.3 空气调节

冰场室内为典型的非均匀热湿环境，区域需求、冷热源及湿源分布特征均不同。为了保证冰区环境控制精确，传统冰上场馆的通风方式以全空间空调为主，即控制冰区全高度的热湿环境，送风位置多位于顶部，末端以喷口为主。而3m以上非人员活动区域实际无控制需求，仅需避免顶面温度过低所导致的结露问题。全空间控制会增大除湿空调负荷，造成能源的浪费。为了实现节能运行，“水立方”采用了分区控制的方法（图10），观众席采用座椅送风保障观众舒适度，额定风量260，000m³/h；冰区采用局部除湿空调，即严格保障冰上人员活动区的环境温湿度参数，对于上部无人空间不加控制，除湿风量由4台转轮除湿机组提供，单台除湿机额定风量 15，000m³/h。

图10 分区控制方法

通过模拟分析得到局部空调的节能潜力显著优于全空间空调。局部空调所需的空调冷量与全空间空调相比减少了53%，所需的除湿量减少了51%[12]。在调试运行过程中，“冰立方”比赛大厅内曾采取过两种局部空调送风末端，即地面置换送风（图11）与2m高处布袋侧送风（图12）。对比两种不同末端方式的冰上垂直温湿度分布如图13所示。地面置换送风方式在围挡高度1.2m处出现了显著温湿度分界点，干冷空气在围挡内形成“冰池”，而布袋侧送则无明显分界。两种送风方式均能满足冰区环境控制要求，布袋侧送风的均匀性较好，而置换送风的节能潜力较大。由于置换送风会造成近冰面的空气扰动，综合考虑下最终采取了布袋侧送的末端方式。

图11 “冰立方”冰区置换送风示意图

图12 “冰立方”冰区布袋送风示意图

图13 不同末端方式下冰上垂直温湿度分布

（2）湿度控制阈值

冰面质量保障本质为控制冰面结霜量与升华量。冰面升华、凝华是由于近冰面空气含湿量与冰面温度对应饱和含湿量差所导致的，保障冰面质量即为控制这一湿度差在阈值范围内。在确定湿度控制范围时，需根据抑制/延迟结霜要求确定上限[13]，根据减少冰面升华损耗要求确定下限。而专业竞技冰场标准大多仅规定了空气含湿量的最高值以防止冰面结霜，对于下限尚未有明确规定。团队首次提出了针对冰壶比赛的冰上运动空气露点控制范围，突破现有国际标准中参数控制局限性，变传统经验式标准为科学定量地参数范围确定，为冬奥运动发展进一步做出贡献（图14）。

图14 近冰面空气湿度控制阈值

3.4 营造效果

为验证系统环境控制效果，2020年冬季进行了环境场测试，测试期间场内有运动员训练，除湿空调末端方式为布袋侧送风。重点监测0.1m近冰面及1.5m人员活动区空气参数，前者影响冰面与空气间的传热传质，而后者主要影响场内人员舒适性。选取典型日连续变化数据如图15- 17所示。当天室外温湿度变化范围为-7.5 ～ -1.6℃，0.73 ～ 1.16g/kg。

图15 测试壁面温度

冰表面温度根据国际制冰师的要求调整，全天平均温度为-4.7℃，波动范围为1.4℃。顶棚温度变化范围为13.1～19.8℃。该日室内平均送风参数为9.5℃，0.7g/kg。监测室内0.1m处空气参数为 10.3 ～ 13.4℃， 2.2 ～ 2.9g/kg，1.5m 处空气参数为 11.5 ～ 13.7℃，2.3 ～ 2.8g/kg，均随室外参数变化而小幅度波动。场内风速均小于0.2m/s。

图16 测试空气温度

图17 测试空气湿度

经测试检验，冰立方室内环境参数均满足奥运比赛要求。

4 结语

本文以“冰立方”为例，揭示了北京冬奥冰上场馆环境营造中“可持续”的智慧。该场馆通过气密性改造降低了96%的建筑渗透风，减少了渗风负荷；通过空腔机械通风使得顶棚温度降低3.1℃，制冷负荷降低8.8%；通过局部空调降低约50%的空调负荷。经测试验证，场馆冰区参数满足冬奥环境营造标准。该馆在北京冬奥会期间圆满完成了任务，国际奥委会主席托马斯·巴赫盛赞：“冰立方”是奥运场馆可持续发展的典范[14]。以国家游泳中心为例的冬奥冰上场馆环境营造的成功示范，也为人工冰场的节能设计与高效运行提供了宝贵的经验，促进了“碳中和”背景下冰雪场馆的发展以及冰上运动的推广。（本研究受国家重点研发计划项目课题（2020YFF0304303， 2019YFF0301504）、中建股份科技研发计划（CSCEC-2019-Z-7）资助，特此致谢。特别感谢清华大学张涛助理研究员、李凌杉博士研究生及中国建筑一局（集团）有限公司工程师周子淇对本研究提供的帮助。）