中国中元国际工程有限公司 刘 鑫哈尔滨工业大学 张承虎
以冬奥会的筹办为契机，国家大力支持和引导滑冰场馆的建设，根据《全国冰雪场地设施建设规划(2016—2022)》要求，全国的滑冰场馆将由2015年的200余个增加至2022年的650个，冰雪场馆迎来建设高峰期。对于室内滑冰场，一般不是单一用途，而是常将滑冰场设置于综合体育馆内，依托于综合体育馆成为当前滑冰场建设的主趋势[1]。集室内滑冰场、篮球场、羽毛球场、文艺演出等功能于一体的冰篮综合体育馆，要求能够快速进行冰场和篮球场地切换，即冰篮转换。由于赛事功能的需要，在冰篮转换的同时，室内空调要求能够快速切换，以满足不同赛事对比赛大厅温度、湿度和风速的要求。因此，冰篮综合体育馆空调设计的核心是具备适应性和灵活性，适应性指比赛大厅温度、湿度和风速能够适应不同赛事的要求，灵活性要求比赛大厅的空调能够在多种工况间快速切换。
比赛大厅主要包括比赛区和观众席，是整个体育馆的核心功能区，也是空调系统设计的重点和难点，其空调系统设计的优劣，不仅直接影响比赛区能否达到赛事要求及观众区的舒适度要求，而且影响空调方案的经济性。
某冰篮综合体育馆位于甘肃省兰州市，总建筑面积40 750 m2，其中比赛中心场地建筑面积3 203 m2，地上4层，建筑总高度36 m，设8 000座(含活动座椅2 000座)观众席，为甲级综合型体育馆，主要用于承办篮球、体操、乒乓球等项目国际单项和国家级比赛，同时兼顾室内滑冰场、大型文艺演出等多重功能。比赛场地能够满足冰篮转换要求，冰场按国标规格的最大尺寸30 m×61 m(1 830 m2)进行设计。该项目于2019年完成设计并开工建设，预计2022年初竣工，并将作为省运会的主场馆。
图1为比赛大厅的分区示意图。比赛大厅根据使用功能可分为观众席和比赛场地2个区域。其中比赛场地的四周设有可伸缩的活动座椅区，当比赛场地作为篮球场、羽毛球场等非冰场功能使用时，可将活动座椅展开，此时比赛大厅从空间上又可细分为固定座椅区、活动座椅区和比赛中心。当比赛场地作为冰场功能使用时，需将活动座椅收起，此时比赛大厅由固定座椅区和比赛中心2个区域组成。
图1 比赛大厅分区示意图
1) 比赛大厅可用于承办滑冰、乒乓球、羽毛球、篮球等国家级比赛，不同赛事对室内环境要求如表1所示，其中乒乓球赛事的风速指距地面3 m以内高度范围的风速，羽毛球赛事的风速指距地面9 m以内高度范围的风速[2]。
2) 比赛场地作为冰场使用时，可进行冰球、花样滑冰、短道速滑、冰壶等运动。根据体育工艺的要求，举行各类竞赛项目时，冰场内的冰面设计温度如表2所示。此外，为保证冰面不起雾，在距离冰面高度1.5 m处的空气温度应为(15±2) ℃，距离冰面高度1.5 m处的空气相对湿度应小于70%。
表2 各类冰场项目冰面温度 ℃
冰场人员密度根据用途确定，当作为大众滑冰场时，按1.5～2.8 m2/人考虑，当进行花样滑冰时，按4.9 m2/人考虑[3]。体育馆内人员停留时间较短，因此将CO2允许体积分数适当调高，以0.15%计算，则对应的新风量为20 m3/(人·h)[2]。
3) 比赛大厅还可举办文艺演出、演唱会等活动。除观众席外，比赛场地中心也可能存在大量人员聚集，场内人员的散热、散湿量较大。因此，比赛大厅的空调系统应能灵活调节新风量，满足不同人员密度下的舒适度要求。
4) 观众席采用座椅送风，观众看台的上部和下部温差不宜太大，按不超过2 ℃考虑。
比赛大厅是综合体育馆最重要的场所，也是空调系统设计的核心，其设计的优劣直接影响比赛场地能否达到预期的使用功能。本文结合实际项目在空调系统设计过程中遇到的关键问题和难点，讨论比赛大厅适合的空调系统形式、系统分区、气流组织及运行策略。
3.1 满足比赛大厅多种功能对室内空调环境的要求
比赛大厅从空间上可分为观众席和比赛场地两部分，其中观众席由上、下2层看台及活动座椅区组成。比赛场地根据赛事和活动类型不同可分为篮球场、冰球场、羽毛球场、乒乓球场和演唱会5种运行工况。比赛大厅具有体积大、净空高且间歇使用的特点，空调系统既需要满足观众舒适度要求，又要满足各种体育赛事对室内环境温度、湿度及风速的要求，是该项目空调系统设计的重点和难点。
观众区的负荷特点为：人员密度大，比赛时观众密度可达2.0～2.5人/m2，热湿负荷及新风需求量大。在空间上前低后高，室内温度分布也是前低后高，在竖直方向有较大的温度梯度，靠近顶棚处容易形成高温空气层，尤其是在冬季更加明显。
比赛场地的负荷特点根据使用功能的不同，存在以下几种情况；
1) 当比赛场地作为篮球场、羽毛球场等非冰场功能使用时，将活动座椅展开，此时活动座椅区人员密集，散热、散湿量大，比赛场区人员较少，但对空气的温湿度，尤其是风速要求精度高。
2) 当比赛场地作为冰场功能使用时，将活动座椅收起，此时比赛中心分为冰面及周围环形休息走道区。
3.2 防止冰面起雾及顶棚结露
室内人工冰场的建筑形式为高大空间，受冰面对流换热和冷辐射及屋顶天窗热辐射的影响，室内空气在高度上存在明显的分层现象，竖直方向温度梯度大。根据室内热湿环境要求不同可分为冰面活动区、周边活动区、上空非活动区。根据以往的设计经验及冰场运行实测结果[4]，冰场空调系统设计的难点是防止冰面起雾和顶棚结露。
冰面起雾主要是由于冰面的对流换热和冷辐射引起的。冰面附近的空气温度接近冰面温度，在竖直方向上，随着高度的增加，空气温度迅速上升，直至接近室温。当冰面空气与室内空气混合后的状态点位于焓湿图的雾区时，即出现冰面起雾现象。
冰场的顶棚受冰面冷辐射的影响，内表面温度较低，当低于周围空气的露点温度时，就会导致顶棚表面结露。结露不但会腐蚀顶棚结构，严重时还会形成水滴掉落，影响冰场体育赛事的正常进行。此外，在春末的4—5月间，温和湿润的室外空气侵入，使场内空气的露点温度升高，也容易使顶棚结露[3]。
3.3 防火与排烟
比赛大厅属于人员密集场所，室内电气设备多，线路复杂，通风管道纵横交错，都可能成为火灾蔓延的途径，一旦发生火灾，容易造成重大伤亡事故，在设计中应贯彻“预防为主，防消结合”的方针。对于防排烟系统，应严格按照GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》进行设计。由于比赛大厅空间复杂，无法直接查表取值，根据GB 51251—2017中第4.6.6～4.6.13条的公式计算，排烟量为500 000 m3/h，管道风速按不大于20 m/s设计，排烟管道尺寸较大，与空调送风管道在顶棚交叉碰撞严重，并且顶棚的吊挂荷载较大。此外综合体育馆一般不做吊顶，还应考虑排烟风管与建筑体型的协调性。
4.1 比赛大厅环境空调设计与运行方案
4.1.1空调分区与系统形式
根据比赛大厅各区域的使用功能及负荷特点的不同，空调系统按观众席和比赛中心分区设置。观众席空调系统采用全空气二次回风系统，为了提高送风的均匀性，并减少单个系统的容量，将观众区空调系统划分为4个子系统，空调机房位于4个角落。每个子系统均由一套完整的双风机二次回风系统组成。由于观众席分成4个子系统，在演唱会期间，可根据舞台布置方位，灵活开启对应区域的空调系统，达到节能运行的目的。
观众区的气流组织为座椅下送风，中部集中回风。每个座椅的送风量为45 m3/h，送风温差为3～4 ℃，即夏季送风温度不低于20 ℃，送风器出风速度不高于0.4 m/s，至人体脚踝处风速不高于0.25 m/s，送风来自座椅下的建筑静压箱。该气流组织形式既可以满足人体舒适度要求，也较节能。双风机系统能够在过渡季全新风运行，也能在比赛间歇时间排除室内污浊气体。此外送风机和回风机均采用变频风机，能够灵活调节空调系统的送风量，以适应观众区的不同上座率，达到经济运行的目的。
比赛中心采用全空气一次回风系统，负担区域包括临时座椅区和比赛场地，气流组织为顶送下回。为满足不同比赛项目对场区温湿度、风速的要求，送、回风机均自带变频控制器，根据使用要求调节送风量及送风角度，控制末端风速。
比赛中心的空调系统配置双冷源，即在园区集中供冷冷源的基础上，另设1台空气源热泵机组。其中集中供冷冷源的容量按基础负荷确定，用于负担固定观众席和比赛中心场地的冷负荷，2 000座临时座位席的人体冷负荷由空气源热泵承担。空气源热泵的设置使比赛大厅的空调系统运行更加灵活，能够适应比赛大厅多种功能对室内空调环境的要求。当作为篮球场、羽毛球场、乒乓球场地使用时，空气源热泵的启停根据临时座位席的使用情况确定，当临时座位席上座率在50%以上时，可开启空气源热泵机组，与集中供冷冷源联合制冷。
对于排烟系统，为解决排烟风管布置困难的问题，根据GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》第4.4.3条，“排烟系统与通风、空气调节系统应分开设置；
当确有困难时，可以合用，但应符合排烟系统的要求，每个排烟合用系统的管道上，需联动关闭的通风和空气调节系统的控制阀门不应超过10个”，该项目排烟系统与空调送风系统合用末端风管及风口，系统示意图见图2。末端风口采用常开风口，共用风管的耐火极限按排烟风管设计，共用风管与空调机组的连接管段上设置70 ℃控制防火阀，平时常开，火灾时关闭；
共用风管与排烟风机连接的管段上设置排烟防火阀和排烟阀，平时处于常闭状态，火灾时打开进行排烟。
图2 比赛大厅通风空调系统示意图
4.1.2空调系统运行策略
以篮球场夏季工况为例，当临时座位席上座率为100%时为最不利工况，此时对比赛大厅空调环境的要求为：温度26～28 ℃，相对湿度55%～65%，距地面2 m以内高度范围风速≤0.5 m/s。比赛大厅人员由活动席观众和运动员组成，此处按2 050人考虑，新风量指标为16 m3/(人·h)，通过负荷计算，比赛大厅计算冷负荷为576 kW，湿负荷为199 kg/h；
空调采用一次回风露点送风系统，通过焓湿图计算可得，总送风量为151 010 m3/h，送风温度为15.5 ℃，机组总制冷量为622.5 kW。
表3给出了夏季工况篮球、冰场、乒乓球、羽毛球赛事的室内设计温度、相对湿度和风速，以及为满足温湿度要求，空调系统所需的送风量和制冷量。可以看出，作为冰场使用时，室内冷负荷、湿负荷均低于其他赛事，这是由于此工况无活动座椅区人员负荷，且屋顶天窗完全遮挡。因此活动座椅区的人员密度是引起室内冷负荷、湿负荷差异的主要原因，当活动座椅区上座率较高时，需开启空气源热泵机组，以承担人员产生的冷负荷。
表3 体育赛事夏季运行工况
2) 对于冰场，过大的风速会加速冰面融化，增加制冰系统的负担，一般宜为0.2 m/s[4]。
对于篮球、乒乓球、羽毛球3种赛事之间的转换，由于室内设计温湿度、冷负荷及湿负荷差异较小，故空调机组的总风量、空气源热泵的制冷量无需调整，关键在于控制工作区的设计风速，可通过改变送风口射流的运动轨迹，进而控制末端风速。
对于篮球场和冰场之间的转换，室内设计温湿度和风速均存在差异，需要同时调节送风量、末端风口及空气源热泵机组的制冷量。此外，对于过渡季，园区集中冷源不运行时，若全新风运行无法满足冰场所需室内温湿度要求，开启空气源热泵机组单独为冰场供冷。
4.1.3比赛中心气流组织方案探讨
对于综合型体育馆，室内环境空调设计的难点在于控制比赛区的平均风速，对空调系统及其末端风口的可调节性提出了较高的要求。该项目比赛中心的气流组织拟采用顶送下回，将处理后的空气均匀地送到比赛场地内的各个部位，以满足各区域所需的温度、湿度和风速要求。对于顶送风形式，其送风口有桶形喷口、双层百叶风口、旋流风口、条缝或孔板送风等多种类型可供选择。表4列举了采用顶送下回气流组织的典型综合体育馆，在其空调系统设计时，均充分考虑了大球比赛与小球比赛的工况切换，实测数据和运行效果均令人满意。
表4 国内典型综合体育馆比赛中心气流组织形式
综合考虑建筑的空间结构及使用功能要求，提出了适用于该项目的气流组织方案及风速调控方式，即气流组织采用顶部上送风、下回风，送风口采用导流叶片角度可调的旋流风口，控制方式为电动比例型。该送风口的导流叶片角度可以在0～90°内调节，进而改变送风射流的运动轨迹，可以竖直下送风或旋转射流送风。当进行篮球比赛或举办演唱会时，调为竖直下送风；
当进行冰上运动或小球比赛时，调整导流叶片倾角，改为旋转射流送风，调节导流叶片角度，以满足不同赛事工况的使用要求。
在规划设计阶段，确定气流组织方案后，还需要采取一定的手段来预测室内空气的分布情况，用于评估能否达到预期效果。空气分布的预测手段通常包括射流公式法、模型实验和CFD模拟仿真。虽然模型实验最可靠，但是预测周期长、成本高，较难在工程中使用[10]。射流公式法仅能反映射流主体段的流动特性，无法适用于各种复杂情况，如人员、灯光负荷的不同分布，送、回风口的不同布置，单独使用射流公式法势必导致较大的误差。CFD模拟仿真能够对室内空气分布进行详细的计算，但其计算结果的可靠性成为最大的难题。将射流公式法与CFD模拟仿真相结合，为在设计阶段预测室内空气的分布情况提供了一种较为可靠的新思路。CFD模拟仿真本身需要满足收敛标准，网格需要进行独立性验证，此外关键还要看计算结果是否符合物理事实。本文将射流主体段的经验公式及试验数据拟合的运动轨迹曲线与模拟结果进行对比，用于验证CFD模拟结果的可靠性。
该项目的空调系统按篮球场夏季工况设计，总送风量151 010 m3/h，送风温度15.5 ℃，风口布置高度25 m，风口尺寸500 mm×500 mm，风口数量46个，单个风口风量3 300 m3/h。
旋流风口形状及射流运动轨迹复杂，赵彬等人提出的N点风口动量模型可以准确模拟送风口的入流状态，并通过测试实验进行了验证[11]。本文所采用的旋流风口模型如下：将方形旋流风口等效为面积相等的9个小风口[12-13]，每个小风口代表一束出流，并根据导流叶片出风角度分解空间速度，分别定义流量入口边界条件。
对于篮球工况，导流叶片角度为90°竖直向下，此时无旋转射流。图3为比赛中心场地(x=0～30 m，y=0～60 m)区域内高度z=2 m的速度云图，统计得到其平均风速为0.396 m/s，最大风速为0.855 m/s，最小风速为0.02 m/s。
图3 z=2 m速度场
将每个风口射流主体的轴心风速作为研究对象，分析其在竖直方向的变化规律。图4给出了9个送风口的射流主体轴心风速随高度的变化曲线。可以看出各射流主体轴心风速的变化趋势相同，多数射流主体在z=3 m处的风速为0.5 m/s左右，能够满足篮球赛事的风速要求，但是无法满足乒乓球及羽毛球赛事的风速要求。
图4 90°导流叶片射流轴心风速随高度变化曲线
为了降低射流主体轴心风速，将导流叶片角度调为45°，气流沿叶片流动被迫产生旋转，此时将产生旋转射流。旋转使射流获得向四周扩散的离心力，相比于一般射流，其扩散角大得多，射程短很多，如图5所示。图6给出了9个送风口的射流主体轴心风速随高度的变化曲线。可以看出，相比于图4，射流主体风速衰减很快，多数射流主体在z=20 m处风速已经衰减至0.5 m/s。
图5 旋流风口附近速度矢量
图6 45°导流叶片射流轴心风速随高度变化曲线
本文对模型的可靠性进行了验证，由于旋转射流比一般的对称射流复杂得多，理论分析还不能完善地求出速度场，仅能通过一些典型试验反映其运动特征[14]。图7为旋转射流量纲一分速度图。可以看出vxmax/v0随x/d的增大衰减很快，与模拟结果相吻合。
注：v0为初速度；
vm为轴心速度；
d为风口当量直径；
x为射流前进方向；
vxmax为沿射流前进方向的轴向速度最大值；
vθmax为切向速度最大值；
vrmax为径向速度最大值。图7 旋转射流量纲一分速度
对于导流叶片角度可调的旋流风口，采用电动比例型控制方式时，当送风口的导流叶片角度在90～0°内调节时，送风射流将由圆断面自由射流逐渐过渡到旋转射流，射程也随之减小，实际运行时，可根据赛事不同调节导流叶片的角度，控制不同高度处的风速，以满足不同赛事的风速要求。
4.2 防结露和除雾措施
4.2.1顶棚防结露措施
赛场作为滑冰场使用时，为防止顶棚结露，比赛场上空桁架区域设有机械通风系统，如图8所示。冬季工况为全封闭系统，将室内回风加热后水平送出，使桁架表面温度高于空气露点温度，避免结露；
夏季工况为直流式系统，直接将室外空气水平送出，并设置集中排风。桁架通风系统运行工况如表5所示。
注：ts为冰场上空桁架表面温度；
tn为冰场上空桁架区域空气温度；
Mp为与排风机连锁关闭的电动两位风阀；
Mo为控制新风的电动两位风阀；
Mh为控制回风的电动两位风阀；
MR为水管流量调节阀。图8 桁架通风系统示意图
表5 桁架防结露通风系统运行工况
4.2.2除雾主要措施
1) 合理设计气流组织，降低回风口高度。
冰场的气流组织采用上送下回，回风口位于下部，使干燥的空气与冰面附近空气充分混合，当冰面上方2 m位置的室内状态点温度不高于24 ℃、相对湿度不大于70%时，能大大降低起雾的概率。此外在冰场的4个角落分别设置集中回风口，能够促进产生的雾气向场外溢出，由于冰场外的温度和湿度均比冰场内高，雾滴很快会蒸发成水蒸气而消失，达到除雾的目的。
2) 合理选择新风除湿方案，整体除湿与局部除湿相结合。
夏季在室内温度一定的情况下，相对湿度越大，露点温度越高，越容易起雾，因此冰场的除湿系统设计是空调系统设计的重点和难点。对于冰场，水分在蒸发的同时，冰面作为冷表面通过水蒸气的冷凝减少了一部分湿负荷，因此在计算中可以忽略这一部分的湿负荷，因为如果将冰面看作除湿系统，其除湿量要远比水分蒸发量多[15]。所以冰场的湿负荷来源为室外新风及冰面的人员散湿，其中主要散湿源为室外新风。
新风湿负荷主要与项目所在的气候分区有关，本文以甘肃兰州为例，室内外空气含湿量与新风除湿时长如图9所示，其中室内含湿量为室内空气干球温度24 ℃、相对湿度70%时对应的含湿量，工作时段为每天的08:00—18:00。
图9 兰州地区室内外空气含湿量与新风除湿时长
由图9可以看出，兰州地区气候干燥，即使在夏季，室外含湿量也只有在少数时间内高于室内含湿量(总时长95 h)，且室内外含湿量差较小。因此结合项目所在地区的气象条件，从技术经济角度综合考虑，该项目采用冷却除湿即能满足除湿要求。此外在冰场四周设置移动除湿机，用于降低局部空气的含湿量，从而降低空气的露点温度，达到除雾的目的。
冰篮综合体育馆集冰场、篮球场、羽毛球场、文艺演出等多功能于一体，对其空调系统的控制精度、适应性和灵活性均提出了较高的要求。
合理的系统分区及气流组织设计是空调系统设计的关键，观众席空调系统宜采用全空气二次回风系统，气流组织可采用座椅下送风、中部集中回风。为提高系统运行的灵活性，减少单个系统的容量，可将观众区空调系统划分为多个子系统，根据上座率开启对应区域的空调系统，达到节能运行的目的。
比赛中心可采用双风机全空气一次回风系统，气流组织采用顶部上送风、下回风，送风口采用导流叶片角度可调的旋流风口，控制方式为电动比例型。当送风口的导流叶片角度在90～0°调节时，送风射流将由圆断面自由射流逐渐过渡到旋转射流，射程也随之减小，实际运行时能够精确控制不同高度处的风速，以满足不同赛事的风速要求。
送风机和回风机均采用变频风机。该空调系统能够满足多种体育赛事对温度、湿度、风速等环境参数的要求，且作为冰场使用时，降低回风口高度能够缓解冰面起雾现象。
赛场作为滑冰场使用时，为防止顶棚结露，比赛场上空桁架区域可设置机械通风系统。冬季工况为全封闭系统，将室内回风加热后水平送出，使桁架表面温度高于空气露点温度，避免结露；
夏季工况为直流式系统，直接将室外空气水平送出，并设置集中排风。