室內(nèi)冰場暖通設(shè)計的節(jié)能策略探討

張昕 王葉 劉京 王偉良 王芳 彭博 王博

1 中國建筑設(shè)計研究院有限公司

2 國家體育總局冬季運動管理中心

3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

0 引言

伴隨著2020 年北京冬奧會的各場館建設(shè)和“3 億人上冰雪”的政策引導(dǎo)，室內(nèi)冰場在全國多地迅速涌現(xiàn)。作為高能耗體育設(shè)施，運營單位承受很大壓力。室內(nèi)冰場多采用制冷劑+載冷劑的間接制冷工藝方式（簡稱間冷系統(tǒng)），為降耗節(jié)費，新型間接制冷技術(shù)和直接制冷技術(shù)（簡稱直冷系統(tǒng)）在北歐、北美地區(qū)迅速發(fā)展，在國內(nèi)也有嘗試和應(yīng)用。表1、2 是筆者收集的一些國內(nèi)外冰場的能耗數(shù)據(jù)，從中可見室內(nèi)冰場能耗之大。

表1 日本部分室內(nèi)冰場能耗

表2 國內(nèi)大中型室內(nèi)冰場能耗

文獻(xiàn)[1]提供的圖1 和圖2，顯示了采用間接制冷技術(shù)的某冰球訓(xùn)練場地的能耗分布，可見暖通相關(guān)系統(tǒng)占比的權(quán)重。

圖1 用電分布

圖2 用熱分布

綜上可知，暖通設(shè)計如何響應(yīng)綠色理念、為運營創(chuàng)造節(jié)能節(jié)費條件，是室內(nèi)冰場可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選擇

綜合考察國內(nèi)外的設(shè)計依據(jù)和文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)冰場的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較多且混亂，相互有矛盾之處。對于既有冰場進(jìn)行分析，看到很多問題是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用不當(dāng)引發(fā)的，能耗徒增，效果不佳。冰場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)設(shè)計等級和功能選用，且由于冰場垂直高度溫濕度不同的特征，標(biāo)準(zhǔn)中各參數(shù)還有區(qū)域性的要求，不同高度設(shè)計參數(shù)不同。

總結(jié)國內(nèi)外多種設(shè)計依據(jù)比較研判后，筆者整理了室內(nèi)冰場的冰場區(qū)域（FOP 區(qū)）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（表3～6），供大家參考。

表3 專業(yè)競賽冰場或高標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練冰場室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

表4 普通競賽或訓(xùn)練用冰場室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（較高標(biāo)準(zhǔn)）

表5 普通競賽或訓(xùn)練用冰場室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（一般標(biāo)準(zhǔn)）

表6 娛樂性冰場室內(nèi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2 冷熱源配置

對于室內(nèi)冰場，冷熱源配置是否合理有其特殊性，除了能源條件，地域適配性，冷熱設(shè)備效率等因素外，還要從低溫冷源效率提升，低溫冷源與舒適性冷源關(guān)系，冷凝熱回收應(yīng)用等多方比較，才能得到節(jié)能導(dǎo)向的冷熱源方案。

2.1 低溫冷源效率提升

低溫冷源的核心設(shè)備是低溫制冷機(jī)組，其效率與制冷劑種類，機(jī)組構(gòu)造形式，輸出參數(shù)等正相關(guān)。

當(dāng)前低溫制冷機(jī)組常采用的制冷劑為R507a、R134a、R744（CO2）、R717（NH3）等，最新推出的制冷劑有R448/449，表7 是這些制冷劑熱力學(xué)和物理性質(zhì)[2]。

表7 常用制冷劑特性參數(shù)表

一般來講，選擇制冷系數(shù)較高的制冷劑，可以提高制冷的經(jīng)濟(jì)性。單位容積制冷量、導(dǎo)熱系數(shù)、放熱系數(shù)等制冷劑的特性，也會影響制冷系統(tǒng)的效率。此外，制冷系統(tǒng)的效率還與其它設(shè)備效率、綜合能源利用等相關(guān)。

考慮全年運行時季節(jié)影響，間歇使用，標(biāo)準(zhǔn)多變和初凍負(fù)荷與維持負(fù)荷較大差異等特點，制冷機(jī)組常為多臺并聯(lián)，可實現(xiàn)負(fù)荷匹配和極端條件下的機(jī)組備用。單臺負(fù)荷多為300～600 kW（蒸發(fā)溫度為-15～-18 ℃，重大國際賽事時會要求低至-19～-23℃），要求部分負(fù)荷效率高、低噪聲、壽命長，多機(jī)頭設(shè)計的效果更好。

表8 是制冷機(jī)組廠家提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)，可見壓縮機(jī)和制冷劑種類對冷機(jī)效率的作用。

表8 壓縮機(jī)種類和制冷劑與制冷機(jī)組能效關(guān)系

制冷機(jī)組的額定冷量與輸出條件對應(yīng)，如冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等，不同條件對應(yīng)的冷量存在差異。所以設(shè)計中要先確定輸出條件尤其是蒸發(fā)溫度后，再進(jìn)行機(jī)組選用，否則會造成機(jī)組低效率運行，耗電費能。如對于北京地區(qū)的60 m×30 m 冰面的娛樂型冰場，按照設(shè)計需求，選擇蒸發(fā)溫度-12 ℃時480 kW 冷機(jī)即可，然而有些設(shè)計師會選用蒸發(fā)溫度-15 ℃對應(yīng)的480 kW 冷機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)無謂提高，COP 降低了6～8%，造成了不必要的能量損失。

2.2 低溫冷源與常溫冷源關(guān)系

面對冰面對室內(nèi)環(huán)境的影響，很多設(shè)計師有這樣的疑惑：夏季室內(nèi)冰場是否可以取消舒適性空調(diào)系統(tǒng)，不設(shè)常溫冷源？在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分娛樂型冰場、學(xué)校用冰場甚至一些訓(xùn)練場館，確實沒有設(shè)置夏季空調(diào)冷源，或者設(shè)置了空調(diào)冷源也不使用。文獻(xiàn)[3]中對娛樂性冰場展開了討論。

仔細(xì)調(diào)查和分析后，筆者認(rèn)為：常溫冷源和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置與否，應(yīng)通過詳細(xì)的計算和綜合考慮來確定，強(qiáng)行取替則造成能源損失。

一是，標(biāo)準(zhǔn)較高的室內(nèi)冰場需要空調(diào)系統(tǒng)和常溫冷源調(diào)控室內(nèi)的溫濕度。比賽或高水平訓(xùn)練冰場，采用局部除濕設(shè)備不能保證除濕效果時，需要通過冷卻除濕和固體除濕結(jié)合的方式實現(xiàn)全面除濕。同時還要控制低位空間的溫濕度，防止冰面結(jié)霜、起霧等，因此常溫冷源和空調(diào)系統(tǒng)必須具備。文獻(xiàn)[3]的案例里，實際也需要常溫冷源來處理新風(fēng)負(fù)荷。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，沒有設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的冰場，結(jié)露、起霧、壁面腐蝕等問題較為突出，冰面品質(zhì)也得不到保證。

二是，普通冰場是否設(shè)置常溫冷源和空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)有充分的設(shè)計依據(jù)。普通冰場是指對運行效果要求不高、對偶發(fā)的溫濕度問題較能容忍的冰場，典型的是娛樂型冰場。

夏季，室內(nèi)可資利用的冷負(fù)荷是冰面的“余冷”，即冰面對流放熱負(fù)荷、對流傳質(zhì)負(fù)荷尤其是輻射傳熱負(fù)荷?！坝嗬洹焙褪覂?nèi)空調(diào)冷負(fù)荷相當(dāng)，且室內(nèi)無其他冷源需求，則可以不設(shè)常溫冷源，或者設(shè)置局部冷源。但冷輻射無法形成有組織、均勻的供冷，對局部環(huán)境如防撞墊、擋墻遮蔽的空間起不到調(diào)溫控濕作用，沒有其他輔助手段就會失控。在北京某娛樂型冰場內(nèi)，夏季冰場運行時空調(diào)未開，圍擋外底部多處結(jié)冰，冰面起霧，擋墻上均是細(xì)霧滴。所以，在設(shè)計決策時，應(yīng)做好充分計算和模擬，判斷是否設(shè)置。

三是，應(yīng)采取措施盡量降低低溫冷源的配置和供給。低溫冷源比常溫冷源電耗大，效率低。所以，當(dāng)“余冷”不足以提供室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷，不能以此提高低溫冷源的容量。

2.3 冷凝熱回收應(yīng)用

室內(nèi)冰場運行時，一般有低溫用熱如防凍脹用熱、低溫地板輻射供熱、防結(jié)露空調(diào)系統(tǒng)用熱等，還有高溫用熱如除濕系統(tǒng)用熱、澆冰用熱、散熱器供暖系統(tǒng)用熱等。冰場周邊還有淋浴、泳池等其他生活熱水用熱。面對多樣化熱源需求，如能將制冷系統(tǒng)冷凝熱充分利用，那么綜合能效將極大提升。舉例來說，對于標(biāo)準(zhǔn)60 m×30 m 的訓(xùn)練冰場，采用制冷劑為R507a 的低溫制冷機(jī)組，當(dāng)間冷系統(tǒng)的供回液溫度為-12 ℃和-10 ℃時，制冷量為540 kW，COP 約為2.12，機(jī)組部分回收冷凝熱為130 kW。其余冷凝熱若通過水源熱泵回收，經(jīng)計算總的冷凝熱利用率可達(dá)85%。

制冷機(jī)組冷凝熱回收的熱水供水溫度區(qū)間一般為40～60 ℃，對于特殊工藝如CO2超臨界直冷系統(tǒng)，其冷凝熱回收供水溫度高達(dá)70～95 ℃，供熱品質(zhì)優(yōu)異，用途更為廣泛。

在冷凝熱回收利用中，應(yīng)注意供熱品質(zhì)、數(shù)量的匹配。對于低溫用熱應(yīng)盡量采取余熱直供，且保證熱量供應(yīng)，減少因換熱帶來的損失和輔助熱源的消耗。對于特殊工藝中產(chǎn)生的高溫余熱熱源，也采取直供方式加以利用。對于低溫?zé)嵩床扇√嵘O(shè)備制取的高溫?zé)嵩?，?yīng)經(jīng)全年的能效、投資、運行費用等多方比較后，慎重選擇適用對象，以免造成節(jié)能的假象。

3 冰場空調(diào)系統(tǒng)氣流組織形式

空調(diào)系統(tǒng)作為冰場室內(nèi)溫濕度環(huán)境的維護(hù)者，其氣流組織形式與冰場低位和高位空間環(huán)境的優(yōu)劣密切相關(guān)。

冰場日常運營時，常見的與氣流組織相關(guān)的問題有：①低位空間溫濕度較高、風(fēng)速較大，導(dǎo)致冰面濕度較大結(jié)霜或有霧、冰面局部融化等影響運動效果。②低位氣流分布不勻，局部結(jié)露甚至結(jié)冰。③高位空間溫度較高、增加制冰能耗，或者溫度較低、人員體感太差也增加起霧、結(jié)露風(fēng)險。④高位空間霧氣較大，阻擋視線。⑤屋頂內(nèi)表面或金屬桁架區(qū)域濕度過大，產(chǎn)生結(jié)露，破壞冰面，甚至導(dǎo)致電路火災(zāi)隱患增加等。⑥觀眾區(qū)環(huán)境舒適度不足等。

本文重點在于冰場上空的氣流組織形式，對觀眾區(qū)的空調(diào)形式不再贅述。

冰場氣流組織形式一般為上送下回、上送上回的方式，該方式在很多工程中有所應(yīng)用，其中不乏國際賽事的場館。該方式實現(xiàn)全空間環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)較高，與室內(nèi)裝修方案易結(jié)合，對于缺乏空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置空間的大冰面或多冰面的場館，及冰球等有擋墻阻礙氣流的項目，氣流組織不受影響，溫濕度場均勻分布。弊端在于：冰場低位空間環(huán)境要求較高，高位空間要求不高，滿足全空間則高位室內(nèi)環(huán)境要求超標(biāo)，代價是能源消耗較大。另外由于上送風(fēng)流程較長，實現(xiàn)低位空間的室內(nèi)參數(shù)達(dá)標(biāo)較困難。

另一種常見的氣流組織形式是同時設(shè)置低位和高位空調(diào)系統(tǒng)。低位空調(diào)系統(tǒng)采取側(cè)上送下回、下送側(cè)上回、地面送風(fēng)側(cè)上回風(fēng)等方式，保障低位空間溫濕度達(dá)標(biāo)。高位空調(diào)系統(tǒng)一般是在桁架內(nèi)設(shè)置防結(jié)露空調(diào)或者其他設(shè)施，如多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)、局部熱風(fēng)加熱系統(tǒng)，目的是解決冷輻射造成的屋頂內(nèi)表面或相鄰的金屬構(gòu)件等表面低溫高濕易結(jié)露的問題。與上送方式相比該空調(diào)系統(tǒng)針對性強(qiáng)，節(jié)能與功能雙贏，更適合冰場要求。當(dāng)然，低位空調(diào)系統(tǒng)也有它的局限性。首先它比較難與場地配合，需要和建筑、室內(nèi)專業(yè)密切協(xié)作，才能將空調(diào)系統(tǒng)和場地結(jié)合，形成預(yù)期的氣流組織。當(dāng)場地設(shè)觀眾區(qū)空調(diào)系統(tǒng)時，兩者易產(chǎn)生氣流流線上的沖突。其次低位空調(diào)系統(tǒng)與冰面位置臨近，設(shè)置不妥會對冰面產(chǎn)生破壞，干擾使用者開展活動。還有，低位空調(diào)受到場地設(shè)施的阻礙，如冰球場地周圍2 m 高度的擋墻，短道和花樣滑冰場地環(huán)繞的防撞墊等。采用CFD 模擬可以幫助設(shè)計師實現(xiàn)高精度的系統(tǒng)設(shè)計，十分必要。

其它的空調(diào)形式，多是以上兩種形式的結(jié)合，與設(shè)計師關(guān)注的因素相關(guān)。例如考慮到頂送可能對冰面造成破壞，因此頂送風(fēng)口設(shè)置在冰場周邊的過道上空。還有的設(shè)計師采用噴口對射的側(cè)送方式，旨在覆蓋全部冰面等。各種氣流組織方式評判的標(biāo)準(zhǔn)，其一在于是否效果能夠達(dá)標(biāo)，其二在于是否系統(tǒng)節(jié)能，兩者缺一不可。

4 輸配系統(tǒng)

輸配系統(tǒng)指的是制冰用制冷系統(tǒng)的輸配部分，對于間冷系統(tǒng)指冰場末端系統(tǒng)和載冷劑供回液系統(tǒng)，對于直冷系統(tǒng)則包括冷機(jī)至末端在內(nèi)的完整系統(tǒng)。輸配系統(tǒng)的耗電量在制冷系統(tǒng)中占比約為14%。

間冷系統(tǒng)中的節(jié)能要點，與普通制冷系統(tǒng)一致，即盡量降低耗電輸冷比。典型間冷系統(tǒng)是采用一定質(zhì)量濃度的乙二醇液作為載冷劑，那么隨著冰溫的降低，乙二醇液質(zhì)量濃度增加，其粘性加大，則乙二醇液泵揚程加大、電耗提高。正確選擇冰面設(shè)計溫度，避免不必要的低溫對輸配能耗的降低是關(guān)鍵。管道管徑的選擇，以及冰面制冷盤管的布置方式也是重要的影響因素。管道多采用同程式布置，有利于系統(tǒng)水力平衡，冰面盤管多采用短邊敷設(shè)成環(huán)，減少支管長度。

考慮到乙二醇液的特性，為降低輸配能耗，間冷系統(tǒng)的載冷劑選擇也有不同的嘗試，國外和國內(nèi)現(xiàn)有案例來看，采用CO2作為載冷劑的較多。CO2作為載冷劑，流動性好，粘度低，所以其循環(huán)泵的功耗小，耗電量約為乙二醇液泵的1/10。在制冰過程中CO2液發(fā)生相變，易于保持整個冰面溫度的均勻性。

對于采用直冷系統(tǒng)的冰場，輸配環(huán)節(jié)與采用CO2作為載冷劑的冰場原理和效果相仿。

與傳統(tǒng)的制冷劑+乙二醇液載冷劑的冰場對比，資料顯示：CO2作為載冷劑的間接制冷冰場和CO2、NH3、R22、R134a 作為制冷劑的直冷冰場，年電耗約減少40%～50%。

5 結(jié)語

與其它體育建筑不同，室內(nèi)冰場的高能耗屬性鮮明，對于其推廣和應(yīng)用有多重阻礙。針對高能耗的產(chǎn)生機(jī)理，性質(zhì)和特點深入分析，精準(zhǔn)定位運營方略，在設(shè)計階段，從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備配置、系統(tǒng)設(shè)計、工藝選擇、智能化等各環(huán)節(jié)著手，定制系統(tǒng)性的節(jié)能方略，建設(shè)開放式管控平臺，多管齊下，勢必在運營過程中打造出可持續(xù)發(fā)展的、綠色運維的高效冰場，走出能耗困境，助推冰上項目的發(fā)展。