室內(nèi)運(yùn)動冰場流場與溫度場測試與分析

彭博 李金雙

中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 室內(nèi)人工運(yùn)動冰場設(shè)計(jì)要求

1.1 溫濕度的設(shè)計(jì)要求

室內(nèi)運(yùn)動冰場的溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)在目前國內(nèi)現(xiàn)存規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中參數(shù)的要求矛盾，尚未給出一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，表 1～3摘取了國內(nèi)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)[1-3]對室內(nèi)運(yùn)動冰場的室內(nèi)溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 《天然材料體育場地實(shí)用要求及檢驗(yàn)方法第3部分：運(yùn)動冰場》室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 《體育場地與設(shè)施（二）》室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

從表1～3中數(shù)據(jù)可以看出：

1）室內(nèi)冰場的冰面設(shè)計(jì)溫度在-9～3 ℃，根據(jù)冰場使用用途的不同而不同。

2）室內(nèi)冰場的設(shè)計(jì)相對濕度在 50～70%，滿足Ⅱ級熱舒適度有關(guān)相對濕度的要求。

3）室內(nèi)冰場的設(shè)計(jì)溫度要求不高，要求過高會增加空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，為了降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，舍棄了部分人員的溫度舒適性。

4）室內(nèi)冰場的冰面上方平均風(fēng)速要求較嚴(yán)格，根據(jù)冰場使用用途的不同，風(fēng)速要求在0.7～1.5 m/s，其中《體育場地與設(shè)施（二）》中要求冰壺場地的冰面上方不可有空氣的移動對流。

2 室內(nèi)人工運(yùn)動冰場氣流組織

根據(jù)室內(nèi)運(yùn)動冰場的設(shè)計(jì)要求，以及各種氣流組織的特點(diǎn)，擬對以下兩種氣流組織形式進(jìn)行討論：

1）室內(nèi)冰場空氣溫度越高、相對濕度越大，就越容易形成霧區(qū)。因此，采用上送下回的氣流組織形式向冰面送風(fēng)，回風(fēng)口盡可能接近冰面，以加劇室內(nèi)空氣與冰面附近空氣的混合，使混合后的空氣狀態(tài)接近室內(nèi)空氣狀態(tài)，遠(yuǎn)離露點(diǎn)，以消除冰面的霧區(qū)。

2）因?qū)嶋H工程中室內(nèi)效果的需要，以及對冰面上方風(fēng)速的要求，送風(fēng)口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離冰面，減小對冰面的影響，因此該研究項(xiàng)目的送風(fēng)口沿場館內(nèi)四周的結(jié)構(gòu)柱低位布置，回風(fēng)口設(shè)于冰面四周的走道上空，氣流組織形式為下送上回。

3 室內(nèi)運(yùn)動冰場流場與溫度場測試

3.1 室內(nèi)運(yùn)動冰場概況

測試場地位于北京市中關(guān)村南大街 54號首體大院北院內(nèi)。建筑設(shè)施主要為冰上訓(xùn)練大廳及相關(guān)服務(wù)用房、科研教學(xué)用房、醫(yī)療康復(fù)用房、宿舍餐廳等附屬配套設(shè)施，建成后依托首都體育館、原訓(xùn)練館、首都滑冰館將承擔(dān)我國冬季運(yùn)動冰壺、短道速滑、花樣滑冰等多個(gè)項(xiàng)目的訓(xùn)練競賽及管理工作。工程用地面積為15439 m2，總建筑面積為 33220 m2，其中：地上建筑面積 24057 m2，地下建筑面積 9163 m2。建筑高度為13.25～32.55 m，建筑層數(shù)為地上三～六層，地下一層，局部二層。測試的室內(nèi)運(yùn)動冰場位于本建筑的首層冰上訓(xùn)練大廳，建筑面積為2737.0 m2，兩層挑空，室內(nèi)凈高 12.0 m。冰上訓(xùn)練大廳設(shè)置除濕機(jī)，上送風(fēng)、下側(cè)回風(fēng)，在首層冰場非冰壺訓(xùn)練時(shí)段使用，用于消除部分室內(nèi)負(fù)荷，并承擔(dān)冰場內(nèi)人員和澆冰產(chǎn)生的濕負(fù)荷，在減小冰場的工藝負(fù)荷外，起到除霧的作用。在冰壺訓(xùn)練期間則停用。另設(shè)置轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)，在非冰壺訓(xùn)練時(shí)段僅承擔(dān)新風(fēng)熱濕負(fù)荷和部分室內(nèi)負(fù)荷，滿足室內(nèi)衛(wèi)生、正壓的要求，與除濕機(jī)配合運(yùn)行。當(dāng)冰壺訓(xùn)練時(shí)，系統(tǒng)承擔(dān)全部濕負(fù)荷，室內(nèi)負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷，除濕機(jī)停用，氣流組織方式為下送上回，系統(tǒng)送風(fēng)量為75600 m3/h。

3.2 測試步驟

測試需測量冰場內(nèi)的風(fēng)速值、溫度值，為避免溫度測試儀器對氣流組織的影響和人體散熱、散濕對溫濕度的影響，測試分為風(fēng)速測量與溫度測量兩部分分段進(jìn)行。

為盡量減少測試誤差和確保測試數(shù)據(jù)的有效性，制定下列測試步驟并進(jìn)行測試：

1）在測試之前，將冰場內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)工況運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)。

2）空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，測試人員對室內(nèi)冰場的溫度進(jìn)行測試，因測試房間為高大空間，布置溫濕度測試儀器較困難，且受限于儀器的數(shù)量，因此對冰面上的5個(gè)測點(diǎn)分別進(jìn)行測試。為盡量減少測試人員對環(huán)境溫度的影響，將溫濕度測試儀器按照設(shè)計(jì)的不同高度固定好，放置于設(shè)計(jì)的測點(diǎn)位置處后，測試人員離開室內(nèi)冰場，并穩(wěn)定半小時(shí)后，讀取穩(wěn)定后 10 分鐘內(nèi)的溫濕度平均數(shù)值。完成一個(gè)測點(diǎn)的測試后，按照上述方法，依次對其余4個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測試。

3）溫度測試完成后，將冰場空置一段時(shí)間以重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，測試人員再進(jìn)行室內(nèi)冰場的風(fēng)速測試。為盡量減少測試人員對環(huán)境風(fēng)速的影響，冰場內(nèi)僅進(jìn)入一個(gè)測試人員，以單次采樣的模式，在每個(gè)風(fēng)速測點(diǎn)位置使用手持式風(fēng)速儀測量該點(diǎn)風(fēng)速。每到達(dá)下一個(gè)測試點(diǎn)時(shí)，先穩(wěn)定 1 分鐘后，再記錄該測點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，逐點(diǎn)測試直至完成所有測點(diǎn)的風(fēng)速測試。

3.3 測點(diǎn)分布

冰上訓(xùn)練大廳的長寬約為 68.8×40.5 m，層高為12.0 m，室內(nèi)為一塊 60.0×30.0 m，四周圓弧半徑為8.5 m的標(biāo)準(zhǔn)冰面。測試核心是檢測冰面上方的溫度場及速度場的合理性，根據(jù)場地的現(xiàn)狀，共設(shè)置了 43個(gè)檢測點(diǎn)，其中冰面上方，平面上選取 5 個(gè)典型位置，在平面上分別標(biāo)記為A-1、A -2、A -3、A -4、A -5，在 5個(gè)典型位置的垂直方向選取 7 個(gè)典型高度，測點(diǎn)共 35個(gè)。冰場周邊選取8個(gè)典型位置，在平面上分別標(biāo)記為 C-1、C -2、C -3、C -4、C -5、C -6、C -7、C -8。測點(diǎn)主要分布在冰面上方，但考慮氣流組織在冰上訓(xùn)練大廳的擴(kuò)散情況，同時(shí)在冰面周邊布置了測點(diǎn)。

測點(diǎn)布置平面圖見圖1。中間四周圓弧內(nèi)側(cè)的位置為冰面區(qū)域，冰面上方測點(diǎn)按典型位置均勻分布，南北兩側(cè)為看臺。對冰面上每個(gè)測點(diǎn)選取7個(gè)不同高度的位置進(jìn)行溫度、相對濕度的測試，垂直高度分別為距離冰面 0.05 m、0.3 m、0.5 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m。溫濕度記錄儀均放置于各測點(diǎn)30 min后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采用手持溫濕度測試儀對比測試。冰場周邊采用手持溫濕度測試儀進(jìn)行測試，在每個(gè)測點(diǎn)垂直高度2 m以下測量溫度。

圖1 測點(diǎn)布置平面圖

3.4 測試結(jié)果與分析

運(yùn)動冰場內(nèi)，于 2020年 8月3日 15:50 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行正常，室內(nèi)可視為溫度場穩(wěn)定，開始進(jìn)行溫度測量，結(jié)束時(shí)間為2020年8月3日20:10。測試時(shí)室外溫度為33℃。

測試均按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，選取典型時(shí)段測試。

3.4.1 溫度場測試結(jié)果與分析

通過溫濕度自記儀記錄的溫度數(shù)據(jù)見表4。

表4 測點(diǎn)溫度值/℃

冰面上方存在明顯的溫度梯度，各測點(diǎn)的溫度分布趨勢相同、溫度值相似?？傮w而言各時(shí)刻溫度場，溫度分布無明顯變化，除冰面處溫度外，垂直高度 0.3 m以上個(gè)測點(diǎn)的溫度均高于13 ℃，高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，不會形成霧區(qū)，測試情況穩(wěn)定。從整體情況上看，認(rèn)為設(shè)計(jì)合理。

3.4.2 速度場測試結(jié)果與分析

通過手持式風(fēng)速儀記錄的風(fēng)速數(shù)據(jù)見表5。

表5 測點(diǎn)風(fēng)速值

在實(shí)際工況中，冰場四周會設(shè)置防止運(yùn)動員摔傷的圍擋，而本次測試的冰場狀態(tài)內(nèi)還未安裝此設(shè)備，氣流所經(jīng)過的障礙有所減少，氣流流速有所增加。所以在本次測試中受限于工況條件，氣流流速整體偏高的情況是合理的。測點(diǎn) A-1至A-5這五個(gè)冰面上的測點(diǎn)風(fēng)速均低于0.70 m/s，滿足國內(nèi)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)運(yùn)動冰場的冰上風(fēng)速設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。測點(diǎn) C-1 至C-8這八個(gè)冰場周邊的測點(diǎn)風(fēng)速均低于1.00 m/s，此處僅為人員短期停留，不做要求。從整體情況上看，認(rèn)為設(shè)計(jì)合理。

3.5 室內(nèi)冰場空調(diào)效果對比分析

本試驗(yàn)項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行了氣流組織模擬，現(xiàn)對實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。

3.5.1 溫度場實(shí)測與模擬結(jié)果對比分析

計(jì)算得到實(shí)測與模擬的溫度誤差平均值為4.58%，總體來說各測點(diǎn)數(shù)值模擬與實(shí)測的溫度基本吻合。從圖2至圖6可以看出，測點(diǎn)的實(shí)地測試溫度與模擬數(shù)值在垂直方向上的變化均保持一致。隨著垂直高度的增加，溫度逐漸增高，溫度數(shù)值在垂直高度0.9 m以上均相差較小。0.9 m以下實(shí)地測試的溫度梯度明顯高于模擬的溫度梯度，實(shí)測溫度在垂直高度0.05 m至0.9 m之間快速升溫，造成這一結(jié)果差異性的原因有三點(diǎn)。一是，為冰場掃冰車通過冰場東側(cè)設(shè)有車庫大門，車庫大門的保溫性和氣密性均差于冰場墻壁。二是，此建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑施工多處存在空洞和縫隙，冰場的氣密性均差于設(shè)計(jì)工況。三是，冰場四周會設(shè)置防止運(yùn)動員摔傷的圍擋，而本次測試的冰場狀態(tài)內(nèi)還未安裝此設(shè)備，氣流所經(jīng)過的障礙有所減少。綜上三點(diǎn)使得實(shí)地測試時(shí)，現(xiàn)場的氣流擾動因素較多，增加了氣流摻混的效果，使得實(shí)地測試的溫度梯度明顯高于模擬的溫度梯度。

圖2 測點(diǎn)A-1溫度場對比圖

圖3 測點(diǎn)A-2溫度場對比圖

圖4 測點(diǎn)A-3溫度場對比圖

圖5 測點(diǎn)A-4溫度場對比圖

圖6 測點(diǎn)A-5溫度場對比圖

3.5.2 速度場實(shí)測與模擬結(jié)果對比分析

測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的速度對比如圖 7 所示。從圖7可以看出，實(shí)地測試風(fēng)速值均高于模擬數(shù)值，實(shí)地測試風(fēng)速的平均值為 0.45 m/s，模擬風(fēng)速的平均值為0.23 m/s，二者相差0.22 m/s。造成這一結(jié)果的原因與造成溫度值差異性的原因相同，具體有三點(diǎn)。一是，為冰場掃冰車通過冰場東側(cè)設(shè)有車庫大門，車庫大門的保溫性和氣密性均差于冰場墻壁。二是，此建筑為鋼結(jié)構(gòu)建筑，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)建筑施工多處存在空洞和縫隙，冰場的氣密性均差于設(shè)計(jì)工況。三是，冰場四周會設(shè)置防止運(yùn)動員摔傷的圍擋，而本次測試的冰場狀態(tài)內(nèi)還未安裝此設(shè)備，氣流所經(jīng)過的障礙有所減少。綜上三點(diǎn)使得測點(diǎn)A-1，A -2，A -3，A -4，A -5實(shí)測值均大于模擬的結(jié)果。

圖7 測試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的速度對比圖

4 結(jié)論

1）室內(nèi)冰場的氣流組織形式為下送上回的送排風(fēng)形式，更有利于滿足冰場上方的溫度場和速度場的要求。

2）室內(nèi)冰場的氣流組織為下送上回、側(cè)向送風(fēng)時(shí)，氣流擾動對室內(nèi)冰場的影響較小，風(fēng)速可選的范圍較大，送風(fēng)速度≤2.0 m/s 時(shí)即可滿足一般運(yùn)動冰場的室內(nèi)速度場的要求，若有特殊賽事，或級別較高的賽事舉行時(shí)，對室內(nèi)冰場有更高要求，此種氣流組織形式依然有較大降低冰面上方空氣流速的空間。

本文對室內(nèi)運(yùn)動冰場的理論計(jì)算與氣流組織模擬的結(jié)論，得到行之有效的研究方法及指導(dǎo)性的結(jié)論，希望對未來的研究提供有力的支持，并為今后其他同類工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供借鑒參考。