室內運動冰場流場與溫度場測試與分析

彭博 李金雙

中國建筑設計研究院有限公司

1 室內人工運動冰場設計要求

1.1 溫濕度的設計要求

室內運動冰場的溫濕度設計參數在目前國內現存規范、標準中參數的要求矛盾，尚未給出一個統一標準，表 1～3摘取了國內相關規范、標準[1-3]對室內運動冰場的室內溫濕度設計參數。

表1 《天然材料體育場地實用要求及檢驗方法第3部分：運動冰場》室內設計參數

表2 《體育場地與設施（二）》室內設計參數

表3 《實用供熱空調設計手冊》室內設計參數

從表1～3中數據可以看出：

1）室內冰場的冰面設計溫度在-9～3 ℃，根據冰場使用用途的不同而不同。

2）室內冰場的設計相對濕度在 50～70%，滿足Ⅱ級熱舒適度有關相對濕度的要求。

3）室內冰場的設計溫度要求不高，要求過高會增加空調系統的負擔，為了降低空調系統的能耗，舍棄了部分人員的溫度舒適性。

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

2 室內人工運動冰場氣流組織

根據室內運動冰場的設計要求，以及各種氣流組織的特點，擬對以下兩種氣流組織形式進行討論：

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

2）因實際工程中室內效果的需要，以及對冰面上方風速的要求，送風口應盡量遠離冰面，減小對冰面的影響，因此該研究項目的送風口沿場館內四周的結構柱低位布置，回風口設于冰面四周的走道上空，氣流組織形式為下送上回。

3 室內運動冰場流場與溫度場測試

3.1 室內運動冰場概況

測試場地位于北京市中關村南大街 54號首體大院北院內。建筑設施主要為冰上訓練大廳及相關服務用房、科研教學用房、醫療康復用房、宿舍餐廳等附屬配套設施，建成后依托首都體育館、原訓練館、首都滑冰館將承擔我國冬季運動冰壺、短道速滑、花樣滑冰等多個項目的訓練競賽及管理工作。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，建筑層數為地上三～六層，地下一層，局部二層。測試的室內運動冰場位于本建筑的首層冰上訓練大廳，建筑面積為2737.0 m2，兩層挑空，室內凈高 12.0 m。冰上訓練大廳設置除濕機，上送風、下側回風，在首層冰場非冰壺訓練時段使用，用于消除部分室內負荷，并承擔冰場內人員和澆冰產生的濕負荷，在減小冰場的工藝負荷外，起到除霧的作用。在冰壺訓練期間則停用。另設置轉輪除濕空調系統，在非冰壺訓練時段僅承擔新風熱濕負荷和部分室內負荷，滿足室內衛生、正壓的要求，與除濕機配合運行。當冰壺訓練時，系統承擔全部濕負荷，室內負荷和新風負荷，除濕機停用，氣流組織方式為下送上回，系統送風量為75600 m3/h。

3.2 測試步驟

測試需測量冰場內的風速值、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，測試分為風速測量與溫度測量兩部分分段進行。

為盡量減少測試誤差和確保測試數據的有效性，制定下列測試步驟并進行測試：

1）在測試之前，將冰場內的空調系統按照設計工況運行至穩定狀態。

2）空調系統運行穩定后，測試人員對室內冰場的溫度進行測試，因測試房間為高大空間，布置溫濕度測試儀器較困難，且受限于儀器的數量，因此對冰面上的5個測點分別進行測試。為盡量減少測試人員對環境溫度的影響，將溫濕度測試儀器按照設計的不同高度固定好，放置于設計的測點位置處后，測試人員離開室內冰場，并穩定半小時后，讀取穩定后 10 分鐘內的溫濕度平均數值。完成一個測點的測試后，按照上述方法，依次對其余4個測點進行測試。

3）溫度測試完成后，將冰場空置一段時間以重新恢復穩態，測試人員再進行室內冰場的風速測試。為盡量減少測試人員對環境風速的影響，冰場內僅進入一個測試人員，以單次采樣的模式，在每個風速測點位置使用手持式風速儀測量該點風速。每到達下一個測試點時，先穩定 1 分鐘后，再記錄該測點的風速數據，逐點測試直至完成所有測點的風速測試。

3.3 測點分布

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

測點布置平面圖見圖1。中間四周圓弧內側的位置為冰面區域，冰面上方測點按典型位置均勻分布，南北兩側為看臺。對冰面上每個測點選取7個不同高度的位置進行溫度、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30 min后，再進行數據采集，同時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行測試，在每個測點垂直高度2 m以下測量溫度。

圖1 測點布置平面圖

3.4 測試結果與分析

運動冰場內，于 2020年 8月3日 15:50 空調系統運行正常，室內可視為溫度場穩定，開始進行溫度測量，結束時間為2020年8月3日20:10。測試時室外溫度為33℃。

測試均按照標準進行，選取典型時段測試。

3.4.1 溫度場測試結果與分析

通過溫濕度自記儀記錄的溫度數據見表4。

表4 測點溫度值/℃

冰面上方存在明顯的溫度梯度，各測點的溫度分布趨勢相同、溫度值相似。總體而言各時刻溫度場，溫度分布無明顯變化，除冰面處溫度外，垂直高度 0.3 m以上個測點的溫度均高于13 ℃，高于室內空氣露點溫度，不會形成霧區，測試情況穩定。從整體情況上看，認為設計合理。

3.4.2 速度場測試結果與分析

通過手持式風速儀記錄的風速數據見表5。

表5 測點風速值

在實際工況中，冰場四周會設置防止運動員摔傷的圍擋，而本次測試的冰場狀態內還未安裝此設備，氣流所經過的障礙有所減少，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 A-1至A-5這五個冰面上的測點風速均低于0.70 m/s，滿足國內相關規范、標準對室內運動冰場的冰上風速設計參數的要求。測點 C-1 至C-8這八個冰場周邊的測點風速均低于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，認為設計合理。

3.5 室內冰場空調效果對比分析

本試驗項目同時進行了氣流組織模擬，現對實測數據與數值模擬結果進行對比。

3.5.1 溫度場實測與模擬結果對比分析

計算得到實測與模擬的溫度誤差平均值為4.58%，總體來說各測點數值模擬與實測的溫度基本吻合。從圖2至圖6可以看出，測點的實地測試溫度與模擬數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，溫度數值在垂直高度0.9 m以上均相差較小。0.9 m以下實地測試的溫度梯度明顯高于模擬的溫度梯度，實測溫度在垂直高度0.05 m至0.9 m之間快速升溫，造成這一結果差異性的原因有三點。一是，為冰場掃冰車通過冰場東側設有車庫大門，車庫大門的保溫性和氣密性均差于冰場墻壁。二是，此建筑為鋼結構建筑，現場觀察發現，鋼結構建筑施工多處存在空洞和縫隙，冰場的氣密性均差于設計工況。三是，冰場四周會設置防止運動員摔傷的圍擋，而本次測試的冰場狀態內還未安裝此設備，氣流所經過的障礙有所減少。綜上三點使得實地測試時，現場的氣流擾動因素較多，增加了氣流摻混的效果，使得實地測試的溫度梯度明顯高于模擬的溫度梯度。

圖2 測點A-1溫度場對比圖

圖3 測點A-2溫度場對比圖

圖4 測點A-3溫度場對比圖

圖5 測點A-4溫度場對比圖

圖6 測點A-5溫度場對比圖

3.5.2 速度場實測與模擬結果對比分析

測試數據與數值模擬結果的速度對比如圖 7 所示。從圖7可以看出，實地測試風速值均高于模擬數值，實地測試風速的平均值為 0.45 m/s，模擬風速的平均值為0.23 m/s，二者相差0.22 m/s。造成這一結果的原因與造成溫度值差異性的原因相同，具體有三點。一是，為冰場掃冰車通過冰場東側設有車庫大門，車庫大門的保溫性和氣密性均差于冰場墻壁。二是，此建筑為鋼結構建筑，現場觀察發現，鋼結構建筑施工多處存在空洞和縫隙，冰場的氣密性均差于設計工況。三是，冰場四周會設置防止運動員摔傷的圍擋，而本次測試的冰場狀態內還未安裝此設備，氣流所經過的障礙有所減少。綜上三點使得測點A-1，A -2，A -3，A -4，A -5實測值均大于模擬的結果。

圖7 測試數據與數值模擬結果的速度對比圖

4 結論

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

2）室內冰場的氣流組織為下送上回、側向送風時，氣流擾動對室內冰場的影響較小，風速可選的范圍較大，送風速度≤2.0 m/s 時即可滿足一般運動冰場的室內速度場的要求，若有特殊賽事，或級別較高的賽事舉行時，對室內冰場有更高要求，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。

本文對室內運動冰場的理論計算與氣流組織模擬的結論，得到行之有效的研究方法及指導性的結論，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目的設計和建設提供借鑒參考。