中國中元國際工程有限公司 劉 鑫哈爾濱工業(yè)大學(xué) 張承虎

0 引言

以冬奧會(huì)的籌辦為契機(jī)，國家大力支持和引導(dǎo)滑冰場館的建設(shè)，根據(jù)《全國冰雪場地設(shè)施建設(shè)規(guī)劃(2016—2022)》要求，全國的滑冰場館將由2015年的200余個(gè)增加至2022年的650個(gè)，冰雪場館迎來建設(shè)高峰期。對(duì)于室內(nèi)滑冰場，一般不是單一用途，而是常將滑冰場設(shè)置于綜合體育館內(nèi)，依托于綜合體育館成為當(dāng)前滑冰場建設(shè)的主趨勢[1]。集室內(nèi)滑冰場、籃球場、羽毛球場、文藝演出等功能于一體的冰籃綜合體育館，要求能夠快速進(jìn)行冰場和籃球場地切換，即冰籃轉(zhuǎn)換。由于賽事功能的需要，在冰籃轉(zhuǎn)換的同時(shí)，室內(nèi)空調(diào)要求能夠快速切換，以滿足不同賽事對(duì)比賽大廳溫度、濕度和風(fēng)速的要求。因此，冰籃綜合體育館空調(diào)設(shè)計(jì)的核心是具備適應(yīng)性和靈活性，適應(yīng)性指比賽大廳溫度、濕度和風(fēng)速能夠適應(yīng)不同賽事的要求，靈活性要求比賽大廳的空調(diào)能夠在多種工況間快速切換。

比賽大廳主要包括比賽區(qū)和觀眾席，是整個(gè)體育館的核心功能區(qū)，也是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，不僅直接影響比賽區(qū)能否達(dá)到賽事要求及觀眾區(qū)的舒適度要求，而且影響空調(diào)方案的經(jīng)濟(jì)性。

1 工程概況

某冰籃綜合體育館位于甘肅省蘭州市，總建筑面積40 750 m2，其中比賽中心場地建筑面積3 203 m2，地上4層，建筑總高度36 m，設(shè)8 000座(含活動(dòng)座椅2 000座)觀眾席，為甲級(jí)綜合型體育館，主要用于承辦籃球、體操、乒乓球等項(xiàng)目國際單項(xiàng)和國家級(jí)比賽，同時(shí)兼顧室內(nèi)滑冰場、大型文藝演出等多重功能。比賽場地能夠滿足冰籃轉(zhuǎn)換要求，冰場按國標(biāo)規(guī)格的最大尺寸30 m×61 m(1 830 m2)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目于2019年完成設(shè)計(jì)并開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2022年初竣工，并將作為省運(yùn)會(huì)的主場館。

圖1為比賽大廳的分區(qū)示意圖。比賽大廳根據(jù)使用功能可分為觀眾席和比賽場地2個(gè)區(qū)域。其中比賽場地的四周設(shè)有可伸縮的活動(dòng)座椅區(qū)，當(dāng)比賽場地作為籃球場、羽毛球場等非冰場功能使用時(shí)，可將活動(dòng)座椅展開，此時(shí)比賽大廳從空間上又可細(xì)分為固定座椅區(qū)、活動(dòng)座椅區(qū)和比賽中心。當(dāng)比賽場地作為冰場功能使用時(shí)，需將活動(dòng)座椅收起，此時(shí)比賽大廳由固定座椅區(qū)和比賽中心2個(gè)區(qū)域組成。

圖1 比賽大廳分區(qū)示意圖

2 賽事環(huán)境要求

1) 比賽大廳可用于承辦滑冰、乒乓球、羽毛球、籃球等國家級(jí)比賽，不同賽事對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求如表1所示，其中乒乓球賽事的風(fēng)速指距地面3 m以內(nèi)高度范圍的風(fēng)速，羽毛球賽事的風(fēng)速指距地面9 m以內(nèi)高度范圍的風(fēng)速[2]。

2) 比賽場地作為冰場使用時(shí)，可進(jìn)行冰球、花樣滑冰、短道速滑、冰壺等運(yùn)動(dòng)。根據(jù)體育工藝的要求，舉行各類競賽項(xiàng)目時(shí)，冰場內(nèi)的冰面設(shè)計(jì)溫度如表2所示。此外，為保證冰面不起霧，在距離冰面高度1.5 m處的空氣溫度應(yīng)為(15±2) ℃，距離冰面高度1.5 m處的空氣相對(duì)濕度應(yīng)小于70%。

表2 各類冰場項(xiàng)目冰面溫度 ℃

冰場人員密度根據(jù)用途確定，當(dāng)作為大眾滑冰場時(shí)，按1.5～2.8 m2/人考慮，當(dāng)進(jìn)行花樣滑冰時(shí)，按4.9 m2/人考慮[3]。體育館內(nèi)人員停留時(shí)間較短，因此將CO2允許體積分?jǐn)?shù)適當(dāng)調(diào)高，以0.15%計(jì)算，則對(duì)應(yīng)的新風(fēng)量為20 m3/(人·h)[2]。

3) 比賽大廳還可舉辦文藝演出、演唱會(huì)等活動(dòng)。除觀眾席外，比賽場地中心也可能存在大量人員聚集，場內(nèi)人員的散熱、散濕量較大。因此，比賽大廳的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)能靈活調(diào)節(jié)新風(fēng)量，滿足不同人員密度下的舒適度要求。

4) 觀眾席采用座椅送風(fēng)，觀眾看臺(tái)的上部和下部溫差不宜太大，按不超過2 ℃考慮。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

比賽大廳是綜合體育館最重要的場所，也是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響比賽場地能否達(dá)到預(yù)期的使用功能。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中遇到的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)，討論比賽大廳適合的空調(diào)系統(tǒng)形式、系統(tǒng)分區(qū)、氣流組織及運(yùn)行策略。

3.1 滿足比賽大廳多種功能對(duì)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的要求

比賽大廳從空間上可分為觀眾席和比賽場地兩部分，其中觀眾席由上、下2層看臺(tái)及活動(dòng)座椅區(qū)組成。比賽場地根據(jù)賽事和活動(dòng)類型不同可分為籃球場、冰球場、羽毛球場、乒乓球場和演唱會(huì)5種運(yùn)行工況。比賽大廳具有體積大、凈空高且間歇使用的特點(diǎn)，空調(diào)系統(tǒng)既需要滿足觀眾舒適度要求，又要滿足各種體育賽事對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)速的要求，是該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

觀眾區(qū)的負(fù)荷特點(diǎn)為：人員密度大，比賽時(shí)觀眾密度可達(dá)2.0～2.5人/m2，熱濕負(fù)荷及新風(fēng)需求量大。在空間上前低后高，室內(nèi)溫度分布也是前低后高，在豎直方向有較大的溫度梯度，靠近頂棚處容易形成高溫空氣層，尤其是在冬季更加明顯。

比賽場地的負(fù)荷特點(diǎn)根據(jù)使用功能的不同，存在以下幾種情況；

1) 當(dāng)比賽場地作為籃球場、羽毛球場等非冰場功能使用時(shí)，將活動(dòng)座椅展開，此時(shí)活動(dòng)座椅區(qū)人員密集，散熱、散濕量大，比賽場區(qū)人員較少，但對(duì)空氣的溫濕度，尤其是風(fēng)速要求精度高。

2) 當(dāng)比賽場地作為冰場功能使用時(shí)，將活動(dòng)座椅收起，此時(shí)比賽中心分為冰面及周圍環(huán)形休息走道區(qū)。

3.2 防止冰面起霧及頂棚結(jié)露

室內(nèi)人工冰場的建筑形式為高大空間，受冰面對(duì)流換熱和冷輻射及屋頂天窗熱輻射的影響，室內(nèi)空氣在高度上存在明顯的分層現(xiàn)象，豎直方向溫度梯度大。根據(jù)室內(nèi)熱濕環(huán)境要求不同可分為冰面活動(dòng)區(qū)、周邊活動(dòng)區(qū)、上空非活動(dòng)區(qū)。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及冰場運(yùn)行實(shí)測結(jié)果[4]，冰場空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是防止冰面起霧和頂棚結(jié)露。

冰面起霧主要是由于冰面的對(duì)流換熱和冷輻射引起的。冰面附近的空氣溫度接近冰面溫度，在豎直方向上，隨著高度的增加，空氣溫度迅速上升，直至接近室溫。當(dāng)冰面空氣與室內(nèi)空氣混合后的狀態(tài)點(diǎn)位于焓濕圖的霧區(qū)時(shí)，即出現(xiàn)冰面起霧現(xiàn)象。

冰場的頂棚受冰面冷輻射的影響，內(nèi)表面溫度較低，當(dāng)?shù)陀谥車諝獾穆饵c(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致頂棚表面結(jié)露。結(jié)露不但會(huì)腐蝕頂棚結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)形成水滴掉落，影響冰場體育賽事的正常進(jìn)行。此外，在春末的4—5月間，溫和濕潤的室外空氣侵入，使場內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度升高，也容易使頂棚結(jié)露[3]。

3.3 防火與排煙

比賽大廳屬于人員密集場所，室內(nèi)電氣設(shè)備多，線路復(fù)雜，通風(fēng)管道縱橫交錯(cuò)，都可能成為火災(zāi)蔓延的途徑，一旦發(fā)生火災(zāi)，容易造成重大傷亡事故，在設(shè)計(jì)中應(yīng)貫徹“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的方針。對(duì)于防排煙系統(tǒng)，應(yīng)嚴(yán)格按照GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于比賽大廳空間復(fù)雜，無法直接查表取值，根據(jù)GB 51251—2017中第4.6.6～4.6.13條的公式計(jì)算，排煙量為500 000 m3/h，管道風(fēng)速按不大于20 m/s設(shè)計(jì)，排煙管道尺寸較大，與空調(diào)送風(fēng)管道在頂棚交叉碰撞嚴(yán)重，并且頂棚的吊掛荷載較大。此外綜合體育館一般不做吊頂，還應(yīng)考慮排煙風(fēng)管與建筑體型的協(xié)調(diào)性。

4 空調(diào)通風(fēng)及防排煙系統(tǒng)解決方案

4.1 比賽大廳環(huán)境空調(diào)設(shè)計(jì)與運(yùn)行方案

4.1.1空調(diào)分區(qū)與系統(tǒng)形式

根據(jù)比賽大廳各區(qū)域的使用功能及負(fù)荷特點(diǎn)的不同，空調(diào)系統(tǒng)按觀眾席和比賽中心分區(qū)設(shè)置。觀眾席空調(diào)系統(tǒng)采用全空氣二次回風(fēng)系統(tǒng)，為了提高送風(fēng)的均勻性，并減少單個(gè)系統(tǒng)的容量，將觀眾區(qū)空調(diào)系統(tǒng)劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)房位于4個(gè)角落。每個(gè)子系統(tǒng)均由一套完整的雙風(fēng)機(jī)二次回風(fēng)系統(tǒng)組成。由于觀眾席分成4個(gè)子系統(tǒng)，在演唱會(huì)期間，可根據(jù)舞臺(tái)布置方位，靈活開啟對(duì)應(yīng)區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

觀眾區(qū)的氣流組織為座椅下送風(fēng)，中部集中回風(fēng)。每個(gè)座椅的送風(fēng)量為45 m3/h，送風(fēng)溫差為3～4 ℃，即夏季送風(fēng)溫度不低于20 ℃，送風(fēng)器出風(fēng)速度不高于0.4 m/s，至人體腳踝處風(fēng)速不高于0.25 m/s，送風(fēng)來自座椅下的建筑靜壓箱。該氣流組織形式既可以滿足人體舒適度要求，也較節(jié)能。雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能夠在過渡季全新風(fēng)運(yùn)行，也能在比賽間歇時(shí)間排除室內(nèi)污濁氣體。此外送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)均采用變頻風(fēng)機(jī)，能夠靈活調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量，以適應(yīng)觀眾區(qū)的不同上座率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

比賽中心采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，負(fù)擔(dān)區(qū)域包括臨時(shí)座椅區(qū)和比賽場地，氣流組織為頂送下回。為滿足不同比賽項(xiàng)目對(duì)場區(qū)溫濕度、風(fēng)速的要求，送、回風(fēng)機(jī)均自帶變頻控制器，根據(jù)使用要求調(diào)節(jié)送風(fēng)量及送風(fēng)角度，控制末端風(fēng)速。

比賽中心的空調(diào)系統(tǒng)配置雙冷源，即在園區(qū)集中供冷冷源的基礎(chǔ)上，另設(shè)1臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組。其中集中供冷冷源的容量按基礎(chǔ)負(fù)荷確定，用于負(fù)擔(dān)固定觀眾席和比賽中心場地的冷負(fù)荷，2 000座臨時(shí)座位席的人體冷負(fù)荷由空氣源熱泵承擔(dān)。空氣源熱泵的設(shè)置使比賽大廳的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行更加靈活，能夠適應(yīng)比賽大廳多種功能對(duì)室內(nèi)空調(diào)環(huán)境的要求。當(dāng)作為籃球場、羽毛球場、乒乓球場地使用時(shí)，空氣源熱泵的啟停根據(jù)臨時(shí)座位席的使用情況確定，當(dāng)臨時(shí)座位席上座率在50%以上時(shí)，可開啟空氣源熱泵機(jī)組，與集中供冷冷源聯(lián)合制冷。

對(duì)于排煙系統(tǒng)，為解決排煙風(fēng)管布置困難的問題，根據(jù)GB 51251—2017《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第4.4.3條，“排煙系統(tǒng)與通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)分開設(shè)置；當(dāng)確有困難時(shí)，可以合用，但應(yīng)符合排煙系統(tǒng)的要求，每個(gè)排煙合用系統(tǒng)的管道上，需聯(lián)動(dòng)關(guān)閉的通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制閥門不應(yīng)超過10個(gè)”，該項(xiàng)目排煙系統(tǒng)與空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)合用末端風(fēng)管及風(fēng)口，系統(tǒng)示意圖見圖2。末端風(fēng)口采用常開風(fēng)口，共用風(fēng)管的耐火極限按排煙風(fēng)管設(shè)計(jì)，共用風(fēng)管與空調(diào)機(jī)組的連接管段上設(shè)置70 ℃控制防火閥，平時(shí)常開，火災(zāi)時(shí)關(guān)閉；共用風(fēng)管與排煙風(fēng)機(jī)連接的管段上設(shè)置排煙防火閥和排煙閥，平時(shí)處于常閉狀態(tài)，火災(zāi)時(shí)打開進(jìn)行排煙。

圖2 比賽大廳通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)示意圖

4.1.2空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略

以籃球場夏季工況為例，當(dāng)臨時(shí)座位席上座率為100%時(shí)為最不利工況，此時(shí)對(duì)比賽大廳空調(diào)環(huán)境的要求為：溫度26～28 ℃，相對(duì)濕度55%～65%，距地面2 m以內(nèi)高度范圍風(fēng)速≤0.5 m/s。比賽大廳人員由活動(dòng)席觀眾和運(yùn)動(dòng)員組成，此處按2 050人考慮，新風(fēng)量指標(biāo)為16 m3/(人·h)，通過負(fù)荷計(jì)算，比賽大廳計(jì)算冷負(fù)荷為576 kW，濕負(fù)荷為199 kg/h；空調(diào)采用一次回風(fēng)露點(diǎn)送風(fēng)系統(tǒng)，通過焓濕圖計(jì)算可得，總送風(fēng)量為151 010 m3/h，送風(fēng)溫度為15.5 ℃，機(jī)組總制冷量為622.5 kW。

表3給出了夏季工況籃球、冰場、乒乓球、羽毛球賽事的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速，以及為滿足溫濕度要求，空調(diào)系統(tǒng)所需的送風(fēng)量和制冷量?？梢钥闯?，作為冰場使用時(shí)，室內(nèi)冷負(fù)荷、濕負(fù)荷均低于其他賽事，這是由于此工況無活動(dòng)座椅區(qū)人員負(fù)荷，且屋頂天窗完全遮擋。因此活動(dòng)座椅區(qū)的人員密度是引起室內(nèi)冷負(fù)荷、濕負(fù)荷差異的主要原因，當(dāng)活動(dòng)座椅區(qū)上座率較高時(shí)，需開啟空氣源熱泵機(jī)組，以承擔(dān)人員產(chǎn)生的冷負(fù)荷。

表3 體育賽事夏季運(yùn)行工況

2) 對(duì)于冰場，過大的風(fēng)速會(huì)加速冰面融化，增加制冰系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，一般宜為0.2 m/s[4]。

對(duì)于籃球、乒乓球、羽毛球3種賽事之間的轉(zhuǎn)換，由于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度、冷負(fù)荷及濕負(fù)荷差異較小，故空調(diào)機(jī)組的總風(fēng)量、空氣源熱泵的制冷量無需調(diào)整，關(guān)鍵在于控制工作區(qū)的設(shè)計(jì)風(fēng)速，可通過改變送風(fēng)口射流的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而控制末端風(fēng)速。

對(duì)于籃球場和冰場之間的轉(zhuǎn)換，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度和風(fēng)速均存在差異，需要同時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)量、末端風(fēng)口及空氣源熱泵機(jī)組的制冷量。此外，對(duì)于過渡季，園區(qū)集中冷源不運(yùn)行時(shí)，若全新風(fēng)運(yùn)行無法滿足冰場所需室內(nèi)溫濕度要求，開啟空氣源熱泵機(jī)組單獨(dú)為冰場供冷。

4.1.3比賽中心氣流組織方案探討

對(duì)于綜合型體育館，室內(nèi)環(huán)境空調(diào)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于控制比賽區(qū)的平均風(fēng)速，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)及其末端風(fēng)口的可調(diào)節(jié)性提出了較高的要求。該項(xiàng)目比賽中心的氣流組織擬采用頂送下回，將處理后的空氣均勻地送到比賽場地內(nèi)的各個(gè)部位，以滿足各區(qū)域所需的溫度、濕度和風(fēng)速要求。對(duì)于頂送風(fēng)形式，其送風(fēng)口有桶形噴口、雙層百葉風(fēng)口、旋流風(fēng)口、條縫或孔板送風(fēng)等多種類型可供選擇。表4列舉了采用頂送下回氣流組織的典型綜合體育館，在其空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，均充分考慮了大球比賽與小球比賽的工況切換，實(shí)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行效果均令人滿意。

表4 國內(nèi)典型綜合體育館比賽中心氣流組織形式

綜合考慮建筑的空間結(jié)構(gòu)及使用功能要求，提出了適用于該項(xiàng)目的氣流組織方案及風(fēng)速調(diào)控方式，即氣流組織采用頂部上送風(fēng)、下回風(fēng)，送風(fēng)口采用導(dǎo)流葉片角度可調(diào)的旋流風(fēng)口，控制方式為電動(dòng)比例型。該送風(fēng)口的導(dǎo)流葉片角度可以在0～90°內(nèi)調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變送風(fēng)射流的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以豎直下送風(fēng)或旋轉(zhuǎn)射流送風(fēng)。當(dāng)進(jìn)行籃球比賽或舉辦演唱會(huì)時(shí)，調(diào)為豎直下送風(fēng)；當(dāng)進(jìn)行冰上運(yùn)動(dòng)或小球比賽時(shí)，調(diào)整導(dǎo)流葉片傾角，改為旋轉(zhuǎn)射流送風(fēng)，調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片角度，以滿足不同賽事工況的使用要求。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，確定氣流組織方案后，還需要采取一定的手段來預(yù)測室內(nèi)空氣的分布情況，用于評(píng)估能否達(dá)到預(yù)期效果?？諝夥植嫉念A(yù)測手段通常包括射流公式法、模型實(shí)驗(yàn)和CFD模擬仿真。雖然模型實(shí)驗(yàn)最可靠，但是預(yù)測周期長、成本高，較難在工程中使用[10]。射流公式法僅能反映射流主體段的流動(dòng)特性，無法適用于各種復(fù)雜情況，如人員、燈光負(fù)荷的不同分布，送、回風(fēng)口的不同布置，單獨(dú)使用射流公式法勢必導(dǎo)致較大的誤差。CFD模擬仿真能夠?qū)κ覂?nèi)空氣分布進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，但其計(jì)算結(jié)果的可靠性成為最大的難題。將射流公式法與CFD模擬仿真相結(jié)合，為在設(shè)計(jì)階段預(yù)測室內(nèi)空氣的分布情況提供了一種較為可靠的新思路。CFD模擬仿真本身需要滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)格需要進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，此外關(guān)鍵還要看計(jì)算結(jié)果是否符合物理事實(shí)。本文將射流主體段的經(jīng)驗(yàn)公式及試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用于驗(yàn)證CFD模擬結(jié)果的可靠性。

該項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)按籃球場夏季工況設(shè)計(jì)，總送風(fēng)量151 010 m3/h，送風(fēng)溫度15.5 ℃，風(fēng)口布置高度25 m，風(fēng)口尺寸500 mm×500 mm，風(fēng)口數(shù)量46個(gè)，單個(gè)風(fēng)口風(fēng)量3 300 m3/h。

旋流風(fēng)口形狀及射流運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，趙彬等人提出的N點(diǎn)風(fēng)口動(dòng)量模型可以準(zhǔn)確模擬送風(fēng)口的入流狀態(tài)，并通過測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[11]。本文所采用的旋流風(fēng)口模型如下：將方形旋流風(fēng)口等效為面積相等的9個(gè)小風(fēng)口[12-13]，每個(gè)小風(fēng)口代表一束出流，并根據(jù)導(dǎo)流葉片出風(fēng)角度分解空間速度，分別定義流量入口邊界條件。

對(duì)于籃球工況，導(dǎo)流葉片角度為90°豎直向下，此時(shí)無旋轉(zhuǎn)射流。圖3為比賽中心場地(x=0～30 m，y=0～60 m)區(qū)域內(nèi)高度z=2 m的速度云圖，統(tǒng)計(jì)得到其平均風(fēng)速為0.396 m/s，最大風(fēng)速為0.855 m/s，最小風(fēng)速為0.02 m/s。

圖3 z=2 m速度場

將每個(gè)風(fēng)口射流主體的軸心風(fēng)速作為研究對(duì)象，分析其在豎直方向的變化規(guī)律。圖4給出了9個(gè)送風(fēng)口的射流主體軸心風(fēng)速隨高度的變化曲線?？梢钥闯龈魃淞髦黧w軸心風(fēng)速的變化趨勢相同，多數(shù)射流主體在z=3 m處的風(fēng)速為0.5 m/s左右，能夠滿足籃球賽事的風(fēng)速要求，但是無法滿足乒乓球及羽毛球賽事的風(fēng)速要求。

圖4 90°導(dǎo)流葉片射流軸心風(fēng)速隨高度變化曲線

為了降低射流主體軸心風(fēng)速，將導(dǎo)流葉片角度調(diào)為45°，氣流沿葉片流動(dòng)被迫產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，此時(shí)將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流。旋轉(zhuǎn)使射流獲得向四周擴(kuò)散的離心力，相比于一般射流，其擴(kuò)散角大得多，射程短很多，如圖5所示。圖6給出了9個(gè)送風(fēng)口的射流主體軸心風(fēng)速隨高度的變化曲線。可以看出，相比于圖4，射流主體風(fēng)速衰減很快，多數(shù)射流主體在z=20 m處風(fēng)速已經(jīng)衰減至0.5 m/s。

圖5 旋流風(fēng)口附近速度矢量

圖6 45°導(dǎo)流葉片射流軸心風(fēng)速隨高度變化曲線

本文對(duì)模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，由于旋轉(zhuǎn)射流比一般的對(duì)稱射流復(fù)雜得多，理論分析還不能完善地求出速度場，僅能通過一些典型試驗(yàn)反映其運(yùn)動(dòng)特征[14]。圖7為旋轉(zhuǎn)射流量綱一分速度圖?？梢钥闯鰒xmax/v0隨x/d的增大衰減很快，與模擬結(jié)果相吻合。

注：v0為初速度；vm為軸心速度；d為風(fēng)口當(dāng)量直徑；x為射流前進(jìn)方向；vxmax為沿射流前進(jìn)方向的軸向速度最大值；vθmax為切向速度最大值；vrmax為徑向速度最大值。圖7 旋轉(zhuǎn)射流量綱一分速度

對(duì)于導(dǎo)流葉片角度可調(diào)的旋流風(fēng)口，采用電動(dòng)比例型控制方式時(shí)，當(dāng)送風(fēng)口的導(dǎo)流葉片角度在90～0°內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，送風(fēng)射流將由圓斷面自由射流逐漸過渡到旋轉(zhuǎn)射流，射程也隨之減小，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)賽事不同調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片的角度，控制不同高度處的風(fēng)速，以滿足不同賽事的風(fēng)速要求。

4.2 防結(jié)露和除霧措施

4.2.1頂棚防結(jié)露措施

賽場作為滑冰場使用時(shí)，為防止頂棚結(jié)露，比賽場上空桁架區(qū)域設(shè)有機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，如圖8所示。冬季工況為全封閉系統(tǒng)，將室內(nèi)回風(fēng)加熱后水平送出，使桁架表面溫度高于空氣露點(diǎn)溫度，避免結(jié)露；夏季工況為直流式系統(tǒng)，直接將室外空氣水平送出，并設(shè)置集中排風(fēng)。桁架通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行工況如表5所示。

注：ts為冰場上空桁架表面溫度；tn為冰場上空桁架區(qū)域空氣溫度；Mp為與排風(fēng)機(jī)連鎖關(guān)閉的電動(dòng)兩位風(fēng)閥；Mo為控制新風(fēng)的電動(dòng)兩位風(fēng)閥；Mh為控制回風(fēng)的電動(dòng)兩位風(fēng)閥；MR為水管流量調(diào)節(jié)閥。圖8 桁架通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

表5 桁架防結(jié)露通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行工況

4.2.2除霧主要措施

1) 合理設(shè)計(jì)氣流組織，降低回風(fēng)口高度。

冰場的氣流組織采用上送下回，回風(fēng)口位于下部，使干燥的空氣與冰面附近空氣充分混合，當(dāng)冰面上方2 m位置的室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)溫度不高于24 ℃、相對(duì)濕度不大于70%時(shí)，能大大降低起霧的概率。此外在冰場的4個(gè)角落分別設(shè)置集中回風(fēng)口，能夠促進(jìn)產(chǎn)生的霧氣向場外溢出，由于冰場外的溫度和濕度均比冰場內(nèi)高，霧滴很快會(huì)蒸發(fā)成水蒸氣而消失，達(dá)到除霧的目的。

2) 合理選擇新風(fēng)除濕方案，整體除濕與局部除濕相結(jié)合。

夏季在室內(nèi)溫度一定的情況下，相對(duì)濕度越大，露點(diǎn)溫度越高，越容易起霧，因此冰場的除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于冰場，水分在蒸發(fā)的同時(shí)，冰面作為冷表面通過水蒸氣的冷凝減少了一部分濕負(fù)荷，因此在計(jì)算中可以忽略這一部分的濕負(fù)荷，因?yàn)槿绻麑⒈婵醋鞒凉裣到y(tǒng)，其除濕量要遠(yuǎn)比水分蒸發(fā)量多[15]。所以冰場的濕負(fù)荷來源為室外新風(fēng)及冰面的人員散濕，其中主要散濕源為室外新風(fēng)。

新風(fēng)濕負(fù)荷主要與項(xiàng)目所在的氣候分區(qū)有關(guān)，本文以甘肅蘭州為例，室內(nèi)外空氣含濕量與新風(fēng)除濕時(shí)長如圖9所示，其中室內(nèi)含濕量為室內(nèi)空氣干球溫度24 ℃、相對(duì)濕度70%時(shí)對(duì)應(yīng)的含濕量，工作時(shí)段為每天的08:00—18:00。

圖9 蘭州地區(qū)室內(nèi)外空氣含濕量與新風(fēng)除濕時(shí)長

由圖9可以看出，蘭州地區(qū)氣候干燥，即使在夏季，室外含濕量也只有在少數(shù)時(shí)間內(nèi)高于室內(nèi)含濕量(總時(shí)長95 h)，且室內(nèi)外含濕量差較小。因此結(jié)合項(xiàng)目所在地區(qū)的氣象條件，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮，該項(xiàng)目采用冷卻除濕即能滿足除濕要求。此外在冰場四周設(shè)置移動(dòng)除濕機(jī)，用于降低局部空氣的含濕量，從而降低空氣的露點(diǎn)溫度，達(dá)到除霧的目的。

5 結(jié)語

冰籃綜合體育館集冰場、籃球場、羽毛球場、文藝演出等多功能于一體，對(duì)其空調(diào)系統(tǒng)的控制精度、適應(yīng)性和靈活性均提出了較高的要求。

合理的系統(tǒng)分區(qū)及氣流組織設(shè)計(jì)是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，觀眾席空調(diào)系統(tǒng)宜采用全空氣二次回風(fēng)系統(tǒng)，氣流組織可采用座椅下送風(fēng)、中部集中回風(fēng)。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，減少單個(gè)系統(tǒng)的容量，可將觀眾區(qū)空調(diào)系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，根據(jù)上座率開啟對(duì)應(yīng)區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

比賽中心可采用雙風(fēng)機(jī)全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)，氣流組織采用頂部上送風(fēng)、下回風(fēng)，送風(fēng)口采用導(dǎo)流葉片角度可調(diào)的旋流風(fēng)口，控制方式為電動(dòng)比例型。當(dāng)送風(fēng)口的導(dǎo)流葉片角度在90～0°調(diào)節(jié)時(shí)，送風(fēng)射流將由圓斷面自由射流逐漸過渡到旋轉(zhuǎn)射流，射程也隨之減小，實(shí)際運(yùn)行時(shí)能夠精確控制不同高度處的風(fēng)速，以滿足不同賽事的風(fēng)速要求。

送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)均采用變頻風(fēng)機(jī)。該空調(diào)系統(tǒng)能夠滿足多種體育賽事對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)的要求，且作為冰場使用時(shí)，降低回風(fēng)口高度能夠緩解冰面起霧現(xiàn)象。

賽場作為滑冰場使用時(shí)，為防止頂棚結(jié)露，比賽場上空桁架區(qū)域可設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。冬季工況為全封閉系統(tǒng)，將室內(nèi)回風(fēng)加熱后水平送出，使桁架表面溫度高于空氣露點(diǎn)溫度，避免結(jié)露；夏季工況為直流式系統(tǒng)，直接將室外空氣水平送出，并設(shè)置集中排風(fēng)。