彭博 李金雙
中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司
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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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。