室内运动冰场流场与温度场测试与分析

彭博 李金双

中国建筑设计研究院有限公司

1 室内人工运动冰场设计要求

1.1 温湿度的设计要求

室内运动冰场的温湿度设计参数在目前国内现存规范、标准中参数的要求矛盾，尚未给出一个统一标准，表 1～3摘取了国内相关规范、标准[1-3]对室内运动冰场的室内温湿度设计参数。

表1 《天然材料体育场地实用要求及检验方法第3部分：运动冰场》室内设计参数

表2 《体育场地与设施（二）》室内设计参数

表3 《实用供热空调设计手册》室内设计参数

从表1～3中数据可以看出：

1）室内冰场的冰面设计温度在-9～3 ℃，根据冰场使用用途的不同而不同。

2）室内冰场的设计相对湿度在 50～70%，满足Ⅱ级热舒适度有关相对湿度的要求。

3）室内冰场的设计温度要求不高，要求过高会增加空调系统的负担，为了降低空调系统的能耗，舍弃了部分人员的温度舒适性。

4）室内冰场的冰面上方平均风速要求较严格，根据冰场使用用途的不同，风速要求在0.7～1.5 m/s，其中《体育场地与设施（二）》中要求冰壶场地的冰面上方不可有空气的移动对流。

2 室内人工运动冰场气流组织

根据室内运动冰场的设计要求，以及各种气流组织的特点，拟对以下两种气流组织形式进行讨论：

1）室内冰场空气温度越高、相对湿度越大，就越容易形成雾区。因此，采用上送下回的气流组织形式向冰面送风，回风口尽可能接近冰面，以加剧室内空气与冰面附近空气的混合，使混合后的空气状态接近室内空气状态，远离露点，以消除冰面的雾区。

2）因实际工程中室内效果的需要，以及对冰面上方风速的要求，送风口应尽量远离冰面，减小对冰面的影响，因此该研究项目的送风口沿场馆内四周的结构柱低位布置，回风口设于冰面四周的走道上空，气流组织形式为下送上回。

3 室内运动冰场流场与温度场测试

3.1 室内运动冰场概况

测试场地位于北京市中关村南大街 54号首体大院北院内。建筑设施主要为冰上训练大厅及相关服务用房、科研教学用房、医疗康复用房、宿舍餐厅等附属配套设施，建成后依托首都体育馆、原训练馆、首都滑冰馆将承担我国冬季运动冰壶、短道速滑、花样滑冰等多个项目的训练竞赛及管理工作。工程用地面积为15439 m2，总建筑面积为 33220 m2，其中：地上建筑面积 24057 m2，地下建筑面积 9163 m2。建筑高度为13.25～32.55 m，建筑层数为地上三～六层，地下一层，局部二层。测试的室内运动冰场位于本建筑的首层冰上训练大厅，建筑面积为2737.0 m2，两层挑空，室内净高 12.0 m。冰上训练大厅设置除湿机，上送风、下侧回风，在首层冰场非冰壶训练时段使用，用于消除部分室内负荷，并承担冰场内人员和浇冰产生的湿负荷，在减小冰场的工艺负荷外，起到除雾的作用。在冰壶训练期间则停用。另设置转轮除湿空调系统，在非冰壶训练时段仅承担新风热湿负荷和部分室内负荷，满足室内卫生、正压的要求，与除湿机配合运行。当冰壶训练时，系统承担全部湿负荷，室内负荷和新风负荷，除湿机停用，气流组织方式为下送上回，系统送风量为75600 m3/h。

3.2 测试步骤

测试需测量冰场内的风速值、温度值，为避免温度测试仪器对气流组织的影响和人体散热、散湿对温湿度的影响，测试分为风速测量与温度测量两部分分段进行。

为尽量减少测试误差和确保测试数据的有效性，制定下列测试步骤并进行测试：

1）在测试之前，将冰场内的空调系统按照设计工况运行至稳定状态。

2）空调系统运行稳定后，测试人员对室内冰场的温度进行测试，因测试房间为高大空间，布置温湿度测试仪器较困难，且受限于仪器的数量，因此对冰面上的5个测点分别进行测试。为尽量减少测试人员对环境温度的影响，将温湿度测试仪器按照设计的不同高度固定好，放置于设计的测点位置处后，测试人员离开室内冰场，并稳定半小时后，读取稳定后 10 分钟内的温湿度平均数值。完成一个测点的测试后，按照上述方法，依次对其余4个测点进行测试。

3）温度测试完成后，将冰场空置一段时间以重新恢复稳态，测试人员再进行室内冰场的风速测试。为尽量减少测试人员对环境风速的影响，冰场内仅进入一个测试人员，以单次采样的模式，在每个风速测点位置使用手持式风速仪测量该点风速。每到达下一个测试点时，先稳定 1 分钟后，再记录该测点的风速数据，逐点测试直至完成所有测点的风速测试。

3.3 测点分布

冰上训练大厅的长宽约为 68.8×40.5 m，层高为12.0 m，室内为一块 60.0×30.0 m，四周圆弧半径为8.5 m的标准冰面。测试核心是检测冰面上方的温度场及速度场的合理性，根据场地的现状，共设置了 43个检测点，其中冰面上方，平面上选取 5 个典型位置，在平面上分别标记为A-1、A -2、A -3、A -4、A -5，在 5个典型位置的垂直方向选取 7 个典型高度，测点共 35个。冰场周边选取8个典型位置，在平面上分别标记为 C-1、C -2、C -3、C -4、C -5、C -6、C -7、C -8。测点主要分布在冰面上方，但考虑气流组织在冰上训练大厅的扩散情况，同时在冰面周边布置了测点。

测点布置平面图见图1。中间四周圆弧内侧的位置为冰面区域，冰面上方测点按典型位置均匀分布，南北两侧为看台。对冰面上每个测点选取7个不同高度的位置进行温度、相对湿度的测试，垂直高度分别为距离冰面 0.05 m、0.3 m、0.5 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m。温湿度记录仪均放置于各测点30 min后，再进行数据采集，同时采用手持温湿度测试仪对比测试。冰场周边采用手持温湿度测试仪进行测试，在每个测点垂直高度2 m以下测量温度。

图1 测点布置平面图

3.4 测试结果与分析

运动冰场内，于 2020年 8月3日 15:50 空调系统运行正常，室内可视为温度场稳定，开始进行温度测量，结束时间为2020年8月3日20:10。测试时室外温度为33℃。

测试均按照标准进行，选取典型时段测试。

3.4.1 温度场测试结果与分析

通过温湿度自记仪记录的温度数据见表4。

表4 测点温度值/℃

冰面上方存在明显的温度梯度，各测点的温度分布趋势相同、温度值相似。总体而言各时刻温度场，温度分布无明显变化，除冰面处温度外，垂直高度 0.3 m以上个测点的温度均高于13 ℃，高于室内空气露点温度，不会形成雾区，测试情况稳定。从整体情况上看，认为设计合理。

3.4.2 速度场测试结果与分析

通过手持式风速仪记录的风速数据见表5。

表5 测点风速值

在实际工况中，冰场四周会设置防止运动员摔伤的围挡，而本次测试的冰场状态内还未安装此设备，气流所经过的障碍有所减少，气流流速有所增加。所以在本次测试中受限于工况条件，气流流速整体偏高的情况是合理的。测点 A-1至A-5这五个冰面上的测点风速均低于0.70 m/s，满足国内相关规范、标准对室内运动冰场的冰上风速设计参数的要求。测点 C-1 至C-8这八个冰场周边的测点风速均低于1.00 m/s，此处仅为人员短期停留，不做要求。从整体情况上看，认为设计合理。

3.5 室内冰场空调效果对比分析

本试验项目同时进行了气流组织模拟，现对实测数据与数值模拟结果进行对比。

3.5.1 温度场实测与模拟结果对比分析

计算得到实测与模拟的温度误差平均值为4.58%，总体来说各测点数值模拟与实测的温度基本吻合。从图2至图6可以看出，测点的实地测试温度与模拟数值在垂直方向上的变化均保持一致。随着垂直高度的增加，温度逐渐增高，温度数值在垂直高度0.9 m以上均相差较小。0.9 m以下实地测试的温度梯度明显高于模拟的温度梯度，实测温度在垂直高度0.05 m至0.9 m之间快速升温，造成这一结果差异性的原因有三点。一是，为冰场扫冰车通过冰场东侧设有车库大门，车库大门的保温性和气密性均差于冰场墙壁。二是，此建筑为钢结构建筑，现场观察发现，钢结构建筑施工多处存在空洞和缝隙，冰场的气密性均差于设计工况。三是，冰场四周会设置防止运动员摔伤的围挡，而本次测试的冰场状态内还未安装此设备，气流所经过的障碍有所减少。综上三点使得实地测试时，现场的气流扰动因素较多，增加了气流掺混的效果，使得实地测试的温度梯度明显高于模拟的温度梯度。

图2 测点A-1温度场对比图

图3 测点A-2温度场对比图

图4 测点A-3温度场对比图

图5 测点A-4温度场对比图

图6 测点A-5温度场对比图

3.5.2 速度场实测与模拟结果对比分析

测试数据与数值模拟结果的速度对比如图 7 所示。从图7可以看出，实地测试风速值均高于模拟数值，实地测试风速的平均值为 0.45 m/s，模拟风速的平均值为0.23 m/s，二者相差0.22 m/s。造成这一结果的原因与造成温度值差异性的原因相同，具体有三点。一是，为冰场扫冰车通过冰场东侧设有车库大门，车库大门的保温性和气密性均差于冰场墙壁。二是，此建筑为钢结构建筑，现场观察发现，钢结构建筑施工多处存在空洞和缝隙，冰场的气密性均差于设计工况。三是，冰场四周会设置防止运动员摔伤的围挡，而本次测试的冰场状态内还未安装此设备，气流所经过的障碍有所减少。综上三点使得测点A-1，A -2，A -3，A -4，A -5实测值均大于模拟的结果。

图7 测试数据与数值模拟结果的速度对比图

4 结论

1）室内冰场的气流组织形式为下送上回的送排风形式，更有利于满足冰场上方的温度场和速度场的要求。

2）室内冰场的气流组织为下送上回、侧向送风时，气流扰动对室内冰场的影响较小，风速可选的范围较大，送风速度≤2.0 m/s 时即可满足一般运动冰场的室内速度场的要求，若有特殊赛事，或级别较高的赛事举行时，对室内冰场有更高要求，此种气流组织形式依然有较大降低冰面上方空气流速的空间。

本文对室内运动冰场的理论计算与气流组织模拟的结论，得到行之有效的研究方法及指导性的结论，希望对未来的研究提供有力的支持，并为今后其他同类工程项目的设计和建设提供借鉴参考。