室内冰场湿空气状态的实验研究

丁惠明 苏炜捷 李鑫 张程宾*

1 东南大学建筑设计研究院有限公司

2 东南大学能源与环境学院

0 引言

人工冰场在运行过程中经常会发生起雾现象，这主要是由于冰面附近低温高湿度的空气与室内的空气在混合过程中会跨过雾区。起雾现象的发生不仅会影响冰场的使用体验，还会缩短室内木质和金属品的使用年限。由于气流组织与起雾之间有着极大关联，因此目前分析起雾现象的研究主要从气流组织出发。在不同工程实例中都可以看到对室内冰场气流组织的优化[1-2]。此外，CFD 在冰场的气流组织分析有着广泛应用[3-4]，通过数值模拟得到不同送回风方式下的温度和湿度分布，分析起雾发生的可能性，从而得到合理的送回风方式。

本文通过实验还原冰场实际的室内环境，测量不同送风条件与不同高度的回风口下的冰场的温度场和回风口的湿度大小。利用焓湿图分析冰面上方湿空气状态变化过程，判断相应送风条件下是否会造成起雾，并选出所测送风条件中最适合的送风条件。

1 实验装置与实验过程

本文实验装置分为两个主要部分：室内冰场空间和空气循环系统。图1 展示了用于模拟室内冰场空间的装置。空间大小为1 m×1 m×1.2 m，墙体由80 mm 厚的聚苯乙烯保温板（EPS）拼接而成，顶部为送风口，侧面存在三个高低不同的回风口（表1），送回风口尺寸均为0.2 m×0.2 m。装置底部铺设载冷剂管道，鉴于实验装置模拟面积较小，出于简化的目的，实验中的冰面面层结构采用冲砂面层[5]。为了测量空间内温度分布和湿度分布，在装置内回风口内的墙壁上设置若干个热电偶（表2），并在送回风口处设置温湿度测量仪（表3）。图2 展示了整个实验系统组成图。其中在空气循环过程中，由于实验中湿空气存在高湿度和低湿度两种不同工况，因此采用加湿器和干燥剂（无水氯化钙为主要成分）控制湿空气的相对湿度大小。

图1 模拟室内冰场空间装置

图2 实验系统组成图

表1 回风口高度

表2 热点偶摆放的高度

表3 温湿度计设置高度

实验过程分为两个阶段：第一阶段为制冰过程，基于现有的关于室内冰场对冰面温度的要求[6]，实验中冰面在-2～-6 ℃的温度区间内。第二阶段为室内冰场空气循环过程中冰场空间内的温度和湿度变化。实验中，通过图2 中送风口处的温湿度计测量送风状态，并将湿空气的状态分为两组：高湿度组（相对湿度在61%左右，干球温度20.6 ℃左右）和低湿度组（相对湿度在36%左右，干球温度在25 ℃左右）。实验过程对应6 种不同的空气循环方案和相应的送风参数如表4所示，每种空气循环方案持续通风30 min。冰场在夜间运行过程中，当停止人员活动后，会使用冰场冰毯覆盖冰面[7]。因此在不同的空气循环方案结束后，使用保温毯覆盖冰面，再持续通风10 min 消除上一个工况的影响。

表4 空气循环方案

2 实验结果分析

2.1 冰场温度分布

图3 展示了高湿度典型工况的整个温度变化过程。图中h 表示距离冰面的高度（cm）。从图中可以看出空间内的温度总体呈下降的趋势，同时随着高度的降低，温度下降的幅度越大。在20 min 左右时，空间内各高度的温度基本达到稳定。此外，图4 展示了低湿度典型工况温度变化过程。综合对比图3 和图4，可以看出不同工况下，冰场内的温度变化呈现出相似的规律，空间位置越高，温度波动变化幅度越小，也越容易到达平衡。同时可以看出，不同工况下，冰面附近的空气温度受送风温度的影响不大，可忽略不计，说明送风温度对整个冰场的温度场分布影响有限。在实际冰场运行的过程中，更应该关注1.5 m 高度处的温度大小是否满足相应的设计工况。

图3 高湿度典型工况的整个温度变化过程

图4 低湿度典型工况温度变化过程

同时，根据不同工况下，冰场内温度在达到稳态时的温度数据绘制成如图5 所示的温度随高度变化的曲线图。从两组不同的送风状态对应的冰场温度变化曲线可知，冰场的温度变化趋势极度相似，回风口位置的差异对温度分布的影响可忽略不计，在低相对湿度组中，下回风口的温度变化曲线与上回风口和中回风口的温度变化曲线出现较大差异。这种差异出现的原因可能是初始测量时，下回风口对应的冰面温度与上回风口和中回风口的冰面温度存在较大差异。在冰面到20 cm 高度的空间内，温度发生剧烈变化，从冰面处-4 ℃升温到10 ℃以上。在20 cm 以上的区域温度升温速度减缓，并在50 cm 以上的空间趋于平缓。从不同工况下的冰场的温度变化曲线中，可以初步推测起雾发生的高度区间在冰面以上到20 cm 以下的空间内。

图5 不同工况下，20 min 时温度随高度变化曲线图

2.2 冰场湿度分布

相对湿度的大小是冰场发生起雾现象的重要原因，同时由于实验装置面积较小，起雾现象难以用肉眼直接观察到，因此本文通过测量冰场内湿空气的相对湿度大小，再结合焓湿图判断湿空气在混合过程中是否会跨过雾区出现起雾现象。实验中湿度计布置在回风口处。通风30 min 后，不同工况下三个回风口附近侧得的相对湿度如表5 所示。

表5 不同工况时回风口处的相对湿度

由于相对湿度值的大小会受到温度的影响，无法直观的体现不同高度下空间内的含湿量，因此将测到的相对湿度转化为含湿量。同时计算湿空气从送风口送入室内，并与室内湿空气混合后，从回风口排出时，整个过程中增加的水蒸气质量，该差值的正负可以反映出冰场总体处于除湿还加湿状态，差值的大小可以对比出不同送回风方案带走水蒸气的能力。该差值具体的计算方法为回风口处的相对湿度减去送风口处的相对湿度，并将结果绘制成图6。

图6 同工况下时湿度随高度变化曲线图

从图6 中的结果可以看出，回风口位置的不同，对于空气循环过程中带走水蒸气的能力有着很大的影响。含湿量差值的大小可以反映出，冰场内湿空气中的水蒸气剩余的多少。当通风状态为高相对湿度时，含湿量的差值为负值，此时冰场内总含湿量处于增加的状态，无法起到除湿作用，对防止起雾现象的出现极为不利，说明送风状态的相对湿度不宜超过60%；当通风状态为低相对湿度时，含湿量的差值为正值，此时冰场处于除湿状态。另一方面，采取不同回风口时，含湿量的差值会发生变化，总体上，下回风口的效果最好，其次为中回风口，而上回风口的效果最差。

2.3 冰场内空气状态变化

前面从冰场的温度和湿度两个方面分析冰场内湿空气的状态，为了探究送风状态与起雾现象之间的关系，结合前面所测得的温湿度数据，利用焓湿图分析冰场内湿空气的混合过程，结果如图7，图中AN 线表示A 点与绝对湿度线的切线，即在AN 线右边表示在空气状态变化的过程中会跨过雾区，此时冰场极有可能有雾气的产生。图中Q 点为三号温湿度计测得的湿空气状态参数，则用AQ 线表示冰场模拟空间内的湿空气状态变化过程。不同工况Q 点具体的湿空气参数见表6

表6 三号温湿度计测量参数

图7 不同工况下，冰场内的空气状态变化

根据焓湿图上的空气混合过程可知，在湿空气的混合过程，跨过雾区的温度区间在冰面温度到5 ℃之间。当送风状态处于低湿度组时，上回风口的情况明显跨过“雾区”，中回风口轻微跨过雾区，下回风口并未跨国雾区。当送风状态处于高相对湿度时，三种不同回风口的情况，均跨过雾区，说明当冰场的送风状态的相对湿度不应超过60%，同时随着回风口高度的降低，焓湿图上跨过雾区的范围逐渐减少，说明上送下回的送风方式是冰场最为合理的送风方式，与前面在含湿量方面的分析结果相一致。

3 总结

通过对冰场送风状态和送回风方式的研究，可以得出以下结论：

1）不同工况下，冰场的温度有着相似性。在冰面上方20 cm 以下的位置温度会发生剧烈变化，同时该区域也是发生起雾的主要区域。

2）冰场空气调节过程中，湿空气相对湿度应该处于较低的范围。但是，湿空气送风点的相对湿度越低，其建设成本也会相应增加，所以送点口的相对湿度应该保持在一个合理的范围之内。根据本文的实验结果，送风口的相对湿度保持在30%～40%即可满足要求。

3）上送下回的送风方式是冰场最为合理的送风方式，且回风口的高度越低越好，这是由于下回风口的设计能够带走更多冰场内湿空气中的水蒸气。减少冰面上方湿空气中的水蒸气增加，减少冰场出现起雾概率。

4）从冰场内的温度变化中，可以看出不同工况下，冰场内的温度变化呈现出高度的相似性。同时，对比不同工况下的温度波动幅度和变化速率，发现送风状态对整个冰场空间的温度影响有限，特别是在冰面附近的影响可忽略不计。