杭州奥体中心体育游泳馆的空调系统设计

杭州奥体中心体育游泳馆的空调系统设计
李文芳;许淑惠;游俊
【摘要】造型独特的体育场馆在城市建设中已成为地标性的建筑.由于其建筑结构的特殊性,要求在各方面的设计应考虑个性化的特点.造型独特的杭州奥体中心体育馆、游泳馆以及冰场空调系统的设计要点,依据体育冰场设计的独特性,重点分析了冰场设计中的技术要点、负荷计算以及应注意的相关问题,为大型体育场馆的设计提供参考.
【期刊名称】《北京建筑工程学院学报》
【年(卷),期】2011(027)001
【总页数】5页(P51-55)
【关键词】空调设计;体育馆;冷负荷;冰场
【作者】李文芳;许淑惠;游俊
【作者单位】北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044;北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044;北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京100044
【正文语种】中文
【中图分类】TU831.6
1 工程概况
杭州奥体中心体育游泳馆是杭州奥体博览中心的主要组成部分之一，是杭州市政府
在钱塘江南岸兴建的大型城市公共设施，她将为杭州市举办国内外大型体育活动提供一个具有国际知名度的现代化场馆.杭州奥体中心体育游泳馆将与奥体博览中心
用地中其他项目一起，作为杭州市新的形象窗口，向外界展现杭州现代化的新面貌，从而带动城市向钱塘江以南发展，实现市政府沿江开发、跨江发展的战略目标，形成以体育、博览功能为主，集商务、旅游、休闲、文化功能于一体的城市新区.
杭州奥体中心体育游泳馆具体涉及内容包括:体育馆:73 608m2，约18 000个座位，位于用地南端为一个多功能体育馆，馆内能进行篮球、羽毛球、排球、乒乓球、手球、竞技体操、拳击、武术、室内足球等比赛.游泳馆:53 486m2，约6 000个座位，位于用地北端，为一个集游泳跳水比赛和训练为一体的专业运动场馆.配套商
业设施:85 192m2，位于用地西南侧七甲河边.机动车地下停车库:122 824m2位
于地下一层，二层靠近青年路一侧.自行车停车库:4 230 m2，位于地面层靠近青年路一侧.8 m平台下:53 804m2.能源中心:3 806m2，其中冷源中心2 213m2位于地下，供体育游泳馆使用.锅炉房1 593m2，位于钱塘江一侧青年路边，半地下独立设置服务于体育游泳馆和博览中心.
图1 奥体中心外景图
室外设计参数:冬季室外采暖计算温度:0.1℃，冬季室外通风计算温度0℃，夏季室外通风计算温度32.4℃，冬季室外空调计算温度－2.2℃，冬季室外空调计算相对湿度82%，夏季室外空调计算干球温度35.7℃，夏季室外空调计算湿球温
度:27.9℃，冬季大气压力1 021.8 hPa，夏季大气压力999.8 hPa，冬季室外平均风速2.6m/s，夏季室外平均风速2.7m/s.
2 体育馆
2.1 冷源
总冷负荷:14 200 kW.体育馆所有的冷量需求均由集中冷站供给.
制冷:由集中冷站供给，其冷冻水供回水温度为:4.5/14.5℃.冷冻水系统为二次泵变
流量系统，在体育馆地下一层冷冻水泵房内设三台二次冷冻水泵，系统采用气压罐定压，补水均由集中冷站供给.
2.2 空调风系统
空调形式:比赛大厅及观众休息厅等大空间采用单风道全空气空调系统.贵宾接待室、赞助商包厢、休息室、媒体用房、办公室、会议室、比赛技术用房等处采用风机盘管加新风系统，采用该系统可根据需要进行分室调节［1］.
气流组织形式:比赛大厅为座椅下送风，在每个固定座椅下部设一个专用送风口;活
动座位区是通过设在下面侧墙上的送风静压箱送风，冷气流经活动座椅之间的缝隙到达观众席和比赛场地.为满足赛后使用，在比赛场地下预留了送风沟，可实现场
地的地面送风.空调回风口布置在二层侧墙面及比赛大厅顶部.观众休息厅为上部送
风集中回风，二层为吊顶散流器送风，四层为喷口送风，回风口设在体育馆东西两侧扶梯旁的竖井侧壁.
体育馆篮球场屋顶为钢结构网状，布置顶棚排风排烟风管时不能与钢结构碰撞，故风管设计均是穿过网状结构均匀布置，如图2所示.
图2 篮球场顶棚通风排烟风管图
机房设置:主要空调机房设在地下一层，新风采集口设在首层，由风管引入地下一
层空调机房内.比赛大厅和观众休息厅的主风道设成环状，为各分区送风的支风道
分别引出，并通过电动调节阀实现分区控制.
2.3 空调水系统
工程供空气处理机组、新风机组水系统采用四管制，其冷冻水供回水温度为
4.5/14.5℃，热水供回水温度为60/50℃.供风机盘管水系统为全年供冷采用两管制，其冷冻水供回水温度为4.5/12.5℃.
由于比赛大厅的空调为下送风，需要较小的送风温差，夏季空气处理过程需通过再热才能达到送风状态点，所以比赛大厅空气处理机组内特别设置了热管换热器对经
冷却处理过的空气进行再热，以满足比赛大厅所需的送风温度.空气处理机组内空气流程如下图所示:
图3 空调机组立面图
空调热水采用一次泵变流量系统，空调冷水采用二次泵变流量系统，各循环泵均设在地下室内.
地下一层的弱电和通讯控制机房设带独立冷源的空气调节设备.
首层的部分竞赛管理用房和媒体用房赛后会改变使用性质，设计中暂时预留了空调水系统管路.
2.4 通风系统
全楼的空调房间和不具备自然通风的非空调房间都设置了机械排风系统，训练馆、比赛大厅和休息厅的排风系统按照最小及全新风量设置，可实现全新风模式运行.
3 游泳馆
3.1 冷源
总冷负荷:9 550 kW.游泳馆所有的冷量需求均由集中冷站提供.
制冷:由集中冷站供冷，其冷冻水供回水温度为:4.5/14.5℃.冷冻水系统为二次泵变流量系统，在体育馆地下一层冷冻水泵房内设三台二次冷冻水泵，系统采用气压罐定压，补水均由集中冷站解决.
3.2 空调风系统
比赛大厅观众区采用全空气一次回风双风机系统，气流组织为喷口平行射流送风，分区域座椅下回风的方式，在双侧看台后排座椅上空设置两排送风喷口，以满足不同区域看台送风需求.空调机组过渡季按照全新风方式运行以充分节能.为保证夏季送风不结露，空调机组内设置热管换热器，将冷盘管出口的送风和新回混合风进行显热交换，将送风温度提升至室内露点之上.比赛大厅送风干线贯通并设置电动阀门，满足分区域送风需要.
池区单独设置送风系统，以满足运动员和观众对温湿度的不同要求.采用直流系统
以保证消除空气中的余氯，达到卫生要求.池区采用热管热回收新风机组，气流组
织为喷口平行射流送风，同侧下部回风的方式.在双侧看台下部，池区边沿设置喷口，双侧射流对射保证射流全部覆盖池面区域，减少与观众区的气流掺混.
陆上训练采用旋流风口.喷口、旋流风口采用根据送风温度自动调节风口叶片角度
的自立式风口.
为满足业主对空气品质的严格要求，各机组除根据室内空气的处理要求，配备相应的混合段、过滤段、加热段、表冷段、风机段等外，均配置空气净化段.
3.3 空调水系统
水系统制式:本工程供空气处理机组、新风机组水系统采用四管制，其冷冻水供回
水温度为4.5/14.5℃，热水供回水温度为60/50℃.供风机盘管水系统为全年供冷
采用两管制，其冷冻水供回水温度为4.5/12.5℃.空调热水采用一次泵变流量系统，空调冷水采用二次泵变流量系统，各循环泵均设在地下室内.池区空调机组设置再
热盘管，供水温度60/50℃.
比赛池区和训练池、戏水池区采用地板辐射系统供暖，范围为游泳馆池区地面，供热需全年运行.热交换机房内设板式水－水交换器，二次水温为50/40℃.
3.4 通风系统
观众厅、休息厅按照空调系统最小新风和全新风运行模式设置排风系统，排风口设在顶部，风机和排烟系统共用.
池厅设置排风和新风进行热交换后排出屋顶，屋顶设置过渡季排风机，用于过渡季停止运行热管换热系统时的池厅排风.
厕所、更衣室、淋浴室等设置机械通风设施.排风全部排至屋顶.地下设备机房设置
机械通风系统，排风统一排至屋顶.在游泳馆顶棚部分区域适当设置通风机，以防
过渡季和冬季该部位结露.
4 冰场
4.1 体育馆冰场技术要求
1)体育馆内布置了一片短道速滑场，其周长为111.12m的跑道，弯道半径8m，直道长28.855m，弯道实滑线半径为8.5 m.同时在速度滑冰场内布置了一片标准冰球场地，其冰场净尺寸为60×30 m，可以进行冰球、花样滑冰、短道速划、冰壶运动.
2)冰场冰层的平均厚度为3～5 cm，冰层表面应平整光滑，冰场内任一位置处3 m区域内的冰面起伏应小于2mm.
3)各竞赛项目冰场内冰面的温度设置为:速度滑冰场及冰球竞赛场地，－6～－7℃;短道速滑竞赛场地，－4～－6℃;花样滑冰竞赛场地，－3～－5℃;冰壶竞赛场地，－4～－5℃［2］.
4)在距离冰场冰面高度为1.3 m，处测得的空气温度应为15±2℃.
5)在保证无雾的情况下，距离冰场冰面高度1.3m处的空气相对湿度应小于70%.
6)冰层应采用清澈透明、无可见杂质的中性洁净水.
7)载冷剂的质量浓度为40%乙二醇水溶液.
8)通过场地内布置的温度传感器控制制冷机的运行.
9)乙二醇管道DN25使用PEM管材，其余可以使用焊接钢管或PEM管，保温使用橡塑海绵.
10)冷却水管道使用焊接钢管，不保温.
4.2 设计条件及设计参数
设计条件:冰面面积 F=1 800 m2.设计参数［3］:夏季室内空气温度tn=26℃，相对湿度60%，冬季室内温度16℃，蒸发温度tz=－12℃，冷凝温度tl=36℃，冰面温度tb=－5℃，冻冰时间t=10 h，冰面厚度δ=40mm.
4.3 冰场冷负荷的计算［3－4］
正确计算冰场负荷不仅是选择制冷设备和能耗分析的前提，而且还有助于分析冰场的传热机理，找出影响各项负荷的因素，继而采取一定措施控制冰面和环境之间的换热，降低运行能耗［5］.
人工冰场确定负荷的方法常用的有指标估算法、图表计算法和分项计算法三种［2］，前两种比较粗糙，下面介绍较为精确的分项计算法计算冰场冷负荷Q.
式中 Q——冰场冷负荷，W
q——冰场单位面积冷负荷，W/m2
qc——对流放热负荷，W/m2
qm——对流传质负荷，W/m2
qf——辐射传热负荷，W/m2
qr——太阳辐射负荷，W/m2
qg——地下传热负荷，W/m2
qi——冻冰负荷，W/m2
F——室内冰场面积，m2
①对流放热负荷qc
式中α——对流放热系数，取4.7W/(℃·m2)
ta——室内空气温度，26 ℃
tb——冰面温度，－5 ℃
②对流传质负荷qm
式中σ——传质系数，σ =α/920，kg/(m2·s)
da——空气的含湿量，12.8 g/kg
di——冰温下饱和空气的含湿量，2.4 g/kg r——水蒸气的凝结潜热和凝固潜热，2 836 kJ/kg ③辐射传热负荷 qf［5］
式中εb——冰面黑度，取0.96
Tw——室内墙壁温度，取室内温度26℃
④太阳辐射负荷qr
⑤地下传热负荷qg
式中 tg——地坪温度(室外计算温度)，取31.6℃tp——冷排管表面温度，取－6℃
K——地坪传热系数，0.167(W/m2·℃)
⑥冻冰(整修冰面)负荷qi
式中 b——每次浇水厚度，0.001m
ρ——冰的密度，917 kg/m3
h——水冷却并结冰的放热量，678 000 J/kg t——每次浇水冻结时间10 h
⑦照明负荷Qz
式中 qz——单位面积照明负荷，取10W/m2
⑧人员负荷Qp
式中 qn——单位面积人员负荷，取60～130 W/m2.本次计算取100W/m2
⑨单位面积冷负荷q
由(1)、(2)－(6)式得到单位面积冷负荷为
⑩冰场维持冷负荷Q
注意:以上所述第4项太阳辐射负荷当所设计冰场在室外时则需加入总负荷中，本次设计冰场在室内故该项负荷按零取.第7、8项照明和人体负荷只在冰场某一特定时段根据冰场使用状况考虑是否加入总冷负荷中.本文中仅按照一般未运营情况计算不考虑以上两者负荷值.详见文献［2］.
可见，夏季当室温26℃时，冰上无活动，维持负荷约为823.14 kW.与首都体育馆夏季维持冷负荷987.4 kW比较相近.
另外，制冷系统制冷量应根据冰场负荷计算中最大值考虑7%的负荷附加来计算.
4.4 散湿量计算［6］
散湿量W为人体散湿量W1和冰面升华散湿量W2之和，即
其中
①人体散湿量W1，计算参照空调设计规范［2］，此处取人员数为20人，计算得W1=2.01 kg/h.
②冰面升华散湿量W1
式中σ——传质系数，σ =α/920，kg/(m2·s)
da——空气的含湿量，12.8 g/kg
di——冰温下饱和空气的含湿量，2.4 g/kg故总散湿量为W=347.61 kg/h.
4.5 消除雾气和防止结露［7］
消除冰面的雾区:①采用顶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，远离露点;②减少室内湿源，主要
是人和新风;③用部分载冷剂的回水作为空气处理机的冷源，提高空气处理机的除
湿能力，降低空气露点温度;④室内装置除湿机.
防止顶棚结露:①采用铝合金吊顶，减少冰面冷辐射的影响;②提高顶棚内表面温度;③室内设置除湿装置或空调系统.
根据计算湿负荷选择8台除湿机均布于冰场四角.
5 小结
比赛大厅及观众休息厅等大空间需采用单风道全空气空调系统.其他房间等处采用
风机盘管加新风系统，可根据需要进行分室调节.
比赛大厅空气处理机组内特别设置热管换热器对经冷却处理过的空气进行再热，以满足比赛大厅所需的送风温度.
为保证夏季送风不结露，游泳馆空调机组内设置热管换热器，将冷盘管出口的送风和新回混合风进行显热交换，有助于将送风温度提升至室内露点之上.
冰场负荷计算需考虑各项因素的影响，确定冰场的使用及设计情况.不是单一的某
项负荷.
由于冰场的室内湿度较大，一般均采用温湿独立控制方式，直接将室外新风处理到室内状态点送入，温度即可满足舒适度要求，故无需增加空调系统.
冰场送风系统采用顶送下回，起初在顶棚设计了32个送风口，可以将冰面雾气有效消除.但通过咨询了解到冰场只需按计算散湿量的1/3选择合适台数的除湿装置.冰场除湿机只能放置于冰场四个对称角位置，避开看台区.
除雾防露是冰场设计中需引起重视的方面，设计未达需求易造成运动项目难以进行，环境舒适度降低，运动场建筑结构维护难度增大.
参考文献:
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