娱乐性冰场暖通空调设计

0 引言

随着人民生活水平的提高，无论在北方还是南方，人们都对冰上运动产生了浓厚的兴趣。人工冰场的兴建打破了地域和时间的限制，为人们提供了冰球、速滑、花样滑冰、冰上舞蹈、大众娱乐滑冰等冰上活动场所。人工冰场从其功能上可分为：供运动员训练和比赛用的冰场和速滑冰场；供娱乐用的大众冰场等。娱乐性冰场空调系统既不同于大型比赛用冰场，也不同于一般舒适性空调，并且建设初投资高，运行能耗大，因此冰场的设计值得研究。

1 娱乐性冰场空调特点

1.1 一般娱乐性冰场大多设置在商业娱乐性建筑内部，由独立的商家进行经营、维护和管理。由于作为一般用途，其尺寸可以任意确定，但多数是按能进行冰球比赛的场地尺寸来建造的。娱乐性冰场通常不设大型观众席，仅设部分围廊及公共区域。

1.2 一般娱乐性冰场空间大，面向室外的围护结构面积较大，有时还有透光屋顶，负荷特性较复杂。

1.3 冰场区域呈明显不同的三个温度带：冰面附近的低温- 4℃，滑冰者直立区域的10℃以及周边公共区域的20℃。

1.4 解决冰场起雾、屋顶和内表面结露以及防腐问题是冰场通风空调设计的关键内容。由于冷辐射的影响，冰场防结露计算不同于游泳馆，难以直接利用现有公式进行精确计算，一般采用数值计算进行分析。

2 室内设计参数的确定

2.1 温度和湿度

对于冰场内的空调设计干球温度和相对湿度，国内还没有相关设计规范和技术措施加以规定，只有几篇文献给出了建议值。文献中建议室内温度不宜太低，一般取24℃，相对湿度不宜太高。另有文献中建议在冰场1.2m高度处室内温度为20℃±2 ℃，相对湿度为50%±5%。文献建议应严格控制冰场内空气温湿度，空气温度低于22℃，相对湿度小于60%。国外已有相关冰场技术指南明确给出了冰场内温湿度参数，例如有文献给出冰场内1.5m高度处空气温度为6～12℃，相对湿度不大于70%，并认为这样既节能又满足使用要求。

国内外文献给出的冰场内设计参数推荐值相差较大。国内文献中给出的冰场内设计参数是参照一般舒适性空调房间的设计参数给出的，按一般区域考虑冰场内滑冰者的舒适性要求，冰场内温度较低,夏、冬季均需供热方能达到设计温度，产生较大的冷热抵消能耗，而滑冰者的舒适性要求则有待探究，且在这种设计参数下结露和起雾问题会明显加剧。国外文献则基本上不对冰场内温度进行控制，仅对相对湿度稍加控制。这样可能“牺牲”滑冰者的温度舒适性需求(实际上本文随后的数值计算结果表明，这种设计条件下人员的舒适度仍在可接受范围之内)，但有利于防结露和防雾，并且十分节能。

冰场内的温湿度除需满足人员舒适要求外还应满足防结露、防腐蚀、防起雾的要求。有文献中归纳出易引起起雾和结构腐烂、腐蚀的室内参数，如表1～3所示。为了防止冰场内各类构件受到结露或雾气的影响，需要对冰场空间的相对湿度进行严格控制。

2.2 新风量

娱乐性冰场一般是按标准比赛场地尺寸来建造的,其滑行面积按1.5～2.8m ² /人考虑，当取1.5m ² /人时会十分拥挤，一般新建冰场基本上按上限来考虑。人均设计新风量可按《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005，新版2015) 第3.0.2 条取值。

2.3 风速

人员活动区的风速需要严格控制，过大的送风速度会加速冰面的融化，增加制冰系统的负担，一般，风速宜为0.2m/s左右。如果采用喷口送风，为了控制人员活动区域的风速，送风口的送风速度需经过严格计算确定。而对于一般上送风，送风口的风速一般不宜大于2m/s。

3 冰场防结露设计

3.1 结露的原因

在冰面冷辐射作用下，冰场周边固体壁面及顶棚的内表面温度较低，一旦低于附近空气的露点温度，就会导致水蒸气结露附着在壁面，不但会腐蚀壁面材料形成霉菌，严重时还会形成水滴掉落，影响冰面的平整及正常使用。另外，室外潮湿空气进入场内后，使场内空气的露点温度升高，也会加剧结露。

3.2 防结露的措施

目前，国内外防结露的措施主要从建筑材料、加热气流两方面加以考虑。

1) 采用低辐射率的材料，如铝箔、抛光铝板、玻璃钢瓦楞板等作顶棚表面材料，以减少冰面对顶棚的冷辐射，同时使顶棚表面维持较高的温度(高于场内空气的露点温度)。这些板材对提高场内照度也有一定作用。

2) 将经加热的空气送至顶棚，以提高顶棚表面温度至周围空气露点温度之上以防止结露，送风呈水平贴附射流为好,以便在顶部形成一个热空气层，从而避免屋顶结露。

3) 在冰场内加设除湿机，降低空气含湿量，从而降低室内空气露点温度，减少结露。

4) 在满足舒适性要求的前提下，尽量降低场内的温度和相对湿度，从而降低露点温度，减小结露的可能性。

对于除湿，目前主要有以下几种方式：加热除湿、冷却除湿、溶液除湿、固体吸湿剂除湿、干式除湿等，各种除湿方式的优缺点如表4 所示。在冰场空调中，由于有低温载冷剂可以利用，故冷却除湿既方便又经济，使用普遍。

4 防雾设计

4.1 起雾的原因

人造冰场上空的雾主要是由于冰场上的冷辐射及对流传热形成的。冰面附近空气温度接近冰温，但随着高度的增加，空气温度迅速升高，直至接近室温。室内空气与冰面空气混合后的状态点处于焓湿图的雾区，即能形成雾气，当空气不流动时尤为严重。从焓湿图上可以分析得出：室内空气温度越高，相对湿度越大，就越容易形成雾气。根据相关文献中的现场测定，在冰面温度为-4℃，室内空气温度为24℃，冰场上空空气平均流速为0.2m/s，相对湿度为80%的条件下，经8 h的冷辐射，冰场上空会形成雾粒半径为7～15μm、浓度为100个/cm ³ 、视距为15m的弱雾，雾层高度约4m。雾层的形成时间在02：00～10：00。

4.2 防雾措施

根据雾气形成的机理，人造冰场内的除雾除湿归结起来有以下几种方式。

1) 由于冰场需要引入新风，故只要利用该新风系统(已经过除湿处理)向冰面送风，加强室内空气与冰面附近空气的混合，使混合点状态接近室内空气状态，必能远离雾区。从气流组织上讲，宜选择上送下回气流方式，回风口接近冰场。由于雾粒体积比空气分子体积大，很容易被气流带走，因而雾气会从冰场越过栏板向四周溢出，随即自行消失，达到排雾的目的。在雾气排除后即可停止向冰场送风，由于雾气的排除改变了冰场内的空气湿度，因而距下次雾层的形成将有8 h 以上，可以保证一定的使用时间。8h后结合冰面修整机修整冰面再进行排雾,即可实现冰场无雾。这种方法还可以减少通风运行费用。另需注意冰面附近的平均风速不应过大，否则会影响冰面冷负荷从而引起冰面温度的变化。

2) 室内冰场区域加装除湿机进行局部去湿处理，以降低室内局部地区的露点温度。该除湿机可以利用冰场回流溶液进行冷却除湿。

3) 对过渡季节采用自然通风的冰场，要注意室外空气的温湿度参数，湿空气不能直接引入场内。

5 冰场节能措施

人工冰场建设初投资高，运行耗电量大，冰场内的能耗主要在两方面：冰场制冷系统；冰场除湿空调系统。

5.1 制冷系统节能

冰场内最主要的能耗在于制冰系统，制冷机在制冰过程中产生大量的冷凝热，这些热量通常由冷却塔排至室外。同时冰场内还有许多需加热的场合(如末端再热、整冰加热等)。如果将这两方面结合在一起，即将制冰主机产生的冷凝热回收起来供给需要加热的部位，将是一种节能措施。另外，利用冰场回流溶液直接进行冷却除湿，也是一项节能措施，因为无需额外的制冷设备投入，可节省初投资和运行费用。流程示意图如图1所示。

5.2 空调系统节能

在将室外新风经过去湿处理送入冰场空间时，为保持冰场一定的微正压需要将冰场内的空气排出，可以对需排出的低温空气进行能量回收作为对新风的预处理。空气处理流程示意图见图2 。

6 工程实例

6.1 工程简介

某冰场为娱乐性冰场，位于上海某大型购物中心的7 层，跨越7～9层直至顶层，冰场内净高将近20m，1 层为总服务台，主要为售票、换鞋等区域。2～3层为观光围廊，围廊周边为餐饮和娱乐场所。该冰场由专业公司参与经营，并负责完成整个冰场制冰系统的设计建造。冰场模型图如图3 所示。

6.2 室内参数及空调方式的确定

在空态情况下(即没有采取任何空调措施)，对模型分别进行了夏季、冬季和过渡季的CFD模拟计算，以获得不同季节冰场内的PMV和PPD，模型如图3所示。

ISO7730 对PMV，PPD指标的推荐值为：PPD＜10%，PMV = - 0.5～0.5。《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003) 对PMV，PPD指标的推荐值为：PPD ≤27%，-1≤PMV≤1。可见ISO7730 相对来说对人体的舒适性要求更为严格。

从CFD 计算结果(见图4～8)可以得出：在不开启空调的情况下，距冰面1.5m 处即滑冰者的体感区的温度为7～16℃，相对湿度为60%左右。

并可以算出夏季的PPD处于5.1%～7.4%之间，PMV值在-0.4～- 0.1间；冬季的PPD 处于5.6 %～9.1%之间, PMV值在0.2～0.4之间；过渡季的PPD 处于7.0 %～9.1%之间，PMV值在- 0.4～- 0.3之间。可见，无论冬、夏季还是过渡季，PMV，PPD指标基本都能满足ISO7730要求。由此可知，冰场内无需进行空调处理，滑冰者穿着各季节相应的服装在冰上滑冰时对冰场热环境不满意的比例相当小。这个结果同国外关于冰场设计指南中推荐的室内参数值相当吻合。至于人员所需新风，只需将送入室内的新风处理到场内空气状态点即可(各个季节冰场内的状态点可由CFD计算获得)。

6.3 防结露分析计算

通过模型计算可以得出冰场区域内温、湿度场及顶板壁温的计算结果，然后通过比较各壁面(顶板和周边回廊吊顶)与其附近的空气露点温度(可以通过得出的干球温度和相对湿度算出)，分析各个季节条件下，房间参数不同时结露的可能性。

在夏季，冰场上方的顶板内壁由于室外温度的影响壁面温度较高,加上下方冰面冷辐射的双重影响，设计日壁面温度大约为18.2～20.1℃，而该壁面附近的温度和相对湿度分别为18.4℃，65%，露点温度为11.7℃，不会产生结露现象。

冬季尽管顶板壁面温度为5.5～6.7℃，但壁面附近的空气温度为6.5℃，相对湿度为75%，露点温度为2.4℃，也不会产生结露现象。

过渡季节，壁面温度为8.6～9.6℃，壁面附近的空气温度为9.3℃，相对湿度为45%，露点温度为-2℃，不会产生结露现象。

本例中冰场上方的屋面为一个夹层空间，模拟计算的边界条件也是按此选取的，故得出冬季壁面温度为5.5～6.7℃，此时辐射换热起主导作用。

但若是冰场上方的顶棚为一般保温屋面，则由于室外温度较低，导热占主导作用，这种情况下顶棚的壁面温度将可能低于其附近的露点温度，故一般为了保险起见，建议设置夹层屋顶或对顶棚加热以提高顶棚内表面温度而不至于结露。也可以针对工程实际情况作CFD 计算，获得相对准确的数据(是否可能结露) 后采取相应措施。周边区的比较结果见表5 。

从表5 中结露分析结果可知，对于周边区1层区域，为了保证房间不结露,夏季设计温度为24～25℃时，相对湿度不应高于55%。冬季基本不会发生结露现象。过渡季设计温度为20℃时，为了防止结露，其室内相对湿度不应大于50%。对于周边区2层和3层区域，为了保证房间不结露，夏季设计温度为24～25℃时，相对湿度不应高于60%。冬季基本不会发生结露现象。过渡季设计温度为20℃时，为了防止结露其室内相对湿度不应大于50%。

对于大空间冰场，冰场顶板由于距离冰面较远，辐射角系数相应较小，辐射换热量减小，同时由于顶板材料采用低辐射率的材料(铝箔)，进一步减小了辐射传热,因此顶棚接受冰面的冷辐射量较小，顶棚壁面温度不至于较低。而冰场周边围廊区域，由于离冰面较近以及吊顶材料为一般材料，故接受冰面冷辐射较大，吊顶温度很低，特别容易结露。

6.4 冰场内参数的确定

1) 冰场区域

从夏季、冬季及过渡季的模拟结果可以看出，冰场区域内无需增加空调系统，只要将需要的新风处理到室内状态点即可保证人员舒适性，且冰场顶板不会结露。

2) 周边区域

为了防止结露的发生，夏季室内设计参数确定为：干球温度24℃，相对湿度55%；冬季室内设计参数为：干球温度18℃，相对湿度55%(不控)；过渡季节，控制相对湿度不大于50%。

7 结论

建造一个运行良好的冰场，需要依靠各相关专业协同努力。

7.1 对建筑专业的要求

1) 首先，建筑专业在确定冰场的位置时应进行充分论证，从使用效果及节能方面来说，冰场最好是能置于封闭空间中，将外界环境对其的影响减至最小。有些冰场上方为玻璃屋顶，为此而进行的防结露设计耗能巨大，得不偿失。

2) 冰场上方的屋顶和周围的墙体应采用良好的保温隔热措施，且上方的屋顶材料宜采用低辐射材料。

3) 冰面上部空间6 m高度以内不设任何设施，否则会因冰面冷辐射结露凝水，产生霉变。6m 以上高度由于接受冰面冷辐射能量减弱，相对不易结露，但具体项目尚需通过计算方可下结论。

4) 冰场四周围栏非常重要，因为它能有效阻挡冰场向四周空间的冷辐射。

7.2 对空调专业的要求

1) 由于冰场内辐射传热的影响相当大，故在进行冰场空调设计时,需进行辐射换热计算。通常无法采用手算，采用CFD 模拟软件进行计算可以指导之后的设计。

2) 冰场内空气温度可以不加以控制，但相对湿度应控制在小于60%。

3) 各层围廊(尤其是和冰场处于同一层的围廊) 由于接受冰面的冷辐射最强烈,并且围廊内的露点温度较高，产生结露的可能性很大，需要进行有效控制。

4) 冰场内任何送风口不可直射冰面，直对冰场的空调送风口风速应小2m/s，否则冰面易融化。

5) 在某些地区(如严寒地区)，为了防止屋顶结露，在冬季可直接采用室外低温干燥的空气对冰场进行空调，或者将室外空气加热到30℃送入冰场上空，形成一个热空气层。在夏季直接将室外空气通过新风机组(通常无需设换热盘管)，从送风口水平射出，在屋顶内上部形成一个热空气层，从而避免屋顶结露。

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