介绍了体育馆冷热源、供暖空调水系统、空调风系统及防冻系统设计等。结合建筑使用特点及当地干热气候特征，采用间接蒸发冷水机组提供高温冷水供比赛大厅座椅送风组合式空调机组预冷段及地面辐射供冷系统使用。重点探讨了项目采用的防冻技术措施，提出了新风预热盘管电动调节阀最小开度的确定方法。
体育馆；冷热源；间接蒸发冷水机组；气流组织；防冻技术措施；电动调节阀
乌鲁木齐奥林匹克体育中心位于乌鲁木齐市水磨沟区红光山片区，主要包含体育场、体育馆、全民健身馆、游泳馆、综合田径馆、运动员宾馆、商业、地下室及公共配套设施等，区位示意见图1。体育馆主体地上1层、附属用房地上4层，地下1层，建筑总高度39.75 m，总建筑面积76 678 m 2 ，其中地上48 072 m 2 ，地下28 606 m 2 ，为甲级体育建筑。主要功能包括可容纳观众12 736人的比赛大厅、训练馆、赛事运营、场馆运营办公、场馆经营配套用房等。拟打造具备举办全国各项综合类体育赛事及开展大型活动的综合性体育馆，以体育赛事为基础，同步保证群众健身、开放式的体育活动。室外空气计算参数和室内主要房间设计参数见表1、2。
体育馆在非比赛或活动期间，只有部分运营管理用房正常使用，具有明显的间歇性、低使用率等特点，冷热源系统设计既要保障高峰供暖空调需求，又要注重平时使用的节能和维护的便利，保证日常情况下运营管理用房正常使用。考虑以上因素，同时结合乌鲁木齐夏季干热的气候特点，充分利用干空气能的节能优势及常规空调的可靠性，采用间接蒸发冷水机组+电动压缩冷水机组的复合式冷源方案，热源采用市政热网，供暖空调总冷、热负荷及系统配置见表3。基于冷热源系统配置，体育馆主要功能区供暖空调方式见表4。
制冷换热机房设于地下室，间接蒸发冷水机组及冷却塔设于室外设备平台（见图1）。间接蒸发冷水机组经板式换热器换热后提供17.5 ℃的高温冷水供比赛大厅座椅送风组合式空调机组（以下简称组空）预冷段（兼新风预热段）及地面辐射供冷系统（兼地面辐射供暖）使用；螺杆式冷水机组提供10 ℃的冷水供座椅送风组空再冷段进一步降温，同时供体育馆其他区域空调系统使用，变频螺杆式冷水机组在体育馆赛后运营期间运行。
乌鲁木齐属温带大陆性干旱气候区，室外干燥空气可直接排出室内余湿，还可利用蒸发冷却技术制备冷风或冷水排除房间的显热，其中间接蒸发冷水机组以室外干空气能为驱动源制备高温冷水，可取得明显的节能和环保效益。根据空气预冷器结构形式的不同，主要分为管式间接蒸发冷却冷水机组和表冷式间接蒸发冷却冷水机组2种，工作原理见图2、3，后者自循环一部分高温冷水供表冷式空气预冷器使用。
高温干燥空气首先经过空气预冷器（管式间接蒸发冷却段或表冷式间接蒸发冷却段）等湿降温，之后进入冷水机组的喷淋区与机组冷水出水充分热湿交换后等焓加湿降温，此时已接近饱和，在排风机作用下，空气进一步在直接蒸发冷却填料表面与水进行热质交换后排出，同时制备出高温冷水。该工程采用管式间接蒸发冷却冷水机组，取间接蒸发冷却效率70%，直接蒸发冷却效率90%，则乌鲁木齐室外空气计算参数下机组计算出水温度为15.5 ℃，设计供/回水温度为16 ℃/20 ℃。
供暖空调水系统均采用一级泵变流量两管制系统，其中空调冷水供回水主管间设电动旁通阀以满足冷水机组最小流量要求。地下室干管采用等径环管的布置方式，分段设置不锈钢金属软管进行热补偿，在减小干管管径的同时提高了系统的平衡能力，目前已运行了3个供暖季，状况良好。
3.1 比赛大厅气流组织设计
比赛大厅为圆形高大空间，由赛场及观众席组成，其中观众席包括高、低区固定座椅及赛场内活动座椅，具有体积大、围护结构传热量大、人员灯光密集、空调负荷大的特点，空调系统设计不仅要使室内空气分布满足比赛和观众的要求，同时还要保证较低的空调能耗，那么，合理的气流组织设计就成为关键。针对建筑及使用特点，设计采用多种气流组织方式，组合模式见表5，气流组织示意图见图4。空调系统按高、低区分别配置，其中高区设置24台组空为固定座椅服务，分布在4层24个空调机房内，总风量为260 000 m 3 /h；低区设置16台组空为固定及活动座椅服务，分布在地下室4个空调机房内，总风量为402 000 m 3 /h，形成了分区空调的系统形式，赛时可根据观众人数分区售票，降低空调系统运行成本。
观众席座椅送风使新鲜空气直接进入观众呼吸区，热湿和污浊空气不受送风气流干扰，由上部排出，能有效地改善空气质量，提高通风效率。夏季设计送风温度为21 ℃（送风温差5 ℃），处理过的冷空气经风道引入固定看台下方送风静压箱内，由于静压箱内空气与周围建筑构件之间存在的换热会导致送风温度升高，按照空气每流过1 m直线距离的温升为0.1~0.3 ℃进行估算，静压箱内送风温升设计为1 ℃，组空设计出风温度为20 ℃（含风机温升1 ℃）。为充分利用乌鲁木齐干空气能的节能优势，组空功能段由混风段+粗效过滤段+预冷（热）段+回风段+驻电极净化装置中效段+再冷（热）段+风机段组成，混风段与回风段均设回风口，冬、夏季切换运行，具体模式如下：
1） 夏季运行时，空气处理流程及焓湿图见图5。预冷段供/回水温度为17.5 ℃/21.5 ℃（间接蒸发冷水机组提供），再冷段供/回水温度为10 ℃/16 ℃（螺杆式冷水机组提供），回风段回风阀2关闭，新风与回风在混风段混合后首先经预冷段预冷，然后经再冷段处理后送入室内。由于再冷段承担的显热负荷较小，考虑工程经济性，由螺杆式冷水机组提供10 ℃冷水，同时为再冷段及体育馆其他区域空调系统服务，在条件允许的情况下，可为再冷段设置独立的冷源并提高供水温度，从而进一步提高制冷机房系统能效。
2） 冬季运行时，预热段供/回水温度为70 ℃/50 ℃，再热段供/回水温度为60 ℃/45 ℃，混风段回风阀1关闭，新风经预热段后送风温度升至5 ℃，然后在回风段与回风混合，经再热段处理后送入室内。
2层观众入口环厅采用球形喷口送风与地板送风相结合的空调方式。喷口送风高度约为7 m，每个喷口送风量为1 000 m 3 /h；沿环厅周边幕墙布置冷暖两用型地板嵌入式对流器，用于改善局部热环境，设于专用沟槽内，地板送风口配合玻璃幕墙，采用定制化弧形铝合金型材卷帘格栅，长度根据地面装饰要求来确定。
乌鲁木齐地处严寒C区，极端最低气温达-32.8 ℃，在完善的供暖系统设计基础上，合理设计防冻系统以避免建筑物内水管及用水设备冻结也是建筑冬季安全运行的重要保障，在总结工程设计经验教训的基础上，该项目设计采用了一系列防冻技术措施。
4.1 主要防冻技术措施
1） 冬季非使用时段内只运行地面辐射供暖系统和散热器供暖系统即可满足各区域值班供暖（5 ℃）需求，供热换热机组均配设气候补偿器，可自动调节二次侧水泵变频器，实现安全、节能的效果。
2） 1、2层人员主要出口门斗内侧及车库出入口均设热水空气幕。门斗内预留电气条件，后期根据需要增设电热空气幕或辐射板。
3） 设有对外百叶开口的风井及土建风腔等均有建筑保温构造。在有条件的部位，风管与对外百叶均通过土建静压箱转接，降低了大量冷风渗透的风险。
4） 为降低冷桥风险，同时避免风机停止运行时室外冷空气倒灌入室内，各类通风、防排烟系统采取的防冻措施见表6。
5） 局部有失温风险的室内给排水及消防水管采用电伴热作为补充的加强措施，如设置在靠外墙管井、车库出入口30 m范围内、有对外百叶接口房间靠外墙2 m范围内等部位的管道。
6） 全空气空调机组及新风机组均设新风预热段，将新风预热至5 ℃后送出，预热盘管回水管设电动调节阀，设置最小开度以防止盘管冻结。当预热盘管背风侧温度低于4 ℃时风机停止运行，新风密闭保温阀关闭，盘管水路阀门全开，温度回升后机组恢复正常工作；热水空气幕、观众入口环厅幕墙内侧地板嵌入式对流器水阀常开。
新风预热盘管直接与室外低温新风接触，是防冻系统设计中的薄弱环节，若运行不当导致预热盘管中水流速过低或静止时容易发生冻结现象，因此盘管电动调节阀必须设定一个最小开度以保证盘管内水流速在一定范围内，设计最低流速可取0.25 m/s，避免因流速过低不能将空气及时排除而形成气塞。需要说明的是，该项目比赛大厅座椅送风组空设计工况下冬季新风预热与夏季预冷所需水流量基本一致，因此新风预热盘管与预冷兼用；当盘管需求冷水和热水流量差异过大时二者应分别设置，以免电动调节阀在不同工况下调节性能下降，特别是热水流量偏小时水流速过低。
换热盘管热力特性曲线见图6，在相对流量较小时，流量变化引起换热量变化较大，而相对流量较大时，流量变化引起的换热量变化较小。调节阀的4种典型理想流量特性曲线见图7，可以看出等百分比型流量特性的阀门可以较好地补偿换热盘管放大系数的变化，保证负荷变化范围内调节的质量和稳定性，因此保证阀权度在0.3~0.7范围内时，调节阀宜选用等百分比特性的阀门，其单位开度变化引起的流量相对变化量是一个定值，数学表达式见式（1）。
式中 Q / Q max 为阀门某一开度下通过的流量 Q 与全开流量 Q max 之比； R 为阀门可调比； l / l max 为阀门某一开度下行程l与全开行程 l max 之比。
当新风预热盘管及电动调节阀选定后，盘管内设计工况水流速及阀门可调比为定值，由式（1）可计算得到电动调节阀最小开度。假设阀门可调比 R 为25，预热盘管设计工况水流速为1.5 m/s，当最低流速取0.25 m/s时，则 Q / Q max ≈0.167，代入式（1）得到 l / l max ≈0.44，电动调节阀最小开度需设置为45%。由于实际工程中电动调节阀的阀权度均＜1，等百分比型理想流量特性阀门的实际工作流量特性曲线会向抛物线型方向畸变，导致同一开度对应的实际流量偏大，根据式（1）计算得到的最小开度存在一定的安全裕量。
该项目2019年12月竣工，2020年开始对外开放，但由于疫情及其他因素影响，迄今为止尚未大规模投入使用。体育馆目前已历经3个供暖季，根据运营单位反馈，其供暖及防冻系统运行效果良好，但空调系统的实际使用效果有待进一步验证，希望该项目暖通空调系统设计能为类似工程提供借鉴和参考。
