2022北京冬季奥运会雪车雪橇中心赛道热环境影响分析*

中国建筑设计研究院有限公司 林 波 刘 鹏 王陈栋

0 引言

雪橇项目(Luge)起源于北欧，是一种仰卧在不装设舵板的木质雪橇上、沿专设的冰雪线路滑降的一项冬季运动，其比赛赛道一般是用混凝土或木材建造的、具有一定坡度的凹型滑道[1]。赛道宽1.40 m，两侧为护墙。护墙内侧高1.40 m，外侧高2～7 m。赛道及两侧的护墙均需浇冰。1968年法国格勒诺布尔(Grenoble)冬季奥运会的雪车雪橇赛道首次采用了混凝土进行建造[2]，并采用了许多气候适应措施。到目前为止，全世界现在运行的有15座标准雪橇赛场，北京冬奥会的雪车雪橇赛道将是中国的第一条该项目赛道，在项目选址、赛道特征、模块构造、施工工艺等方面，均是国内首次尝试。

1 气候影响要素及机理分析

1.1 雪车雪橇赛道影响机理分析

考虑到雪车雪橇运动的特殊性，对雪车雪橇的赛道需要考虑气候因素，防止不利气候因素对赛道冰面造成不利影响。主要的不利因素包括：

1) 太阳辐射，包括直射辐射、散射辐射和地表反射辐射；

2) 地表气温；

3) 赛道表面风速。

对于暴露在强烈日照和恶劣天气条件下的赛道冰面，必须采取必要的措施进行保护。而赛道周边的热环境影响差异主要来源于日照辐射高度角和因地形起伏形成的阴影所带来的地表得热状况的差异。这部分得热量分直接得热和间接得热两部分，其中直接得热表现为地表入射日照辐射强度差异，间接得热表现为地表温度差异。

1.2 实测数据对比

本项目在场地内进行了地表温度实测。主要实测数据有2个来源：一个是气象局提供的自动站监测数据，数据长度从2014年9月至2017年6月；另一个是项目团队自测数据，数据长度为2017年2月中旬及3月中旬各约1周，气象监测点布置位置如图1所示。

本文选取日期相同的监测数据进行对比，将站点海拔与其监测的平均气温进行相关性分析(如图2所示)，发现海拔与监测点平均气温呈线性相关。其中，从监测数据对比来看，西大庄科站的监测数据与设计团队监测数据较为接近，其他3个站点由于海拔相对较高，日平均气温明显低于其他站点。

图2 各监测点气温数据与海拔的相关性分析

通过对E1、E2、N1、S1-1和S2-1与西大庄科站的气温数据进行逐时对比(如图3、4所示)，发现西大庄科站的日变化趋势与几个自测点的监测数据比较接近。自测点的白天气温与气象站较为接近，夜间气温普遍低于气象站。这可能是由于几个温度测点的位置和传感器所处环境的差异所导致的。

图3 西大庄科站附近测点逐时平均温度变化曲线

图4 N1和S2监测点逐日平均气温对比

1.3 赛期辐射与气温条件对比分析

为了分析赛期的辐射和气温条件，对雪车雪橇赛道地块在冬奥赛期和冬残奥赛期的气温数据和太阳辐射数据进行了对比分析。冬奥赛期为2月4—20日，共17 d；冬残奥赛期为3月4—13日，共10 d。

基于上述条件，对场地内部的气温和太阳辐照度进行整理分析，其中，太阳辐照度数据来自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[3]。为了计算两者的区别，根据选址的经纬度进行了太阳高度角和方位角的计算[4]。计算得到雪车雪橇赛道的辐射总量如表1所示。

从表1可以看出，倾斜的赛道相对于水平面而言，会吸收更多的太阳辐射，也会带来更多的制冷能耗。

2 赛道传热计算原理

赛道保持低温主要依靠混凝土赛道地板的制冷管道将热量带走。根据赛道的基本构造，赛道表面主要的换热方式是对流和表面辐射换热[5]，赛道背部与赛道混凝土板会有热传导换热。

为了对比传热机理的差异，赛道设置了裸露和遮蔽2种工况(如图5所示)，并建立了数学模型。裸露工况传热公式为

Ql=Qsa-I0+Qd-Qb+Qh+QI+Qt

(1)

式中Ql为总得热；Qsa为裸露工况下吸收的短波辐射；I0为穿过表层进入冰内的短波辐射；Qd为入射长波辐射；Qb为反射长波辐射；Qh为对流显热通量；QI为对流潜热通量；Qt为热传导热通量。

遮蔽工况传热公式为

Ql=Q′sa-I0+Qe-Qs+Qh+QI+Qt

(2)

式中Q′sa为遮蔽工况下吸收的短波辐射；Qe为与屋顶的长波辐射换热；Qs为与天空的长波辐射换热。

2.1 热传导

对于固体和流体之间的热传递，有时必须考虑附着于固体表面的流体薄膜的热阻，因为其性质与湍流和黏滞等复杂情况有关。而在建筑热工计算中，将该部分的传热热阻简化为室内表面换热热阻Rsi和室外表面换热热阻Rse，由于赛道内表面和冰面直接接触，因此不存在室内表面换热热阻。

影响赛道热传导传热过程的2个边界条件为赛道制冰温度和室外空气温度，由于赛道的温度相对恒定，室外空气温度的波动相对缓慢，忽略其瞬时温度波动导致的热量传递，其热传导的传热过程可认为是稳态传热。

2.2 热辐射

根据辐射的波长，热辐射主要分为短波辐射和长波辐射2种。入射到地面的长波辐射来自于大气层，取决于大气层湿度和温度的竖向分布，并且与云的状况有密切关系。

裸露工况下，长波辐射包括入射长波辐射和反射长波辐射。入射长波辐射计算公式为

(3)

式中σb为玻耳兹曼常量；Ta为干球温度；pa为水蒸气压力；CN为云量。

反射长波辐射计算公式为

(4)

式中εsfc为冰表面辐射率；Tsfc为冰表面温度。

短波辐射即到达地面的太阳短波辐射，主要受当地纬度、太阳赤纬、太阳高度角、大气中的气溶胶粒子浓度、空气污染程度及云量、云状、水汽等因子的影响。对于裸露工况，短波辐射包括吸收的短波辐射和穿过表层进入冰内的短波辐射。吸收的短波辐射计算公式为

Qsa=(1-α)Qse

(5)

式中α为冰面反照率；Qse为等同于对应坡向入射的总短波辐射强度。

遮蔽工况下，长波辐射换热包括与屋顶的长波辐射换热和与天空的长波辐射换热。与屋顶的长波辐射换热计算公式为

(6)

式中εi为系统发射率；Tr为屋顶温度；FSV为天空视野系数。

Qe计算值为正值表示得热，负值表示失热。

与天空的长波辐射换热等于裸露工况下入射长波辐射与反射长波辐射的差值乘以天空视野系数，计算公式为

Qs=(Qd-Qb)FSV

(7)

遮蔽工况下吸收的短波辐射计算公式为

Q′sa=(1-α)Qss

(8)

式中Qss为遮蔽工况下入射的短波辐射，等于屏蔽后直射辐射+散射辐射。

Qss=(1-β)Rdir+RdifFSV

(9)

式中β为直射辐射屏蔽率；Rdir为直射辐射；Rdif为散射辐射。

2.3 热对流

赛道在热对流方面包括显热通量和潜热通量。裸露工况下，显热通量计算公式为

Qh=ρacaCH(Ta-Tsfc)vae

(10)

式中ρa为空气密度；ca为空气比热容；CH为湍流交换系数；vae为室外风速。

潜热通量计算公式为

Ql=ρaRlCH(da-dsfc)vae

(11)

式中Rl为蒸发焓(冰表面的液体水蒸发为水蒸气所需的相变潜热热量)；da为空气含湿量，用式(12)计算；dsfc为冰表面含湿量，用式(13)计算。

(12)

式中p0为海平面气压；φ为相对湿度。

(13)

式中psfc为冰表面饱和水蒸气压力。

遮蔽工况下，空气含湿量和冰表面含湿量与裸露工况下计算公式一致。

3 模拟计算分析

通过对气候影响要素和机理进行分析，将实测得到的气温、风速、天空有效温度、太阳总辐照度、地表温度、水蒸气压力等要素作为赛道模型的输入条件。利用赛道传热模型进行模拟计算，设定冰表面温度保持在-11 ℃[6]。计算结果如图6所示。

各类传热形式的换热量都出现了昼高夜低的变化趋势。由于周边环境温度昼夜都高于冰表面温度，因此，导热和对流换热量昼夜均大于0，即赛道处于吸热状态。由于夜间天空温度可降到-11 ℃以下，因此，辐射换热量在夜间为负值，即赛道处于放热状态。从各类传热形式来看，导热占比最小，为6.2%，对流和辐射占比分别为40.0%和53.8%。

图6 赛道模型典型日传热曲线对比

为了对比赛道在裸露和遮蔽工况下的传热差别，基于热平衡计算模型，分别设定了裸露工况和遮蔽工况的边界条件。其中，裸露工况设定为赛道直接裸露在室外条件下，而遮蔽工况的边界条件受建筑设计和赛事运营条件的限制，必须保证赛道开敞的特性，实际上赛道无法做到完全遮蔽。因此，本文结合项目的建筑设计方案，对所采用的设计和运营技术措施进行合理假设，通过对各种热传导形式的关键因素进行分析，并结合历届赛道设计所采用的技术和运营措施，设立相应的技术目标，进而对遮蔽工况进行参数设定。具体措施见表2。

表2 遮蔽工况所采用的措施

基于上述对裸露工况和遮蔽工况的设计，对赛道热平衡进行动态模拟计算，结果见表3、4。

表3 裸露和遮蔽工况计算结果

表4 裸露工况和遮蔽工况下各种传热形式传热量

从表3可以看出：通过将赛道遮蔽，可以有效降低赛道与外界的传热量，总体降低传热量的比例为37.7%，其中，白天的降低幅度大于夜间，主要原因是夜间的气温较低且无太阳辐射，遮蔽赛道所带来的益处相对较少。

从表4可以看出：通过遮蔽方式，赛道的辐射传热量下降较多，占比为21.9%，其中，遮阳措施占比为12.2%，低发射率建筑材料措施占比为9.7%；对流形式占比为15.8%。

4 结语

通过上述研究发现，雪车雪橇赛道由于是室外场馆，其室外气候对赛道制冰能耗影响较大。本研究在室外气象要素分析的基础上，建立了赛道热平衡计算模型，并进行了模拟计算。研究发现，赛道的所有传热要素中，由辐射导致的热损失最大，其次是对流。相对赛道裸露在外，通过将赛道遮蔽起来，可以有效降低赛道与外界的传热量，因此对于雪车雪橇赛道而言，赛道遮蔽能够带来一定的节能收益。

为了降低日后的赛道运营能源费用，有必要对赛道进行一定的节能设计。由于赛道赛事组织的需要，还需要保持一定的开敞性，保持其室外赛道的特性。因此，要降低赛道的运行能耗，必要的手段是降低赛道收到的太阳直射，以减少由于日照带来的热损失，主要技术措施是遮阳和采用低辐射建筑材料。另外，降低赛道表面的对流强度，也有利于降低赛道的对流热损失，进一步降低赛道的制冰能耗。