丁惠明 蘇煒捷 李鑫 張程賓*

1 東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

2 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

人工冰場在運行過程中經(jīng)常會發(fā)生起霧現(xiàn)象，這主要是由于冰面附近低溫高濕度的空氣與室內(nèi)的空氣在混合過程中會跨過霧區(qū)。起霧現(xiàn)象的發(fā)生不僅會影響冰場的使用體驗，還會縮短室內(nèi)木質(zhì)和金屬品的使用年限。由于氣流組織與起霧之間有著極大關(guān)聯(lián)，因此目前分析起霧現(xiàn)象的研究主要從氣流組織出發(fā)。在不同工程實例中都可以看到對室內(nèi)冰場氣流組織的優(yōu)化[1-2]。此外，CFD 在冰場的氣流組織分析有著廣泛應(yīng)用[3-4]，通過數(shù)值模擬得到不同送回風(fēng)方式下的溫度和濕度分布，分析起霧發(fā)生的可能性，從而得到合理的送回風(fēng)方式。

本文通過實驗還原冰場實際的室內(nèi)環(huán)境，測量不同送風(fēng)條件與不同高度的回風(fēng)口下的冰場的溫度場和回風(fēng)口的濕度大小。利用焓濕圖分析冰面上方濕空氣狀態(tài)變化過程，判斷相應(yīng)送風(fēng)條件下是否會造成起霧，并選出所測送風(fēng)條件中最適合的送風(fēng)條件。

1 實驗裝置與實驗過程

本文實驗裝置分為兩個主要部分：室內(nèi)冰場空間和空氣循環(huán)系統(tǒng)。圖1 展示了用于模擬室內(nèi)冰場空間的裝置?？臻g大小為1 m×1 m×1.2 m，墻體由80 mm 厚的聚苯乙烯保溫板（EPS）拼接而成，頂部為送風(fēng)口，側(cè)面存在三個高低不同的回風(fēng)口（表1），送回風(fēng)口尺寸均為0.2 m×0.2 m。裝置底部鋪設(shè)載冷劑管道，鑒于實驗裝置模擬面積較小，出于簡化的目的，實驗中的冰面面層結(jié)構(gòu)采用沖砂面層[5]。為了測量空間內(nèi)溫度分布和濕度分布，在裝置內(nèi)回風(fēng)口內(nèi)的墻壁上設(shè)置若干個熱電偶（表2），并在送回風(fēng)口處設(shè)置溫濕度測量儀（表3）。圖2 展示了整個實驗系統(tǒng)組成圖。其中在空氣循環(huán)過程中，由于實驗中濕空氣存在高濕度和低濕度兩種不同工況，因此采用加濕器和干燥劑（無水氯化鈣為主要成分）控制濕空氣的相對濕度大小。

圖1 模擬室內(nèi)冰場空間裝置

圖2 實驗系統(tǒng)組成圖

表1 回風(fēng)口高度

表2 熱點偶擺放的高度

表3 溫濕度計設(shè)置高度

實驗過程分為兩個階段：第一階段為制冰過程，基于現(xiàn)有的關(guān)于室內(nèi)冰場對冰面溫度的要求[6]，實驗中冰面在-2～-6 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)。第二階段為室內(nèi)冰場空氣循環(huán)過程中冰場空間內(nèi)的溫度和濕度變化。實驗中，通過圖2 中送風(fēng)口處的溫濕度計測量送風(fēng)狀態(tài)，并將濕空氣的狀態(tài)分為兩組：高濕度組（相對濕度在61%左右，干球溫度20.6 ℃左右）和低濕度組（相對濕度在36%左右，干球溫度在25 ℃左右）。實驗過程對應(yīng)6 種不同的空氣循環(huán)方案和相應(yīng)的送風(fēng)參數(shù)如表4所示，每種空氣循環(huán)方案持續(xù)通風(fēng)30 min。冰場在夜間運行過程中，當停止人員活動后，會使用冰場冰毯覆蓋冰面[7]。因此在不同的空氣循環(huán)方案結(jié)束后，使用保溫毯覆蓋冰面，再持續(xù)通風(fēng)10 min 消除上一個工況的影響。

表4 空氣循環(huán)方案

2 實驗結(jié)果分析

2.1 冰場溫度分布

圖3 展示了高濕度典型工況的整個溫度變化過程。圖中h 表示距離冰面的高度（cm）。從圖中可以看出空間內(nèi)的溫度總體呈下降的趨勢，同時隨著高度的降低，溫度下降的幅度越大。在20 min 左右時，空間內(nèi)各高度的溫度基本達到穩(wěn)定。此外，圖4 展示了低濕度典型工況溫度變化過程。綜合對比圖3 和圖4，可以看出不同工況下，冰場內(nèi)的溫度變化呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，空間位置越高，溫度波動變化幅度越小，也越容易到達平衡。同時可以看出，不同工況下，冰面附近的空氣溫度受送風(fēng)溫度的影響不大，可忽略不計，說明送風(fēng)溫度對整個冰場的溫度場分布影響有限。在實際冰場運行的過程中，更應(yīng)該關(guān)注1.5 m 高度處的溫度大小是否滿足相應(yīng)的設(shè)計工況。

圖3 高濕度典型工況的整個溫度變化過程

圖4 低濕度典型工況溫度變化過程

同時，根據(jù)不同工況下，冰場內(nèi)溫度在達到穩(wěn)態(tài)時的溫度數(shù)據(jù)繪制成如圖5 所示的溫度隨高度變化的曲線圖。從兩組不同的送風(fēng)狀態(tài)對應(yīng)的冰場溫度變化曲線可知，冰場的溫度變化趨勢極度相似，回風(fēng)口位置的差異對溫度分布的影響可忽略不計，在低相對濕度組中，下回風(fēng)口的溫度變化曲線與上回風(fēng)口和中回風(fēng)口的溫度變化曲線出現(xiàn)較大差異。這種差異出現(xiàn)的原因可能是初始測量時，下回風(fēng)口對應(yīng)的冰面溫度與上回風(fēng)口和中回風(fēng)口的冰面溫度存在較大差異。在冰面到20 cm 高度的空間內(nèi)，溫度發(fā)生劇烈變化，從冰面處-4 ℃升溫到10 ℃以上。在20 cm 以上的區(qū)域溫度升溫速度減緩，并在50 cm 以上的空間趨于平緩。從不同工況下的冰場的溫度變化曲線中，可以初步推測起霧發(fā)生的高度區(qū)間在冰面以上到20 cm 以下的空間內(nèi)。

圖5 不同工況下，20 min 時溫度隨高度變化曲線圖

2.2 冰場濕度分布

相對濕度的大小是冰場發(fā)生起霧現(xiàn)象的重要原因，同時由于實驗裝置面積較小，起霧現(xiàn)象難以用肉眼直接觀察到，因此本文通過測量冰場內(nèi)濕空氣的相對濕度大小，再結(jié)合焓濕圖判斷濕空氣在混合過程中是否會跨過霧區(qū)出現(xiàn)起霧現(xiàn)象。實驗中濕度計布置在回風(fēng)口處。通風(fēng)30 min 后，不同工況下三個回風(fēng)口附近側(cè)得的相對濕度如表5 所示。

表5 不同工況時回風(fēng)口處的相對濕度

由于相對濕度值的大小會受到溫度的影響，無法直觀的體現(xiàn)不同高度下空間內(nèi)的含濕量，因此將測到的相對濕度轉(zhuǎn)化為含濕量。同時計算濕空氣從送風(fēng)口送入室內(nèi)，并與室內(nèi)濕空氣混合后，從回風(fēng)口排出時，整個過程中增加的水蒸氣質(zhì)量，該差值的正負可以反映出冰場總體處于除濕還加濕狀態(tài)，差值的大小可以對比出不同送回風(fēng)方案帶走水蒸氣的能力。該差值具體的計算方法為回風(fēng)口處的相對濕度減去送風(fēng)口處的相對濕度，并將結(jié)果繪制成圖6。

圖6 同工況下時濕度隨高度變化曲線圖

從圖6 中的結(jié)果可以看出，回風(fēng)口位置的不同，對于空氣循環(huán)過程中帶走水蒸氣的能力有著很大的影響。含濕量差值的大小可以反映出，冰場內(nèi)濕空氣中的水蒸氣剩余的多少。當通風(fēng)狀態(tài)為高相對濕度時，含濕量的差值為負值，此時冰場內(nèi)總含濕量處于增加的狀態(tài)，無法起到除濕作用，對防止起霧現(xiàn)象的出現(xiàn)極為不利，說明送風(fēng)狀態(tài)的相對濕度不宜超過60%；當通風(fēng)狀態(tài)為低相對濕度時，含濕量的差值為正值，此時冰場處于除濕狀態(tài)。另一方面，采取不同回風(fēng)口時，含濕量的差值會發(fā)生變化，總體上，下回風(fēng)口的效果最好，其次為中回風(fēng)口，而上回風(fēng)口的效果最差。

2.3 冰場內(nèi)空氣狀態(tài)變化

前面從冰場的溫度和濕度兩個方面分析冰場內(nèi)濕空氣的狀態(tài)，為了探究送風(fēng)狀態(tài)與起霧現(xiàn)象之間的關(guān)系，結(jié)合前面所測得的溫濕度數(shù)據(jù)，利用焓濕圖分析冰場內(nèi)濕空氣的混合過程，結(jié)果如圖7，圖中AN 線表示A 點與絕對濕度線的切線，即在AN 線右邊表示在空氣狀態(tài)變化的過程中會跨過霧區(qū)，此時冰場極有可能有霧氣的產(chǎn)生。圖中Q 點為三號溫濕度計測得的濕空氣狀態(tài)參數(shù)，則用AQ 線表示冰場模擬空間內(nèi)的濕空氣狀態(tài)變化過程。不同工況Q 點具體的濕空氣參數(shù)見表6

表6 三號溫濕度計測量參數(shù)

圖7 不同工況下，冰場內(nèi)的空氣狀態(tài)變化

根據(jù)焓濕圖上的空氣混合過程可知，在濕空氣的混合過程，跨過霧區(qū)的溫度區(qū)間在冰面溫度到5 ℃之間。當送風(fēng)狀態(tài)處于低濕度組時，上回風(fēng)口的情況明顯跨過“霧區(qū)”，中回風(fēng)口輕微跨過霧區(qū)，下回風(fēng)口并未跨國霧區(qū)。當送風(fēng)狀態(tài)處于高相對濕度時，三種不同回風(fēng)口的情況，均跨過霧區(qū)，說明當冰場的送風(fēng)狀態(tài)的相對濕度不應(yīng)超過60%，同時隨著回風(fēng)口高度的降低，焓濕圖上跨過霧區(qū)的范圍逐漸減少，說明上送下回的送風(fēng)方式是冰場最為合理的送風(fēng)方式，與前面在含濕量方面的分析結(jié)果相一致。

3 總結(jié)

通過對冰場送風(fēng)狀態(tài)和送回風(fēng)方式的研究，可以得出以下結(jié)論：

1）不同工況下，冰場的溫度有著相似性。在冰面上方20 cm 以下的位置溫度會發(fā)生劇烈變化，同時該區(qū)域也是發(fā)生起霧的主要區(qū)域。

2）冰場空氣調(diào)節(jié)過程中，濕空氣相對濕度應(yīng)該處于較低的范圍。但是，濕空氣送風(fēng)點的相對濕度越低，其建設(shè)成本也會相應(yīng)增加，所以送點口的相對濕度應(yīng)該保持在一個合理的范圍之內(nèi)。根據(jù)本文的實驗結(jié)果，送風(fēng)口的相對濕度保持在30%～40%即可滿足要求。

3）上送下回的送風(fēng)方式是冰場最為合理的送風(fēng)方式，且回風(fēng)口的高度越低越好，這是由于下回風(fēng)口的設(shè)計能夠帶走更多冰場內(nèi)濕空氣中的水蒸氣。減少冰面上方濕空氣中的水蒸氣增加，減少冰場出現(xiàn)起霧概率。

4）從冰場內(nèi)的溫度變化中，可以看出不同工況下，冰場內(nèi)的溫度變化呈現(xiàn)出高度的相似性。同時，對比不同工況下的溫度波動幅度和變化速率，發(fā)現(xiàn)送風(fēng)狀態(tài)對整個冰場空間的溫度影響有限，特別是在冰面附近的影響可忽略不計。