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【Building Simulation 封面文章】给室内冰雪场馆算清全年冷热账

已有 164 次阅读 2026-9-8 10:33 |个人分类:Building Simulation|系统分类:论文交流

给室内冰雪场馆算清全年冷热账——状态空间地板模型 + DeST，把 8760h多末端负荷拆开算

摘要

室内冰雪场馆让冰雪运动摆脱了季节与地域的限制，但冰面雪面“全年不化”的代价，是居高不下的制冷能耗。降低能耗的第一步是算清楚全年逐时冷热负荷，然而现有手段难以奏效，主要难点来自这种场馆特殊的地板结构：冰雪层之下，依次埋着地冷盘管层、保温层和地热盘管层，冰雪表面与室内空气持续进行水分相变与热交换，同时地冷盘管、地热盘管和冷风机共同维持整个室内低温环境，三者各承担多少负荷，一直缺少一套严格的算法。针对这一难题，本研究建立了状态空间地板热模型，并将其集成到建筑热环境模拟工具 DeST之中。通过高精度线性化冰雪表面热湿交换、迭代求解冰雪表面温度与室内湿度的耦合关系，实现了室内冰雪空间的全年逐时负荷计算，并给出地冷盘管、地热盘管和冷风机各自分担的负荷大小。该模型在冰雪层、地板、房间三个尺度上完成验证，冰雪表面温度的均方根误差均小于0.3 ℃。室内冰场算例的结果表明，该方法可输出物理一致的逐时温度、湿度与负荷数据，并可用于地板保温层厚度优化和加热盘管启停判断，为室内冰雪场馆的节能设计、运行分析和系统优化提供了基础模拟工具。

关键词：室内冰雪场馆；复杂地板系统；冰雪层；热湿耦合；建筑热过程建模

01 背景｜从“三亿人上冰雪”到“全年不停机”

北京冬奥会之后，我国冰雪运动由赛事带动转向产业化、常态化发展。截至 2024 年 6 月，全国室内冰场已达 1970 座，室内滑雪场也在过去十年间从 5 座增长到 59 座。冰雪运动不再受季节和地域限制，训练、赛事和大众休闲可以全年开展，室内冰雪场馆也从“稀缺体验”走向“城市配套”。

图1 室内冰雪场馆典型空间及主要热湿传递过程

室内冰雪场馆的运行通常分为制冰（造雪）、维持和修整三个阶段，其中维持阶段持续时间最长、能耗最高，成为长期节能的焦点。为避免冰雪融化并满足运动要求，制冷系统需要近乎全年连续运行。既有文献表明，室内冰场维持阶段的冷负荷约为80~200 W/m²，制冷系统年电耗最高可达700 kWh/(m²·a)。课题组对国内几座室内滑雪场的调研显示，其单位面积制冷电耗大致在360~450 kWh/(m²·a)。在“双碳”背景下，室内冰雪场馆的建设与运行必须从规模扩张转向节能降碳与系统优化。

而要把这类场馆的能耗真正降下来，第一步是先算清楚：全年 8760 小时的冷热负荷到底是多少、又分别由哪些末端承担。这正是室内冰雪场馆目前最难和最缺的一项技术工作。

02 难点｜为什么常规能耗软件“算不了”冰雪场馆？

与常规公共建筑相比，室内冰雪场馆有三个绕不开的特点。

一是特殊的地板系统。冰雪层之下，通常依次布置埋有制冷盘管的混凝土层、保温层和防冻胀加热盘管，各层之间还会加入水泥砂浆、防水材料等构造层。制冷盘管负责维持冰雪层的形态，加热盘管防止下部结构冻胀，保温层则减少冷量下传、避免冷热抵消。

二是冰雪表面的热湿耦合。冰雪表面持续发生水分相变：表面温度决定其附近空气的饱和含湿量，室内湿度又反过来改变水汽交换与潜热负荷。温度与湿度相互牵制，无法拆开分别计算。

三是多末端协同。室内温度与冰雪表面温度由地冷盘管、地热盘管和冷风机共同维持，三者各承担多少负荷，必须在一套严格的热湿平衡框架下拆分，而不能笼统地折算成一个“总冷负荷”。

现有方法各有短板：

• CFD 模型能细致刻画局部热过程，但按 10 分钟步长模拟一天就需要约 24 小时，难以用于全年逐时计算；

• 基于 TRNSYS 的三维分区模型完成了全年盘管负荷计算，按 6 分钟步长耗时约 80 小时，且忽略了冰面热湿耦合与冷风机负荷；

• 稳态简化方法采用月平均室外温度和恒定的室温、冰面温度，无法给出逐时结果；

• 基于传导传递函数（CTF）并集成进 EnergyPlus 的模型可开展全年逐时模拟，但仅考虑地冷盘管的显热负荷，同样忽略了冰雪表面的热湿耦合；

• 既有基于 DeST 的室内滑雪馆研究按每日补雪量估算地板盘管负荷，热湿平衡不够严格，也难以区分三类末端各自承担的负荷。

因此，领域内一直缺少一种既能算得快、又能算得全、还能把负荷“分家”的方法。

03 亮点｜三个关键创新

针对上述难题，研究团队选择从“地板”这一冰雪场馆最特殊的部位切入：建立状态空间地板热模型，并把它写进 DeST 内核。

图2 研究总体技术路线：模型构建、验证与应用

图3 室内冰雪空间热湿传递过程

(1) 创新点一：冰雪表面传质高精度线性化

冰雪表面的水分相变会产生潜热交换，其大小与冰雪表面附近饱和空气与室内空气之间的湿度差有关，基本关系如下（变量符号含义详见论文）：

在这一关系中，饱和含湿量 d_sat与表面温度 t₁ 呈非线性关系，无法直接进入状态空间方程。研究团队统计了各类冰雪运动对表面温度的要求（−2 ℃~−10.5 ℃），在−1 ℃~−11 ℃ 区间内对饱和含湿量 d_sat 做线性拟合：

进而得到潜热通量的线性表达：

拟合相对误差控制在 5% 以内。这一步的意义在于：既保留了表面温度与水分相变之间的耦合关系，又避免了全年每个时步反复求解非线性方程，让8760h逐时计算真正跑得动。

(2) 创新点二：状态空间地板模型

研究沿地板厚度方向，将冰雪层、埋管混凝土层、保温层及其他材料层离散为一系列温度节点，每个节点描述相应材料层的蓄热并与相邻节点导热。对埋有制冷或加热盘管的构造层，按 3 的倍数划分节点，取盘管相邻3个节点的平均温度作为盘管控制温度，并将盘管冷热量分摊到这些节点。这样划分的好处是方便对盘管层的温度与热量做数学表达和运算。

组合各节点的热平衡方程，得到描述地板动态传热的状态空间方程：

式中，T_f 为地板温度节点向量，u_f 为作用于地板的热扰动向量，C_f、B_f 和A_f 为系数矩阵。这一表达把地板多个材料层的蓄热、相邻节点导热、室内侧换热以及盘管负荷统一纳入一套矩阵方程。它与DeST原本采用的状态空间法同构，为后续集成铺平了道路。

(3) 创新点三：温湿度耦合迭代与多末端负荷分拆

DeST 以房间热平衡为核心，其基本状态空间方程可写为：

DeST 原有模型能够计算围护结构、室内空气和常规空调末端的热过程，但无法直接处理冰雪层、埋管地板和表面水分相变，也难以实现多末端负荷分拆。

集成过程中，研究对房间状态空间方程做了系统性改造：在原有房间温度节点中加入冰雪层节点与盘管控制节点，将冰雪层的蓄热与导热关系写入房间状态空间矩阵，并补充室内含湿量、冰雪表面潜热交换、地冷盘管负荷和地热盘管负荷等扰动项。针对地板系统引入的多末端控制问题，研究提出受控温度与显热负荷之间的解耦近似，同时将冰雪表面对房间湿平衡与除湿负荷的影响纳入计算。

由于冰雪表面温度与室内湿度相互影响，模型在每个时步内采用迭代法求解温湿度耦合方程组：先由当前室内湿度求解房间温度与冰雪表面温度，再回代更新室内含湿量，直至收敛——通常 5 次以内即可收敛。最终，模型不再需要把特殊地板系统简化为经验性的附加负荷，而是可以直接输出四类分项负荷：地冷盘管负荷、地热盘管负荷、冷风机显热负荷与冷风机除湿负荷。

图4 地板模型与DeST集成后的输入输出

04 验证｜三级验证，冰雪表面温度RMSE全部小于0.3 ℃

为检验模型在不同尺度和工况下的适用性，研究从单一冰雪层、多层材料地板以及房间三个尺度分别展开验证。

• 冰雪层尺度：与稳态解析解对比，冰层与雪层的模拟温度分布与解析解完全吻合，RMSE 为 0.0 ℃；

• 地板尺度：与文献二维模型的稳态温度分布对比，RMSE为0.286 ℃，全部落在±0.5℃的参考误差带内；与某冰壶馆全天实测数据的动态对比中，288个测点的冰面温度RMSE为 0.175 ℃，多数误差位于±10%范围内；

• 房间尺度：与小型实验冰场的实测冰面温度对比，RMSE 为 0.075 ℃。

图5 冰壶馆动态验证：模拟与实测冰面温度对比

图6 房间层级验证：小型实验冰场的模拟与实测结果对比

三个尺度的验证既考察了本文模型对于单一冰雪层和多层材料地板的传热计算精度，也检验了模型集成到房间整体热环境之后的准确性，为全年逐时负荷计算提供了可靠基础。

05 应用｜全年逐时负荷与地板保温层厚度优化

本文以北京气象条件下的简化室内冰场（60 m × 30 m × 7 m，围护结构按实际工程做法与 GB 50189-2015 构造，室内空气、地冷盘管、地热盘管的设定温度分别为 16 ℃、−6 ℃ 和 5 ℃，室内相对湿度控制在 80% 以下）开展全年逐时计算，可同时输出冰面、围护结构内表面和室内空气温度，室内含湿量与相对湿度，以及各类末端的显热与除湿负荷。

图7 冰场算例：全年逐时温度、湿度及各末端负荷

全年结果呈现出清晰的季节与昼夜规律：冰面温度稳定维持在 −6~−4 ℃，室内空气温度为 −5.5~1.5 ℃，相对湿度全年低于 80%。温度、地板制冷负荷和冷风机除湿负荷总体表现为夏季高、冬季低，地板加热负荷则主要出现在冬季；夏季典型日的地板制冷负荷约为冬季的2~3倍。逐时变化还与营业时段、人员与照明作息相对应，呈现出合理的昼夜波动。

其中有两点发现值得关注：（1）在该算例条件下，低温冰面已能持续冷却室内空气，冷风机并未产生显热冷负荷；但冷风机除湿负荷与地冷盘管负荷处于同一数量级，且受人员散湿、新风湿度与冰面水汽交换影响，波动更为剧烈。这说明室内冰场的负荷分析不能只盯着显热，除湿负荷同样不可忽略。（2）地热盘管负荷具有明显季节性，1月典型时段约为 1.5~1.8 W/m²，5月已降至0.15 W/m² 以下并逐渐趋近于零。因此，逐时模拟结果可用于判断防冻胀加热盘管的运行需求，避免全年沿用固定的启停策略。

在此基础上，进一步开展了地板保温层厚度的参数化分析，考察保温厚度在20~180 mm范围内变化时的负荷响应。结果表明，节能收益随厚度增加呈明显递减，由 20mm 增至 40mm 的降幅最大，超过 140mm 后增量收益已相当有限，加热盘管负荷则在 180mm 时降为零。这意味着，室内冰雪场馆的地板保温层厚度并非“越厚越好”，而需要结合技术经济性分析确定最优值。本文提出的模型恰好为这类分析提供了量化工具。

图8 不同地板保温厚度下的累计冷热负荷

06 总结与展望

针对室内冰雪场馆的特殊热环境，研究将基于状态空间法的地板热模型与DeST耦合，建立了面向该类场馆的全年逐时冷热负荷模拟方法。该方法可动态刻画冰雪表面—地板—空气间的传热传质，并分项计算地冷盘管、地热盘管及冷风机的负荷。验证表明模型精度满足工程需求，可用于全年热过程分析、负荷分配、保温层优化及运行策略研究，为室内冰雪场馆节能设计提供模拟分析工具。

当前局限在于：验证主要针对单一制冷盘管的冰场系统，尚未覆盖复合盘管系统及室内滑雪场；未纳入冷热盘管几何参数与流体运行条件，暂不支持控制仿真；亦未涉及滑雪场的坡面雪道与高大空间。后续将拓展复合系统与特殊场景的适用性，衔接制冷机电耗模型以建立负荷—能耗全链条分析，并结合实测数据持续校验，提升模拟可靠性，以期在室内冰雪场馆节能低碳工作中真正发挥作用。

作者

Xiao Fu¹ , Chuang Wang^1,2*, Jiagen Liu^3,4*, Jingjing An¹ , Yingxin Zhu³

1 School of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing, China

2 Beijing Key Laboratory of Heating, Gas Supply, Ventilating and Air Conditioning Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing, China

3 School of Architecture, Tsinghua University, Beijing, China

4 Architectural Design & Research Institute of Tsinghua University, Beijing, China

作者团队简介

本文通讯作者为北京建筑大学王闯副教授和清华大学建筑设计研究院刘加根副总工程师。第一作者为北京建筑大学硕士研究生符筱，现为湖南大学在读博士生。共同作者包括北京建筑大学安晶晶副教授和清华大学朱颖心教授。

课题团队围绕“建筑+能源”环境保障与低碳运维方向，长期开展建筑能源系统建模仿真、智能运维、柔性用能等方面研究。针对室内冰雪场馆，课题团队正沿“围护结构减负荷—制冷末端优化—载冷系统降输耗”的主线开展系统化节能研究工作。本文聚焦室内冰雪场馆的动态热过程与全年负荷模拟，是团队在“建筑本体负荷与末端负荷分项计算”环节的核心成果之一。

引用

Fu X, Wang C, Liu J, et al. (2026). Integration of a state-space floor thermal model with DeST for annual load simulation of indoor ice rinks and ski resorts. Building Simulation, 19, 1177–1199.

https://doi.org/10.1007/s12273-026-1423-2

延伸阅读

符筱. 室内滑雪场制冷能耗模拟方法[D]. 北京: 北京建筑大学, 2025.

刘加根, 符筱, 王闯, 等. 广州市某室内滑雪场 CO2 载冷系统节能潜力探讨[J]. 暖通空调, 2025, 55(4): 59-66.

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期刊介绍

Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EICompendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2026年SCI影响因子6.9，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中国科学院期刊分区，工程技术类1区Top。