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    “冰立方”如何防“暴晒”?哈工大科研团队研制出隔热“窗帘”

    时间:2023-02-02 作者:MOKA 点击:

    作为冬奥会开幕式之前率先进行的唯一项目,冰壶比赛于2日在“冰立方”率先登场。


    “冰立方”,即2008年时惊艳世界的国家游泳中心“水立方”。为了承接冬奥会冰壶项目和冬残奥会轮椅冰壶项目,国家游泳中心近年来进行了多项升级改造,成为世界唯一的水上和冰上项目均可运行的“双奥场馆”。


    从游泳馆变身冰壶赛场,“水立方”的特殊顶棚材料却成为阻碍:原有的ETFE透明膜结构透光性强,对于游泳馆来说是极惊艳的效果,可对于冰上场馆来说,热辐射、顶棚冷凝水都会给比赛带来麻烦。


    给“水立方”装什么样的“窗帘”,既美观,又能达到隔热效果,还不破坏原有覆膜结构?为此,哈尔滨工业大学建筑学院教授陆诗亮带领的科研团队,通过对ETFE材料的传热模型,以及对室内热湿集成环境的作用机制的研究,最终选择了一种PVC膜基夹黑涂层织物材料,成功地给“冰立方”盖上一层隔热“窗帘”,为冬奥会冰壶比赛保驾护航。



    哈尔滨工业大学建筑学院教授陆诗亮


    “窗帘”能隔热 还可为观众区“增温”


    作为2008年北京夏季奥运会的标志性建筑, “水立方”大胆地在国内率先采用膜结构设计——由ETFE膜材制成的数千个半透明“气枕”,构成了场馆的外表面。


    所谓ETFE,中文名叫“乙烯-四氟乙烯共聚物”,这是一种轻质阻燃材料,层厚0.2毫米,熔点275摄氏度,透光性能极佳。“水立方”的膜结构设计,有利于体育场馆在“气枕”空腔内铺设LED景观照明设备,带来更好的视觉效果,也可让太阳光透过“气枕”,为场馆在白天节约照明能耗。



    “冰立方”外景


    不过,在承办冰壶这一对冰面要求较高的项目时,从“气枕”透射进来的太阳辐射过多,不利于维持冰壶比赛所需的低温低湿环境。


    弊端还有,热辐射照射冰面,会使得冰面产生水蒸气,水汽扩散至顶棚,遇冷凝结后会滴落回冰面,给比赛带来一系列麻烦。为解决这一问题,陆诗亮带领的科研团队2019年起,就如何为“冰立方”遮阳展开研究。


    “我们对多种材料进行比对,结果显示,使用PVC膜材遮蔽太阳光是最切实可行的方案。”接受南方日报记者专访时,陆诗亮介绍,他们使用的是“PVC膜基夹黑涂层织物材料”。实测表明,敷设后“冰立方”室内太阳辐射量可降低98%,顶棚空腔内温度降低1.5%,近天花区温度降低10.2%,比赛场地附近温度降低11%,可达到理想的太阳光遮蔽效果。而且该材料可以灵活拆装,使国家游泳中心在“冰-水”运动间自由转换。


    陆诗亮打比方说,敷设PVC膜材,相当于给“冰立方”装上了一层“窗帘”。


    除了降低场馆的热量外,敷设PVC膜材还有其他好处。



    国家游泳中心“冰立方”内景


    陆诗亮介绍,PVC膜材还能将拦截的太阳辐射留在顶棚内,通过热对流在场馆内形成局部高温场,进而提高观众区的温度,提供舒适的观赛环境。此外,余留的热量也能够提高顶棚表面温度,防止场馆内的水蒸气在场馆上方形成凝结水。


    值得一提的是,这种“窗帘”材料的选择,既考虑功能,也充分考虑了“冰立方”的美观。“如果单纯追求降温效果,只需使用黑色不透光的材料,但这样做视觉效果就很差。我们专门研究出这种带涂层的PVC膜材,也是基于追求美观的角度考虑。”陆诗亮说。


    他还介绍,PVC膜材也并非一张平整的大网,而是由几百块“小窗户”组成的。“‘水立方’的外观是水泡形结构的,设计时就临摹出每个水泡,给每块水泡的膜装上小边框,再完好地覆盖在上面,既美观,又精准。”


    顶棚装PVC膜材“夹心” 依照不同需求随时替换


    除了对“窗帘”的材料选择,如何为敷设“窗帘”选择最佳位置,最大限度降低馆内制冰系统的运转负荷和冰面维护的能耗,也是给“冰立方”遮阳的一大难题。为此,科研团队也进行了大量模拟和实际测试。


    “冰立方”外表由3000多个半透明的“气枕”组成,内部则拥有一层由钢骨架连接、用单层ETFE膜材与场馆室内相隔的“空腔”顶棚。



    “冰立方”顶部的“气枕”结构


    陆诗亮介绍,科研团队专门建立了一套传热模型,以研究“空腔”内部及该结构与场馆室内的热湿环境相互作用机制。


    “我们选择将遮阳膜直接敷设在‘空腔’的中间层,也就是在ETFE膜材的平面上再安装一层PVC膜材‘夹心’。室内观众平时用肉眼难以察觉到遮阳膜的存在。”在陆诗亮看来,该方案的最大优点在于可以使遮阳膜的生产和安装难度降到最低,便于“冰立方”未来快速变回“水立方”。


    根据国家游泳中心的改造方案,本届冬奥会结束后,该场馆将在游泳季和冰上季之间不断切换,春夏秋三个季节将成为“水立方”,用于水上运动;冬季则变身“冰立方”,用于开展冰上运动。



    “冰立方”内景


    “‘冰立方’采用的遮阳膜设计是一种便于临时搭建的‘可动设施’。轻便的PVC材料方便灵活拆装、且造价十分便宜。”陆诗亮介绍,在“空腔”敷设的遮阳膜可供运营方依据各类赛事和活动的需求及时替换,这一设计思路也是研究团队对“低碳奥运”理念的具体实践。


    陆诗亮进一步表示,冰上运动场馆的多功能利用是其可持续发展的必然趋势。特别是随着越来越多的国内体育场馆采用“气枕”结构设计,他领导的研究团队为“冰立方”提出的改造模式,有希望在未来获得更大范围的推广使用。


    “水立方”改造是可持续发展的样本


    在本届冬奥会的“四个办奥”理念中,“绿色办奥”位居首位。在该理念指导下,国家游泳中心等2008年北京夏奥会旧场馆进行了升级改造,并致力于实现场馆在赛后的可持续利用。


    就‘冰立方’这个场馆而言,一馆多用,尤其是从水上项目到冰上项目的大幅度改造,在过去是从来没有过的。陆诗亮表示,国家游泳中心是对标国际标准建设出的顶级体育场馆,应当根据不同的社会需要被赋予新的功能和社会意义。


    未来的国家游泳中心,将成为既可以举办国际级别的游泳赛事,也能够举办大型冰上赛事,还可以举办多种大众冰水娱乐活动,真正实现了“水立方”“冰立方”双轮驱动。


    陆诗亮希望,这一可持续利用改造案例,能够为全国各地的体育场馆建设和运维起到示范性作用。“如果能把‘冰立方’的改造模式加以推广,那么能让全国体育场馆受惠,迅速走上绿色、科技之路。”陆诗亮说。



    “冰立方”内景


    也是基于这一初衷,受科技部委托,陆诗亮的团队又和同济大学、北京建筑设计院联合进行体育场馆可持续运维的研究。先后派遣二三十名科研人员分别赶赴北京、新疆、内蒙古、福建、四川、黑龙江等省市自治区15个冰上项目场馆进行数据收集工作。


    目前,科研团队已采集了包含场馆的基本信息、场景转换、能源消耗、功能使用、维修养护、收入支出等六个维度共计124个专项冰上运动体育馆运营数据,包含速滑馆、冰壶馆在内的多种场馆类型。陆诗亮告诉记者,该数据库的形成可为“冰立方”的赛后运营提供决策优化,也为更多冰上场馆建设与运维提供借鉴。


    冰上运动场馆未来应逐步实现精细化、科学化管理,降低能源消耗和运营成本,让更多民众得以参与到冰雪运动中来。


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