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    “冰立方”即“水立方” 成為世界上唯一水上和冰上項目均可運行的“雙奧場館”

    作為在冬奧會開幕式之前進行的唯一項目,冰壺比賽于2月2日在“冰立方”率先登場。

    “冰立方”,即2008年時驚艷世界的國家游泳中心“水立方”。為承接冬奧會冰壺項目和冬殘奧會輪椅冰壺項目,國家游泳中心進行了多項升級改造,使其成為世界上唯一水上和冰上項目均可運行的“雙奧場館”。

    從游泳館變身冰壺賽場,“水立方”的特殊頂棚材料卻成為阻礙:原有的ETFE透明膜結構透光性強,對于游泳館來說是極驚艷的效果,可對于冰上場館來說,熱輻射、頂棚冷凝水都會給比賽帶來麻煩。

    給“水立方”裝什么樣的“窗簾”,既美觀又能達到隔熱效果,還不破壞原有覆膜結構?哈爾濱工業大學建筑學院教授陸詩亮帶領的科研團隊,通過對ETFE材料的傳熱模型,以及對室內熱濕集成環境的作用機制的研究,最終選擇了一種PVC膜基夾黑涂層織物材料,成功給“冰立方”蓋上一層隔熱“窗簾”,為冬奧會比賽保駕護航。

    “窗簾”能隔熱還可為觀眾區“增溫”

    作為2008年北京夏季奧運會的標志性建筑,“水立方”大膽地在國內率先采用膜結構設計——由ETFE膜材制成的數千個半透明“氣枕”,構成了場館的外表面。

    ETFE中文名叫“乙烯-四氟乙烯共聚物”,這是一種輕質阻燃材料,層厚0.2毫米,熔點275℃,透光性能極佳。“水立方”的膜結構設計,有利于體育場館在“氣枕”空腔內鋪設LED景觀照明設備,帶來更好的視覺效果,也可讓太陽光透過“氣枕”,為場館在白天節約照明能耗。

    不過,在承辦冰壺這一對冰面要求較高的項目時,從“氣枕”透射進來的太陽輻射過多,不利于維持冰壺比賽所需的低溫低濕環境。

    弊端還有,熱輻射照射冰面,會使得冰面產生水蒸氣,水氣擴散至頂棚,遇冷凝結后會滴落回冰面,給比賽帶來一系列麻煩。

    為解決這一問題,自2019年起,陸詩亮帶領科研團隊,就如何為“冰立方”遮陽展開研究。

    “我們對多種材料進行比對,結果顯示,使用PVC膜材遮蔽太陽光是最切實可行的方案。”陸詩亮介紹,他們使用的是“PVC膜基夾黑涂層織物材料”。實測表明,敷設后的“冰立方”室內太陽輻射量可降低98%,頂棚空腔內溫度降低1.5%,近天花區溫度降低10.2%,比賽場地附近溫度降低11%,可達到理想的太陽光遮蔽效果。而且該材料可以靈活拆裝,使國家游泳中心在“冰—水”運動間自由轉換。

    陸詩亮打了個比方,敷設PVC膜材,相當于給“冰立方”裝上一層“窗簾”。

    除降低場館的熱量外,敷設PVC膜材還有其他好處。陸詩亮介紹,PVC膜材還能將攔截的太陽輻射留在頂棚內,通過熱對流在場館內形成局部高溫場,進而提高觀眾區的溫度,提供舒適的觀賽環境。此外,余留的熱量還能夠提高頂棚表面溫度,防止場館內的水蒸氣在場館上方形成凝結水。

    值得一提的是,這種“窗簾”材料的選擇,既考慮功能,也充分考慮了“冰立方”的美觀。“如果單純追求降溫效果,只需使用黑色不透光的材料,但視覺效果會很差。我們專門研究出這種帶涂層的PVC膜材,也是基于美觀的角度考慮。”陸詩亮說。

    頂棚裝“夾心”依照不同需求隨時替換

    除了對“窗簾”的材料選擇,如何為敷設“窗簾”選擇最佳位置,最大限度降低館內制冰系統的運轉負荷和冰面維護的能耗,也是給“冰立方”遮陽的一大難題。為此,科研團隊也進行了大量模擬和實際測試。

    “冰立方”外表由3000多個半透明的“氣枕”組成,內部則擁有一層由鋼骨架連接、用單層ETFE膜材與場館室內相隔的“空腔”頂棚。

    陸詩亮介紹,科研團隊專門建立了一套傳熱模型,以研究“空腔”內部及該結構與場館室內的熱濕環境相互作用機制。

    “我們選擇將遮陽膜直接敷設在‘空腔’的中間層,也就是在單層ETFE膜材的平面上再安裝一層PVC膜材‘夾心’。室內觀眾平時用肉眼難以察覺到遮陽膜的存在。”在陸詩亮看來,這種方案的最大優點在于可以使遮陽膜的生產和安裝難度降到最低,便于“冰立方”未來快速變回“水立方”。

    根據改造方案,本屆冬奧會結束后,該場館將在游泳季和冰上季之間不斷切換,春夏秋3個季節將成為“水立方”,用于水上運動,冬季則變身“冰立方”,用于開展冰上運動。

    “‘冰立方’采用的遮陽膜設計是一種便于臨時搭建的‘可動設施’。輕便的PVC材料方便靈活拆裝,且造價便宜。”陸詩亮介紹,在“空腔”敷設的遮陽膜可供運營方依據各類賽事和活動的需求及時替換,這一設計思路也是對低碳奧運理念的具體實踐。

    “冰立方”改造是可持續發展的樣本

    在本屆冬奧會的“四個辦奧”理念中,“綠色辦奧”位居首位。在該理念指導下,國家游泳中心等2008年北京夏奧會舊場館進行了升級改造,并致力于實現場館在賽后的可持續利用。

    未來的國家游泳中心,將成為既可以舉辦國際級別的游泳賽事,也能舉辦大型冰上賽事,還可以舉辦多種大眾冰水娛樂活動,真正實現了“水立方”“冰立方”雙輪驅動。

    陸詩亮希望,這一可持續利用改造案例,能為全國各地的體育場館建設和運維起到示范性作用。“如果能把‘冰立方’的改造模式加以推廣,那么能讓全國體育場館受惠,走上綠色、科技之路。”陸詩亮說。

    也是基于這一初衷,受科技部委托,陸詩亮的團隊又和同濟大學、北京建筑設計院聯合進行體育場館可持續運維的研究。先后派遣二三十名科研人員分赴北京、新疆、內蒙、福建、四川、黑龍江等地15個冰上項目場館開展數據收集工作。

    運動場館“始于賽事,不止于賽時”,在陸詩亮看來,冰上運動場館未來應逐步實現精細化、科學化管理,降低能源消耗和運營成本,讓更多民眾參與到冰雪運動中來。

    “作為一名大學教師,團隊的科研成果能夠獲得落地,尤其是能夠親身參與到建設‘冰立方’中,把我們的研究工作‘做在祖國的大地上’,這讓我感到十分榮幸。”陸詩亮說。

    責任編輯:Rex_08

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