二氧化碳讓“冰絲帶”更加“絲滑”

連續(xù)多日都在刷新奧運紀錄的“冰絲帶”為何如此“絲滑”？作為全世界首個采用“二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)制冷技術(shù)”的冬奧場館，它有哪些獨特之處？友綠智庫帶您一起了解。

隨著2月8日荷蘭選手紐斯強勢沖刺，塵封20年之久的速度滑冰男子1500米奧運紀錄被打破了。同時，“冰絲帶”連續(xù)多日都產(chǎn)生新的奧運紀錄的“紀錄”也延續(xù)了下來。

2月11日，北京冬奧會速度滑冰男子10000米比賽中，瑞典選手尼爾斯·范德普爾打破世界紀錄，奪得金牌。

2月8日，北京2022年冬奧會速度滑冰男子1500米決賽在國家速滑館“冰絲帶”舉行。荷蘭選手凱·努伊斯在比賽中。（新華社記者薛宇舸攝）

如此頻繁地刷新奧運會紀錄，除了選手本身出色發(fā)揮之外，國家速滑館“冰絲帶”的比賽場地同樣功不可沒。

國家速滑館

為何“冰絲帶”能夠如此“絲滑”？它哪些值得稱道的獨特之處？

有著“冰絲帶”美譽的國家速滑館，是2022年冬奧會北京賽區(qū)的標(biāo)志性場館。“冰絲帶”創(chuàng)下不少紀錄，它不僅是亞洲最大的全冰面設(shè)計（冰面面積高達1.2萬平方米），還是全世界首個采用“二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)制冷技術(shù)”的冬奧場館。

作為2022年冬奧會期間極具特色的“中國方案”，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)被視為目前最先進、最環(huán)保、最高效的制冰技術(shù)之一。那么，這種技術(shù)到底厲害在哪里？

其實，二氧化碳制冷的原理和普通空調(diào)中的制冷劑循環(huán)類似：二氧化碳在常溫常壓下是氣態(tài)，但在施加一定高壓后，二氧化碳會變?yōu)榕R界狀態(tài)的流體；這些流體隨后被送到需要制冷的區(qū)域，在其蒸發(fā)過程中會大量吸熱，進而達到降溫制冷的目的。

這種技術(shù)最關(guān)鍵的特征是大氣友好性，而且不會引起臭氧層破壞，對碳達峰、碳中和都有非常大的貢獻。

“我們中國是負責(zé)任的大國，果斷決定采用二氧化碳替代氟利昂。借著這個機會，我們也掌握了一系列核心技術(shù)，將來對于我們實現(xiàn)‘彎道超車’非常重要。” 北京大學(xué)工學(xué)院教授、國家速滑館CO2跨臨界制冷系統(tǒng)專家張信榮說。

北大教授張信榮在國家速滑館指導(dǎo)二氧化碳制冰機組工作場景。（受訪者供圖）

據(jù)了解，北京冬奧會的15塊冰場中有7塊采用低碳的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，7塊冰場使用二氧化碳制冰，相當(dāng)于減少了近3900輛汽車的年度二氧化碳排放量，超過26000噸。

二氧化碳在制冷領(lǐng)域并非“新貴”。事實上由于其簡單易得、價格低廉，早在100多年前，歐洲剛出現(xiàn)蒸氣壓縮式制冷技術(shù)時，二氧化碳就被作為制冷劑使用。

長期以來，制冷機廠商或冬季體育場館都使用氟利昂類化合物作為主要的制冷劑。但自1971年以來，隨著科學(xué)界對氟利昂認識的逐漸提高，人們終于意識到氟利昂類物質(zhì)會造成臭氧層破壞、溫室效應(yīng)等環(huán)境危害。相比之下，作為自然冷媒的二氧化碳制冷劑，顯得既環(huán)保又安全，這使得二氧化碳這一“元老級”制冷劑又重回人們視野。

盡管二氧化碳是一種溫室氣體，但其溫室效應(yīng)遠低于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中所使用的氟利昂類人工合成制冷劑。舉例來說，常在汽車空調(diào)系統(tǒng)中使用的R134a制冷劑，它的全球溫室效應(yīng)潛能值（GWP）高達1300——足足是二氧化碳制冷劑（GWP值為1）的1300倍。

不僅如此，二氧化碳制冷的能效也比傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)更高。楊永安指出，二氧化碳的熱力學(xué)性質(zhì)非常優(yōu)異：“在系統(tǒng)設(shè)計合理情況下，它的效率與常規(guī)系統(tǒng)接近，并且系統(tǒng)緊湊、機組的尺寸小……（管線中的）流動阻力很小，因此使用的時候，工質(zhì)泵功率小、蒸發(fā)器內(nèi)的壓力損失也小。”因此，二氧化碳制冷技術(shù)更加符合北京冬奧會“綠色、節(jié)能、環(huán)保”的辦會理念。

除了對環(huán)境更友好，作為制冷劑的二氧化碳還具有無異味、不可燃、不助燃的優(yōu)點，相較于烷烴類易燃的冷媒安全性更高。

據(jù)悉，為了更好地發(fā)揮二氧化碳直冷制冰的優(yōu)點，“冰絲帶”配置了一套先進的智能能源管理系統(tǒng)，后者可以高效回收制冷系統(tǒng)所產(chǎn)生的余熱，為場館除濕、冰面維護澆水及運動員日常所需等場景提供近70℃的熱水。

在全冰面運行的情況下，“冰絲帶”僅在制冷環(huán)節(jié)每年就能節(jié)電200余萬度，相當(dāng)于北京6000余個家庭一個月的用電量。由于在整個制冷過程中碳排放趨近于零，這堪比種下超過120萬株樹木實現(xiàn)的碳減排量。

“冰絲帶”作為本屆冬奧會的速滑比賽場館，對冰面質(zhì)量有著極高的要求。冰溫不均會導(dǎo)致冰面有的地方軟，而有的地方冰面又太硬——對于速滑運動員來說，太軟的冰面會導(dǎo)致速度變慢，而太硬的地方又可能蹬不住冰，影響選手的比賽發(fā)揮。

傳統(tǒng)冰場通常會采用間接制冷的方式（例如使用氟利昂制冷劑、乙二醇載冷劑），而由于載冷劑常常不在固定溫度放熱，因而這樣的冰場冰溫溫差一般都高達1.5℃-2℃。

相比之下，“冰絲帶”采用二氧化碳直冷制冰系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)換熱效率更高，而且冰溫均勻，其冰面溫差基本可以控制在0.5℃以內(nèi)，有助于為頂級賽事打造“最快的冰”。

二氧化碳人工造雪

除了制冰之外，在室外造雪中也運用到了二氧化碳制雪技術(shù)。

冬奧會的各項賽事，對于雪的要求都不相同，因此造雪團隊會根據(jù)場地需要的不同來造雪。

人工造雪技術(shù)至今已有幾十年的發(fā)展歷史。上個世紀80年代開始，人工造雪技術(shù)就開始被應(yīng)用于都靈冬奧會、溫哥華冬奧會、索契冬奧會，以及平昌冬奧會等各大賽事，并大量使用人工造雪來完善賽道質(zhì)量。其中2018年平昌冬奧會人造雪占比達到了90%。2021年11月，在張家口賽區(qū)舉辦的2021-2022相約北京國際雪聯(lián)自由式滑雪和單板滑雪障礙追逐世界杯比賽上，云頂場館賽道使用的人工造雪占比約為60%，競賽期間的雪道品質(zhì)獲得了各國運動員的普遍肯定和贊譽。

2月7日，美國選手雷德蒙·杰拉德在比賽中。當(dāng)日，北京2022年冬奧會單板滑雪項目男子坡面障礙技巧決賽在張家口云頂滑雪公園舉行。（新華社記者許暢攝）

自然雪的性質(zhì)極其不穩(wěn)定，為了保證賽事的穩(wěn)定性，必須使用人造雪。滑雪賽道要使用在國際上合格的“冰狀雪”賽道。冰狀雪是一種高密度的雪，不同于自然降雪每立方米僅有200kg，冰狀雪每立方米中含有約550kg雪花。

它的作用就是減小運動員在滑雪時滑板和賽道之間的摩擦。就像運動員在普通的操場上跑步一般，鞋子都要輕盈透氣，不易滑倒，做到一個適中的狀態(tài)。

人造雪能夠?qū)崿F(xiàn)硬度、含雪量以及雪的直徑大小的改變，可以滿足不同用雪比賽對雪花的需求。冰狀雪賽道能夠提升運動員的成績，讓他們在優(yōu)異的環(huán)境下發(fā)揮自身最大的實力。并且不容易發(fā)生側(cè)翻和急停，保障了運動員的人身安全，以及延長了他們的運動實力和壽命。

但是令人驚訝的是中國在2016年之前竟然無法造出一條合格的冰狀雪賽道。因為國際上已經(jīng)對中國進行了技術(shù)封鎖，不提供冰雪賽道的具體標(biāo)準(zhǔn)。我國的冰雪事業(yè)在科研上遠遠落后于其它國家，而且舉辦國際賽事的經(jīng)驗較少。當(dāng)時在請國際冰雪賽道的制作團隊做指導(dǎo)的時候，他們只是踩一踩、捏一捏，然后告訴你不合格。

從2017年到2021年結(jié)束，通過科研人員的持續(xù)奮戰(zhàn)，中國終于突破了這項艱難的人造雪技術(shù)。在不同環(huán)境的影響下實施相應(yīng)的人造雪密度，真正實現(xiàn)了用雪自由。

對比傳統(tǒng)的造雪，新的造雪技術(shù)有何不同？張信榮介紹說，傳統(tǒng)的造雪其實就是在一個低溫的環(huán)境里，用高壓空氣把水打成小的水花、水滴，從而凝結(jié)成雪。傳統(tǒng)的造雪機都是0度以下才能造雪，最高溫度不能超過2度。但對于我們來講，特別是冬殘奧會期間，3月份的北京溫度升高，這就提出了新的挑戰(zhàn)。

“所以我們研發(fā)了零上高品質(zhì)動態(tài)人工造雪和儲雪一體化技術(shù)，當(dāng)氣溫處于0℃—15℃時，利用二氧化碳超臨界制冷技術(shù)以及新型優(yōu)化的造雪設(shè)計，實現(xiàn)安全、高效、低成本、高品質(zhì)的人工造雪。”張信榮介紹，這樣一來，在艷陽天里滑雪不再是夢。

在創(chuàng)新的背后，環(huán)保考量是最重要的因素。據(jù)介紹，利用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)1立方米的雪量大約需要30度左右的電，而零上人工造雪技術(shù)僅耗18度—22度電，同時造雪產(chǎn)生的熱量將全部回收，用于提供熱水與比賽供熱。

環(huán)保制冰、低碳造雪等可持續(xù)舉措不僅是中國辦奧綠色理念的實踐，其中還包含著更長遠的發(fā)展考慮。

延伸閱讀：二氧化碳制熱

二氧化碳不僅可以制冷，還可以用來制熱。

近年來，二氧化碳等自然冷媒技術(shù)在空氣源熱泵產(chǎn)品中的應(yīng)用正越來越被重視，不少整機制造企業(yè)推出了超臨界循環(huán)二氧化碳熱泵機組。

二氧化碳熱泵是空氣源熱泵的一種，因為采用天然環(huán)保制冷劑二氧化碳而得名。例如江蘇蘇凈集團的二氧化碳熱泵熱水機在-30℃的超低溫環(huán)境下，能夠產(chǎn)出高溫90℃的熱水，COP是普通電加熱熱水器的4.6倍，也高出普通熱泵產(chǎn)品20%，節(jié)能效果更加顯著。在近年來國內(nèi)高校學(xué)者的相關(guān)理論和應(yīng)用研究中指出，二氧化碳熱泵更適用于賓館、酒店、醫(yī)院、學(xué)校等大型的工商業(yè)企事業(yè)單位。

蘇凈二氧化碳熱泵熱水機

在日本，EcoCute家用二氧化碳熱泵熱水器自2001年進入市場以來，銷售量持續(xù)上升。日本熱泵蓄熱中心（HPTCJ）研究報告表明，在日本采用熱泵技術(shù)可以削減10％的二氧化碳排放量，其中2％是用EcoCute（生態(tài)精靈）家用二氧化碳熱泵熱水器更換現(xiàn)有熱水器的貢獻。

二氧化碳跨臨界循環(huán)熱泵系統(tǒng)有一個突出的優(yōu)點，就是由于高壓側(cè)的二氧化碳制冷劑處于超臨界狀態(tài)，在氣體冷卻器放熱時，其溫度變化曲線基本上呈單相對流降溫的特征，因此可以與熱水升溫特性實現(xiàn)良好的匹配；而EcoCute產(chǎn)品在水側(cè)以較大溫升換熱過程中，仍然保持較高的熱力效率。

所以，EcoCute產(chǎn)品從開始投放市場時就具備了較高出水溫度的特點，額定運行溫度一般可達到60℃，最高出水溫度可達90℃，如此高溫度的熱水足以供暖器片輻射采暖之用。而衛(wèi)生用水的供水溫度要求大致為：肢體接觸溫度38℃，軀體接觸溫度42℃，浴缸調(diào)節(jié)溫度60℃。因此EcoCute完全可以滿足衛(wèi)生用熱水和采暖應(yīng)用。

二氧化碳未來應(yīng)用場景廣闊

相對而言冰雪產(chǎn)業(yè)還是小產(chǎn)業(yè)，二氧化碳還可以發(fā)電、制冷、去做動力。在這項技術(shù)后續(xù)的轉(zhuǎn)化和運用上，北大教授張信榮團隊也在持續(xù)探索。譬如，新型動力，未來汽車到加油站充的不是電，也不是氫，而是二氧化碳，這是很有可能的。

在建筑領(lǐng)域，2021年12 月28 日，世界首條水泥窯尾氣吸碳制磚生產(chǎn)線在華新水泥成功運行。這條生產(chǎn)線由華新水泥與湖南大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，是世界首條利用水泥窯尾煙氣生產(chǎn)混凝土制品的生產(chǎn)線。

該技術(shù)將水泥窯尾氣制品化，采用水泥窯尾煙氣吸碳養(yǎng)護工藝取代傳統(tǒng)粘土燒成制磚和混凝土灰砂磚工藝，解決了資源消耗、能耗及二氧化碳排放的問題，開發(fā)出水泥產(chǎn)業(yè)碳中和技術(shù)。以“二氧化碳傳輸-碳化養(yǎng)護-溫度-后續(xù)水化”協(xié)同效應(yīng)理論，開發(fā)出了水泥產(chǎn)業(yè)鏈上碳中和的技術(shù)。以年產(chǎn)1億塊蒸養(yǎng)磚生產(chǎn)線為例，每年利用2.6萬噸二氧化碳，全國推廣每年減碳將達到5200萬噸。

由水泥窯尾氣吸碳制磚生產(chǎn)線生產(chǎn)出的環(huán)保磚

這次冬奧會是一個非常好的推動低碳科技創(chuàng)新的契機，特別在雙碳目標(biāo)下，冬奧會已經(jīng)成為一個起點，二氧化碳未來在各行各業(yè)都能發(fā)揮很好的作用。