揭秘北京冬奧場(chǎng)館二氧化碳跨臨界直接制冷技術(shù)

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首都體育館內景（來(lái)源：北京日報）

  北京2022年冬奧會(huì )和冬殘奧會(huì )新建、改建了7座冰上場(chǎng)館、共9塊冰面。其中，5塊冰面使用了二氧化碳(R744)跨臨界直接制冷系統，這在冬奧會(huì )歷史上尚屬首次。

  北京冬奧組委本月發(fā)布的《可持續·向未來(lái)——北京冬奧會(huì )可持續發(fā)展報告(賽前)》顯示，北京冬奧會(huì )國家速滑館、首都體育館、首體短道速滑訓練館以及五棵松冰上運行中心使用的二氧化碳制冷劑，是從工業(yè)副產(chǎn)品收集提純獲取。2021年底初次填充過(guò)程，合計減少900噸二氧化碳排放。 

  冰上場(chǎng)館制冰方案從設計到執行，“綠色辦奧”的理念貫穿始終。在制冰方案設計之初，原計劃采用R507制冷劑，該制冷劑在當前全球范圍內普遍使用，符合《蒙特利爾議定書(shū)》對發(fā)展中國家的要求，但其GWP值(全球變暖潛能值)為3985、相對較高。 

  為使北京冬奧會(huì )場(chǎng)館更具有環(huán)保、可持續性，在國際奧委會(huì )和國際專(zhuān)家的支持下，北京冬奧組委積極研究制冷劑的國際發(fā)展趨勢和當前實(shí)用技術(shù)，與國內外制冷行業(yè)專(zhuān)家多次會(huì )商討論，確認了兩種制冷系統可以選擇： 

  一是二氧化碳跨臨界直接制冷系統，適合常年制冰的場(chǎng)館，如國家速滑館等；二是傳統制冷系統，適合不需要常年制冰的場(chǎng)館，如國家游泳中心、國家體育館等。

  二氧化碳制冷產(chǎn)生熱量可全部回收利用

  北京大學(xué)教授、國際天然工質(zhì)研究領(lǐng)域專(zhuān)家張信榮表示，二氧化碳跨臨界直接制冷系統具有安全性高、能耗和運行成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，且全部熱量可回收利用，是冰上場(chǎng)館能源系統中最有前景的工質(zhì)之一，可使場(chǎng)館能源系統冷熱一體化高效運行，在全球范圍內都具有廣闊的應用前景。

  國家速滑館制冰技術(shù)方案有十多位院士、國內行業(yè)協(xié)會(huì )頂尖專(zhuān)家、建設代表進(jìn)行反復論證，在與北京冬奧組委、國際奧委會(huì )制冰專(zhuān)家的討論中，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)被提出。

  參與國家速滑館建設的工程師宋家峰表示，國際單項體育組織專(zhuān)家曾說(shuō)，國家速滑館使用國際慣用的環(huán)保制冰技術(shù)就能達到冬奧比賽標準。但經(jīng)過(guò)18個(gè)月摸索，中方團隊把歷屆冬奧會(huì )速滑館制冷系統資料翻了個(gè)遍，對世界所有制冷劑優(yōu)劣特點(diǎn)逐一分析，最終拿出了更先進(jìn)的制冰技術(shù)。

  國家速滑館一年可節省約200萬(wàn)度電

  宋家峰表示，北京冬奧會(huì )之前，在全世界范圍內，從未在大型冰上場(chǎng)館中使用過(guò)二氧化碳跨臨界直接制冷系統。二氧化碳制冷劑ODP(破壞臭氧層潛能值)為0，GWP(全球變暖潛能值)僅為1，使用相同數量的傳統制冷劑的碳排放量，是二氧化碳制冷劑的3985倍。

  宋家峰稱(chēng)，二氧化碳制冷產(chǎn)生的余熱回收后，可以提供70攝氏度熱水用于生活熱水和除濕再生等用途。相比傳統制冷方式，國家速滑館采用二氧化碳制冰能效提升30%、一年可節省約200萬(wàn)度電。

  北京冬奧會(huì )7座冰上場(chǎng)館的9塊冰面，均使用了環(huán)保型制冷系統和制冷劑。其中，5塊冰面使用了二氧化碳(R744)跨臨界直接制冷系統，4塊冰面使用了R449A制冷劑。

  在傳統制冷劑選擇方面，當前國際相關(guān)組織，如美國空調制冷學(xué)會(huì )(AHRI)，確定了現階段R507所對應的替代制冷劑可為R449A，R449A的GWP值為1282，較R507降低了68%。

  北京國家游泳中心、國家體育館和五棵松體育中心均為2008年夏季奧運會(huì )的主場(chǎng)館，并將在北京冬奧會(huì )期間承辦冰壺和冰球比賽。為響應“綠色、共享、開(kāi)放、廉潔”的辦奧理念，三場(chǎng)館在對設備供應商、設計工程師和服務(wù)提供商進(jìn)行調研后，選擇了R449A制冷劑。

  制冷行業(yè)專(zhuān)家表示，采用R449A制冷劑，是在不影響系統性能和經(jīng)濟可持續性的前提下，采取積極措施向環(huán)境可持續發(fā)展目標邁進(jìn)的例證。

  國際奧委會(huì )相關(guān)官員表示，北京冬奧會(huì )冰上場(chǎng)館采用了節能型制冷系統、環(huán)保型制冷劑，積極推動(dòng)了國際奧委會(huì )的可持續發(fā)展戰略。其中二氧化碳制冷系統的使用，率先為世界做出了環(huán)保和可持續的示范，R449A制冷劑的選擇，將使得北京冬奧會(huì )成為冬奧會(huì )歷史上冰上場(chǎng)館制冷劑GWP值最低的一屆冬奧會(huì )。

為什么選用二氧化碳？

  想要解釋清楚什么是二氧化碳跨臨界直冷制冰，我們得先把這個(gè)名詞做個(gè)拆解：二氧化碳、跨臨界、直冷制冰。 

  先說(shuō)二氧化碳，可能多數人對它的認識就是空氣中的一種氣體，而且還是溫室氣體，了解多一點(diǎn)的會(huì )想到干冰，但二氧化碳的角色可不止這些。 

  沒(méi)錯，二氧化碳確實(shí)是溫室氣體，但在制冷領(lǐng)域，它就成了環(huán)保的制冷劑。 

  這里我們說(shuō)的制冷指的是人工制冷，就是利用制冷設備，讓想要冷卻的物體溫度降低到小于周?chē)沫h(huán)境溫度。拿二氧化碳跨臨界直冷制冰來(lái)說(shuō)，就是讓水溫度降低，直到成為冰的狀態(tài)。 

  在人工制冷過(guò)程中，制冷劑的作用非常重要，它會(huì )在制冷設備中循環(huán)工作，起到熱量傳遞的作用，我們經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)的氟利昂就是一類(lèi)十分常見(jiàn)的制冷劑。 

那二氧化碳為什么可以成為制冷劑呢？

    一般來(lái)說(shuō)，制冷劑通過(guò)液態(tài)和氣態(tài)之間的相互轉化實(shí)現熱量的交換，而二氧化碳也可以在這樣的物態(tài)轉變中吸收或釋放熱量。 

  簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，常溫常壓下的二氧化碳是氣態(tài)，施加一定壓力后，可以液化成液體甚至凝華為固體（固體二氧化碳就是我們常說(shuō)的干冰），壓力降低后，液態(tài)或固態(tài)的二氧化碳又能快速汽化（或升華）為氣體，并大量吸熱，達到降低環(huán)境溫度（讓水凝結成冰）的目的。 

  事實(shí)上，把二氧化碳用作制冷劑并不是什么新鮮事，它本來(lái)就是制冷劑中的“元老”，早在19世紀末就投入了應用，只是因為氯氟烴等制冷劑的出現，二氧化碳才逐漸淡出人們的視線(xiàn)。

     直到最近幾年，氯氟烴等制冷劑對環(huán)境造成的不良影響逐漸顯現，二氧化碳這個(gè)更加環(huán)保的制冷劑才重獲青睞。 

  可能有人就要問(wèn)了，既然是溫室氣體，二氧化碳作為制冷劑，其環(huán)保的特性表現在哪兒呢？ 

  首先，二氧化碳本身并不會(huì )破壞臭氧層，但不少氯氟烴制冷劑對臭氧層的破壞非常嚴重（例如氟利昂R12）。 

  其次，二氧化碳雖說(shuō)是溫室氣體，但其溫室效應比氯氟烴等制冷劑可低多了，相比之下確實(shí)稱(chēng)得上環(huán)保。 

  再加上二氧化碳還具有來(lái)源廣泛、安全無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，自然就從眾多制冷劑中脫穎而出了。 

為什么選擇直冷制冰？

  其實(shí)，直冷是相對間冷（即載冷劑制冷）來(lái)說(shuō)的，間冷是指制冷劑蒸發(fā)得到的冷量通過(guò)載冷劑傳遞給冰面以完成降溫的過(guò)程，直冷則不需要使用載冷劑，直接利用制冷劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的冷量與水進(jìn)行冷熱交換，逐步把水凍成冰塊。

  直冷制冰避免了使用載冷劑換熱所造成的能量損失，傳熱系數和制冷效率都很高，而且，能夠將溫度的波動(dòng)范圍控制在0.5攝氏度以?xún)?，控制冰?chǎng)溫度基本一致，這對大道速滑等比賽項目非常中重要。 

  還有一點(diǎn)大家可能也注意到了，冰場(chǎng)上的冰都呈現出牛奶一般的乳白色，可自己在家凍的冰明明是透明，這又是怎么回事？ 

  通常來(lái)說(shuō)，比賽用的冰場(chǎng)呈現出的白色是后期加工的，采用傳統制冰技術(shù)制成的冰面其實(shí)也是透明的，需要使用專(zhuān)門(mén)的冰漆進(jìn)行噴白處理。 

  不過(guò)，直冷制冰的冰場(chǎng)并不需要冰漆噴白這個(gè)步驟，這是因為直冷制冰過(guò)程中，水凍成冰的速度非?？欤ú捎脗鹘y制冰技術(shù)需要7天制成的冰場(chǎng)直冷制冰3天就可以制成），以至于水里的氣泡來(lái)不及逸出就被封凍在了冰里，最終形成的冰面就自然呈現出了乳白色。

跨臨界是怎么回事？

  前面我們已經(jīng)說(shuō)了，二氧化碳作為制冷劑由來(lái)已久，但是早期的二氧化碳制冷采用的是亞臨界循環(huán)系統，制冷效率較低，尤其是環(huán)境溫度高時(shí)，二氧化碳的制冷能力就會(huì )大打折扣。

  那“亞臨界”和“跨臨界”中的“臨界”是什么意思呢？ 

  我們知道，物質(zhì)可以在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之間相互轉換，而氣體和液體兩相平衡共存的極限熱力狀態(tài)就是其臨界狀態(tài)，此時(shí)的溫度和壓力分別稱(chēng)為臨界溫度和臨界壓力。以二氧化碳為例，它的臨界溫度為31.1攝氏度，而臨界壓力達到了7.38兆帕。

     二氧化碳作為制冷劑要在制冷機中循環(huán)，制冷機主要由壓縮機、冷凝器（冷卻器）、膨脹閥、蒸發(fā)器4個(gè)部分組成。

     在亞臨界循環(huán)系統中，冷凝時(shí)的壓力低于二氧化碳的臨界壓力；在跨臨界循環(huán)系統中，二氧化碳在冷卻器中處于超臨界狀態(tài)，定壓放熱，不發(fā)生完全的物態(tài)相變，在蒸發(fā)器中壓力小于臨界壓力，此時(shí)，二氧化碳與周?chē)h(huán)境進(jìn)行換熱，吸收熱量，使周?chē)h(huán)境溫度降低。 

  二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)系統壓力高、壓差大，對系統部件的強度要求很高，所以長(cháng)期以來(lái)沒(méi)有得到廣泛應用。 

  這次北京冬奧成功采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)完成7塊冰面的制備，背后的技術(shù)支撐是壓縮機、換熱器和回熱器等核心硬件的迭代升級，是科技硬實(shí)力的體現。 

  看來(lái)，冬奧賽場(chǎng)上的冰不僅僅是最“快”的冰，更是科技含量高的冰。

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