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首都體育館內(nèi)景（來源：北京日?qǐng)?bào)）

  北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)新建、改建了7座冰上場館、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(tǒng)，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(xù)·向未來——北京冬奧會(huì)可持續(xù)發(fā)展報(bào)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(xùn)練館以及五棵松冰上運(yùn)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年底初次填充過程，合計(jì)減少900噸二氧化碳排放。 

  冰上場館制冰方案從設(shè)計(jì)到執(zhí)行，“綠色辦奧”的理念貫穿始終。在制冰方案設(shè)計(jì)之初，原計(jì)劃采用R507制冷劑，該制冷劑在當(dāng)前全球范圍內(nèi)普遍使用，符合《蒙特利爾議定書》對(duì)發(fā)展中國家的要求，但其GWP值(全球變暖潛能值)為3985、相對(duì)較高。 

  為使北京冬奧會(huì)場館更具有環(huán)保、可持續(xù)性，在國際奧委會(huì)和國際專家的支持下，北京冬奧組委積極研究制冷劑的國際發(fā)展趨勢(shì)和當(dāng)前實(shí)用技術(shù)，與國內(nèi)外制冷行業(yè)專家多次會(huì)商討論，確認(rèn)了兩種制冷系統(tǒng)可以選擇： 

  一是二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)，適合常年制冰的場館，如國家速滑館等；二是傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，適合不需要常年制冰的場館，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?qū)＜覐埿艠s表示，二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)具有安全性高、能耗和運(yùn)行成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，且全部熱量可回收利用，是冰上場館能源系統(tǒng)中最有前景的工質(zhì)之一，可使場館能源系統(tǒng)冷熱一體化高效運(yùn)行，在全球范圍內(nèi)都具有廣闊的應(yīng)用前景。

  國家速滑館制冰技術(shù)方案有十多位院士、國內(nèi)行業(yè)協(xié)會(huì)頂尖專家、建設(shè)代表進(jìn)行反復(fù)論證，在與北京冬奧組委、國際奧委會(huì)制冰專家的討論中，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(shè)的工程師宋家峰表示，國際單項(xiàng)體育組織專家曾說，國家速滑館使用國際慣用的環(huán)保制冰技術(shù)就能達(dá)到冬奧比賽標(biāo)準(zhǔn)。但經(jīng)過18個(gè)月摸索，中方團(tuán)隊(duì)把歷屆冬奧會(huì)速滑館制冷系統(tǒng)資料翻了個(gè)遍，對(duì)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(jié)省約200萬度電

  宋家峰表示，北京冬奧會(huì)之前，在全世界范圍內(nèi)，從未在大型冰上場館中使用過二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)。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(shù)量的傳統(tǒng)制冷劑的碳排放量，是二氧化碳制冷劑的3985倍。

  宋家峰稱，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(tǒng)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(jié)省約200萬度電。

  北京冬奧會(huì)7座冰上場館的9塊冰面，均使用了環(huán)保型制冷系統(tǒng)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(tǒng)，4塊冰面使用了R449A制冷劑。

  在傳統(tǒng)制冷劑選擇方面，當(dāng)前國際相關(guān)組織，如美國空調(diào)制冷學(xué)會(huì)(AHRI)，確定了現(xiàn)階段R507所對(duì)應(yīng)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(yùn)會(huì)的主場館，并將在北京冬奧會(huì)期間承辦冰壺和冰球比賽。為響應(yīng)“綠色、共享、開放、廉潔”的辦奧理念，三場館在對(duì)設(shè)備供應(yīng)商、設(shè)計(jì)工程師和服務(wù)提供商進(jìn)行調(diào)研后，選擇了R449A制冷劑。

  制冷行業(yè)專家表示，采用R449A制冷劑，是在不影響系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性的前提下，采取積極措施向環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)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)冰上場館采用了節(jié)能型制冷系統(tǒng)、環(huán)保型制冷劑，積極推動(dòng)了國際奧委會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。其中二氧化碳制冷系統(tǒng)的使用，率先為世界做出了環(huán)保和可持續(xù)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。 

  先說二氧化碳，可能多數(shù)人對(duì)它的認(rèn)識(shí)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。 

  沒錯(cuò)，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。 

  這里我們說的制冷指的是人工制冷，就是利用制冷設(shè)備，讓想要冷卻的物體溫度降低到小于周圍的環(huán)境溫度。拿二氧化碳跨臨界直冷制冰來說，就是讓水溫度降低，直到成為冰的狀態(tài)。 

  在人工制冷過程中，制冷劑的作用非常重要，它會(huì)在制冷設(shè)備中循環(huán)工作，起到熱量傳遞的作用，我們經(jīng)常聽說的氟利昂就是一類十分常見的制冷劑。 

那二氧化碳為什么可以成為制冷劑呢？

    一般來說，制冷劑通過液態(tài)和氣態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)熱量的交換，而二氧化碳也可以在這樣的物態(tài)轉(zhuǎn)變中吸收或釋放熱量。 

  簡單來說，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(dá)到降低環(huán)境溫度（讓水凝結(jié)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，它本來就是制冷劑中的“元老”，早在19世紀(jì)末就投入了應(yīng)用，只是因?yàn)槁确鸁N等制冷劑的出現(xiàn)，二氧化碳才逐漸淡出人們的視線。

     直到最近幾年，氯氟烴等制冷劑對(duì)環(huán)境造成的不良影響逐漸顯現(xiàn)，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(xiàn)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(duì)臭氧層的破壞非常嚴(yán)重（例如氟利昂R12）。 

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

  再加上二氧化碳還具有來源廣泛、安全無毒等優(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(duì)間冷（即載冷劑制冷）來說的，間冷是指制冷劑蒸發(fā)得到的冷量通過載冷劑傳遞給冰面以完成降溫的過程，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(shù)和制冷效率都很高，而且，能夠?qū)囟鹊牟▌?dòng)范圍控制在0.5攝氏度以內(nèi)，控制冰場溫度基本一致，這對(duì)大道速滑等比賽項(xiàng)目非常中重要。 

  還有一點(diǎn)大家可能也注意到了，冰場上的冰都呈現(xiàn)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？ 

  通常來說，比賽用的冰場呈現(xiàn)出的白色是后期加工的，采用傳統(tǒng)制冰技術(shù)制成的冰面其實(shí)也是透明的，需要使用專門的冰漆進(jìn)行噴白處理。 

  不過，直冷制冰的冰場并不需要冰漆噴白這個(gè)步驟，這是因?yàn)橹崩渲票^程中，水凍成冰的速度非常快（采用傳統(tǒng)制冰技術(shù)需要7天制成的冰場直冷制冰3天就可以制成），以至于水里的氣泡來不及逸出就被封凍在了冰里，最終形成的冰面就自然呈現(xiàn)出了乳白色。

跨臨界是怎么回事？

  前面我們已經(jīng)說了，二氧化碳作為制冷劑由來已久，但是早期的二氧化碳制冷采用的是亞臨界循環(huán)系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(dá)到了7.38兆帕。

     二氧化碳作為制冷劑要在制冷機(jī)中循環(huán)，制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、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(tǒng)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(tǒng)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)，二氧化碳與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱，吸收熱量，使周圍環(huán)境溫度降低。 

  二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)壓力高、壓差大，對(duì)系統(tǒng)部件的強(qiáng)度要求很高，所以長期以來沒有得到廣泛應(yīng)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(jī)、換熱器和回?zé)崞鞯群诵挠布牡?jí)，是科技硬實(shí)力的體現(xiàn)。 

  看來，冬奧賽場上的冰不僅僅是最“快”的冰，更是科技含量高的冰。

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