二氧化碳让“冰丝带”更加“丝滑”
连续多日都在刷新奥运纪录的“冰丝带”为何如此“丝滑”？作为全世界首个采用“二氧化碳跨临界直接蒸发制冷技术”的冬奥场馆，它有哪些独特之处？友绿智库带您一起了解。
随着2月8日荷兰选手纽斯强势冲刺，尘封20年之久的速度滑冰男子1500米奥运纪录被打破了。同时，“冰丝带”连续多日都产生新的奥运纪录的“纪录”也延续了下来。
2月11日，北京冬奥会速度滑冰男子10000米比赛中，瑞典选手尼尔斯·范德普尔打破世界纪录，夺得金牌。
2月8日，北京2022年冬奥会速度滑冰男子1500米决赛在国家速滑馆“冰丝带”举行。荷兰选手凯·努伊斯在比赛中。（新华社记者薛宇舸摄）
如此频繁地刷新奥运会纪录，除了选手本身出色发挥之外，国家速滑馆“冰丝带”的比赛场地同样功不可没。
国家速滑馆
为何“冰丝带”能够如此“丝滑”？它哪些值得称道的独特之处？
有着“冰丝带”美誉的国家速滑馆，是2022年冬奥会北京赛区的标志性场馆。“冰丝带”创下不少纪录，它不仅是亚洲最大的全冰面设计（冰面面积高达1.2万平方米），还是全世界首个采用“二氧化碳跨临界直接蒸发制冷技术”的冬奥场馆。
作为2022年冬奥会期间极具特色的“中国方案”，二氧化碳跨临界直冷制冰技术被视为目前最先进、最环保、最高效的制冰技术之一。那么，这种技术到底厉害在哪里？
其实，二氧化碳制冷的原理和普通空调中的制冷剂循环类似：二氧化碳在常温常压下是气态，但在施加一定高压后，二氧化碳会变为临界状态的流体；这些流体随后被送到需要制冷的区域，在其蒸发过程中会大量吸热，进而达到降温制冷的目的。
这种技术最关键的特征是大气友好性，而且不会引起臭氧层破坏，对碳达峰、碳中和都有非常大的贡献。
“我们中国是负责任的大国，果断决定采用二氧化碳替代氟利昂。借着这个机会，我们也掌握了一系列核心技术，将来对于我们实现‘弯道超车’非常重要。” 北京大学工学院教授、国家速滑馆CO2跨临界制冷系统专家张信荣说。
北大教授张信荣在国家速滑馆指导二氧化碳制冰机组工作场景。（受访者供图）
据了解，北京冬奥会的15块冰场中有7块采用低碳的二氧化碳跨临界直冷制冰技术，7块冰场使用二氧化碳制冰，相当于减少了近3900辆汽车的年度二氧化碳排放量，超过26000吨。
二氧化碳在制冷领域并非“新贵”。事实上由于其简单易得、价格低廉，早在100多年前，欧洲刚出现蒸气压缩式制冷技术时，二氧化碳就被作为制冷剂使用。
长期以来，制冷机厂商或冬季体育场馆都使用氟利昂类化合物作为主要的制冷剂。但自1971年以来，随着科学界对氟利昂认识的逐渐提高，人们终于意识到氟利昂类物质会造成臭氧层破坏、温室效应等环境危害。相比之下，作为自然冷媒的二氧化碳制冷剂，显得既环保又安全，这使得二氧化碳这一“元老级”制冷剂又重回人们视野。
尽管二氧化碳是一种温室气体，但其温室效应远低于传统制冷系统中所使用的氟利昂类人工合成制冷剂。举例来说，常在汽车空调系统中使用的R134a制冷剂，它的全球温室效应潜能值（GWP）高达1300——足足是二氧化碳制冷剂（GWP值为1）的1300倍。
不仅如此，二氧化碳制冷的能效也比传统制冷系统更高。杨永安指出，二氧化碳的热力学性质非常优异：“在系统设计合理情况下，它的效率与常规系统接近，并且系统紧凑、机组的尺寸小……（管线中的）流动阻力很小，因此使用的时候，工质泵功率小、蒸发器内的压力损失也小。”因此，二氧化碳制冷技术更加符合北京冬奥会“绿色、节能、环保”的办会理念。
除了对环境更友好，作为制冷剂的二氧化碳还具有无异味、不可燃、不助燃的优点，相较于烷烃类易燃的冷媒安全性更高。
据悉，为了更好地发挥二氧化碳直冷制冰的优点，“冰丝带”配置了一套先进的智能能源管理系统，后者可以高效回收制冷系统所产生的余热，为场馆除湿、冰面维护浇水及运动员日常所需等场景提供近70℃的热水。
在全冰面运行的情况下，“冰丝带”仅在制冷环节每年就能节电200余万度，相当于北京6000余个家庭一个月的用电量。由于在整个制冷过程中碳排放趋近于零，这堪比种下超过120万株树木实现的碳减排量。
“冰丝带”作为本届冬奥会的速滑比赛场馆，对冰面质量有着极高的要求。冰温不均会导致冰面有的地方软，而有的地方冰面又太硬——对于速滑运动员来说，太软的冰面会导致速度变慢，而太硬的地方又可能蹬不住冰，影响选手的比赛发挥。
传统冰场通常会采用间接制冷的方式（例如使用氟利昂制冷剂、乙二醇载冷剂），而由于载冷剂常常不在固定温度放热，因而这样的冰场冰温温差一般都高达1.5℃-2℃。
相比之下，“冰丝带”采用二氧化碳直冷制冰系统，不仅系统换热效率更高，而且冰温均匀，其冰面温差基本可以控制在0.5℃以内，有助于为顶级赛事打造“最快的冰”。
二氧化碳人工造雪
除了制冰之外，在室外造雪中也运用到了二氧化碳制雪技术。
冬奥会的各项赛事，对于雪的要求都不相同，因此造雪团队会根据场地需要的不同来造雪。
人工造雪技术至今已有几十年的发展历史。上个世纪80年代开始，人工造雪技术就开始被应用于都灵冬奥会、温哥华冬奥会、索契冬奥会，以及平昌冬奥会等各大赛事，并大量使用人工造雪来完善赛道质量。其中2018年平昌冬奥会人造雪占比达到了90%。2021年11月，在张家口赛区举办的2021-2022相约北京国际雪联自由式滑雪和单板滑雪障碍追逐世界杯比赛上，云顶场馆赛道使用的人工造雪占比约为60%，竞赛期间的雪道品质获得了各国运动员的普遍肯定和赞誉。
2月7日，美国选手雷德蒙·杰拉德在比赛中。当日，北京2022年冬奥会单板滑雪项目男子坡面障碍技巧决赛在张家口云顶滑雪公园举行。（新华社记者许畅摄）
自然雪的性质极其不稳定，为了保证赛事的稳定性，必须使用人造雪。滑雪赛道要使用在国际上合格的“冰状雪”赛道。冰状雪是一种高密度的雪，不同于自然降雪每立方米仅有200kg，冰状雪每立方米中含有约550kg雪花。
它的作用就是减小运动员在滑雪时滑板和赛道之间的摩擦。就像运动员在普通的操场上跑步一般，鞋子都要轻盈透气，不易滑倒，做到一个适中的状态。
人造雪能够实现硬度、含雪量以及雪的直径大小的改变，可以满足不同用雪比赛对雪花的需求。冰状雪赛道能够提升运动员的成绩，让他们在优异的环境下发挥自身最大的实力。并且不容易发生侧翻和急停，保障了运动员的人身安全，以及延长了他们的运动实力和寿命。
但是令人惊讶的是中国在2016年之前竟然无法造出一条合格的冰状雪赛道。因为国际上已经对中国进行了技术封锁，不提供冰雪赛道的具体标准。我国的冰雪事业在科研上远远落后于其它国家，而且举办国际赛事的经验较少。当时在请国际冰雪赛道的制作团队做指导的时候，他们只是踩一踩、捏一捏，然后告诉你不合格。
从2017年到2021年结束，通过科研人员的持续奋战，中国终于突破了这项艰难的人造雪技术。在不同环境的影响下实施相应的人造雪密度，真正实现了用雪自由。
对比传统的造雪，新的造雪技术有何不同？张信荣介绍说，传统的造雪其实就是在一个低温的环境里，用高压空气把水打成小的水花、水滴，从而凝结成雪。传统的造雪机都是0度以下才能造雪，最高温度不能超过2度。但对于我们来讲，特别是冬残奥会期间，3月份的北京温度升高，这就提出了新的挑战。
“所以我们研发了零上高品质动态人工造雪和储雪一体化技术，当气温处于0℃—15℃时，利用二氧化碳超临界制冷技术以及新型优化的造雪设计，实现安全、高效、低成本、高品质的人工造雪。”张信荣介绍，这样一来，在艳阳天里滑雪不再是梦。
在创新的背后，环保考量是最重要的因素。据介绍，利用传统方式生产1立方米的雪量大约需要30度左右的电，而零上人工造雪技术仅耗18度—22度电，同时造雪产生的热量将全部回收，用于提供热水与比赛供热。
环保制冰、低碳造雪等可持续举措不仅是中国办奥绿色理念的实践，其中还包含着更长远的发展考虑。
延伸阅读：二氧化碳制热
二氧化碳不仅可以制冷，还可以用来制热。
近年来，二氧化碳等自然冷媒技术在空气源热泵产品中的应用正越来越被重视，不少整机制造企业推出了超临界循环二氧化碳热泵机组。
二氧化碳热泵是空气源热泵的一种，因为采用天然环保制冷剂二氧化碳而得名。例如江苏苏净集团的二氧化碳热泵热水机在-30℃的超低温环境下，能够产出高温90℃的热水，COP是普通电加热热水器的4.6倍，也高出普通热泵产品20%，节能效果更加显著。在近年来国内高校学者的相关理论和应用研究中指出，二氧化碳热泵更适用于宾馆、酒店、医院、学校等大型的工商业企事业单位。
苏净二氧化碳热泵热水机
在日本，EcoCute家用二氧化碳热泵热水器自2001年进入市场以来，销售量持续上升。日本热泵蓄热中心（HPTCJ）研究报告表明，在日本采用热泵技术可以削减10％的二氧化碳排放量，其中2％是用EcoCute（生态精灵）家用二氧化碳热泵热水器更换现有热水器的贡献。
二氧化碳跨临界循环热泵系统有一个突出的优点，就是由于高压侧的二氧化碳制冷剂处于超临界状态，在气体冷却器放热时，其温度变化曲线基本上呈单相对流降温的特征，因此可以与热水升温特性实现良好的匹配；而EcoCute产品在水侧以较大温升换热过程中，仍然保持较高的热力效率。
所以，EcoCute产品从开始投放市场时就具备了较高出水温度的特点，额定运行温度一般可达到60℃，最高出水温度可达90℃，如此高温度的热水足以供暖器片辐射采暖之用。而卫生用水的供水温度要求大致为：肢体接触温度38℃，躯体接触温度42℃，浴缸调节温度60℃。因此EcoCute完全可以满足卫生用热水和采暖应用。
二氧化碳未来应用场景广阔
相对而言冰雪产业还是小产业，二氧化碳还可以发电、制冷、去做动力。在这项技术后续的转化和运用上，北大教授张信荣团队也在持续探索。譬如，新型动力，未来汽车到加油站充的不是电，也不是氢，而是二氧化碳，这是很有可能的。
在建筑领域，2021年12 月28 日，世界首条水泥窑尾气吸碳制砖生产线在华新水泥成功运行。这条生产线由华新水泥与湖南大学联合研发，是世界首条利用水泥窑尾烟气生产混凝土制品的生产线。
该技术将水泥窑尾气制品化，采用水泥窑尾烟气吸碳养护工艺取代传统粘土烧成制砖和混凝土灰砂砖工艺，解决了资源消耗、能耗及二氧化碳排放的问题，开发出水泥产业碳中和技术。以“二氧化碳传输-碳化养护-温度-后续水化”协同效应理论，开发出了水泥产业链上碳中和的技术。以年产1亿块蒸养砖生产线为例，每年利用2.6万吨二氧化碳，全国推广每年减碳将达到5200万吨。
由水泥窑尾气吸碳制砖生产线生产出的环保砖
这次冬奥会是一个非常好的推动低碳科技创新的契机，特别在双碳目标下，冬奥会已经成为一个起点，二氧化碳未来在各行各业都能发挥很好的作用。
