全世界首個采用二氧化碳制冷的冬奧場館“冰絲帶”，為何如此“絲滑”？

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撰文/記者 王雪瑩 編輯/丁林

新媒體編輯/宋夢

科學(xué)性審核：

楊永安（天津商業(yè)大學(xué)制冷與空調(diào)工程系教授）

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(jì)錄被打破了。同時，“冰絲帶”連續(xù)多日都產(chǎn)生新的奧運紀(jì)錄的“紀(jì)錄”也延續(xù)了下來。

▲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(jì)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。

你可曾想過為何“冰絲帶”能夠如此“順滑”？它哪些值得稱道的獨特之處？讓我們一起在下文中尋找答案。

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(jì)錄，它不僅是亞洲最大的全冰面設(shè)計（冰面面積高達(dá)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(jìn)、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(jìn)而達(dá)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(dá)峰、碳中和都有非常大的貢獻(xiàn)?！碧旖蛏虡I(yè)大學(xué)制冷與空調(diào)工程系教授楊永安解釋道。

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(rèn)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。

盡管二氧化碳是一種溫室氣體，但其溫室效應(yīng)遠(yuǎn)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(dá)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?！币虼?，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)?！钡霓k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，相較于烷烴類一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(jìn)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(hù)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(dá)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”。

（本內(nèi)容由北京科技報與中國數(shù)字科技館聯(lián)合制作）

出品：科普中央廚房

監(jiān)制：北京科技報 | 北科傳媒

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