2022年北京鼕奧會結束瞭！在各項高科技的加持下 鼕奧會賽場上多項紀錄被打破。國傢速滑館“冰絲帶”的冰 鼕奧都結束瞭 還有人不知道“最快的冰”？ - 趣味新聞網

2022年北京鼕奧會結束瞭！

在各項高科技的加持下，鼕奧會賽場上多項紀錄被打破。國傢速滑館“冰絲帶”的冰，更被網友稱為“破紀錄的冰”。

“冰絲帶”是亞洲建築規模最大的速滑館，有目前亞洲最大的冰麵。值得關注的是，它的冰麵采用二氧化碳直冷製冰，這也是全球首個采用二氧化碳跨臨界直接蒸發製冷的鼕奧速滑場館。

國傢速滑館“冰絲帶”內部

（圖片來源：新京報記者陶冉攝）

Part.1

二氧化碳製冷：一舉兩得的製冷技術

我們對於二氧化碳並不陌生，它有一個突齣的物理特徵：在加壓和冷卻的條件下可以變成液體，繼續降低溫度則會變成雪花狀，再經過壓縮處理極易形成乾冰。 壓力降低後，乾冰會迅速蒸發或升華，這個過程會帶走大量的熱，從而使環境溫度降低，這便是二氧化碳製冷的原理。

大量排放二氧化碳造成的溫室效應，給地球帶來諸多不良影響。如果將大氣中的二氧化碳作為一種安全、經濟和環保的“自然”製冷劑實現高效製冷，可謂是一舉兩得： 既能有效利用排放的二氧化碳去緩解溫室效應，又能顯著提升人工製冷的性能。

二氧化碳製冷有望將溫室效應轉變為舒適環境的示意圖

（圖片來源：作者自製）

二氧化碳製冷原理看著簡單，但操作過程很難。具體而言，二氧化碳跨臨界直冷製冰的整個過程需要壓縮機、氣體冷卻器、膨脹閥、蒸發器、管路、閥門等。

首先，通過壓縮機來提升二氧化碳的壓力至超臨界狀態。

接著，壓縮機排齣高溫高壓的二氧化碳流過氣體冷卻器來冷卻其溫度，放齣的熱量用於餘熱迴收。

然後，二氧化碳製冷劑流過膨脹閥，在此過程中其壓力迅速降低。

最後再通過蒸發器內二氧化碳的迅速蒸發，吸收周圍環境熱量，從而實現製冷或者製冰的效果。

二氧化碳製冷示意圖

（圖片來源：作者自製）

Part.2

製冷劑這麼多，為什麼要用二氧化碳製冷？

在室內冰場製冷劑的選擇上，二氧化碳並不是首選，早期人們曾大量采用氨或氟利昂作為製冷劑。但考慮到閤成製冷劑對臭氧層有破壞且溫室效應顯著，如今已經被淘汰不再應用，而氨工質（工質指用來實現熱能和機械能相互轉換的媒介物質）應用於室內冰場具有一定的危險性。

與之相比，用二氧化碳製冷比較環保，碳排放趨近於零，“冰絲帶”場館內的4塊主冰麵在競技時可減少約900噸二氧化碳排放。 不僅如此，相比傳統製冷技術，二氧化碳製冷效率高，可將能效提升20%以上，而且還能實現均勻製冷，冰麵不同位置的溫差基本控製在0.5℃以內，其硬度和平整度幾乎一緻而有利於滑行。

Part.3

製冷技術哪傢強？“冰絲帶”為何選擇瞭它？

選好製冷劑之後，就要考慮製冷技術瞭。 目前的人工製冷技術主要有間接製冷技術和直接蒸發式製冷技術。

間接製冷技術指的是係統蒸發器産生的冷量不能直接被用戶利用，而是需依靠傳熱載體通過輸送、熱交換設備纔能達到製冷的目的。

而直接蒸發式製冷技術則是係統蒸發器直接與被冷卻空間進行熱交換以達到製冷的效果。

對於剛結束冰雪賽事的“冰絲帶”而言，應該如何選擇製冷技術呢？

（圖片來源：北京日報）

無論間冷式還是直冷式，都要求冰麵溫度均勻性較高，兩種方式所需的工質流量不同， 因此耗電量成為兩者的主要差彆。 相比之下，二氧化碳跨臨界直冷製冰技術的優勢便顯露齣來瞭。

首先，二氧化碳跨臨界直冷製冰技術最顯著的優勢之一是溫度均勻性極佳。 盡管長距離流動時，不同位置的流量可能不同，但由於二氧化碳的黏度較小，其蒸發溫度能夠保證基本不變，因此冰場的溫度極其均勻。

而在間冷式冰場中，載冷劑的放熱溫區較大，其管道進齣口存在一定溫差，一般能達到1.5℃-2℃。為保證冰場溫度足夠均勻，需要增大載冷劑的流量，當工質循環量約為直接蒸發式的十倍時，同樣可以在極小溫差（基本處於0.5℃以內）的情況下進行製冷，但循環泵的耗電量會大幅增加。

另外，二氧化碳作為低溫製冷循環工質可在設備小型化、換熱效率和維護保養上具有優勢。

由於二氧化碳相比人工閤成類製冷劑的分子量小，製冷能力大，可以減小壓縮機尺寸，便於係統高效緊湊設計。

二氧化碳具有高密度和低粘度，其流動損失小，傳熱效果良好。

此外，二氧化碳容易滿足設備的潤滑條件，難以腐蝕製冷設備，能顯著改善壓縮機的密封性。

此外，跨臨界循環的特點使得二氧化碳的“冷凝”過程可以在氣體冷卻器中冷卻，減小瞭係統的傳熱損失。

通過高效迴收餘熱的二氧化碳熱泵係統，可迴收超過60%的熱量，並提供70℃的熱水用於運動員的生活熱水、融冰池融冰和冰麵維護澆冰等能源需求。

綜閤以上優勢，二氧化碳跨臨界直冷製冰技術便成為瞭鼕奧會“冰絲帶”製冰的最佳選擇。

Part.4

這項技術在“冰絲帶”中終獲完美應用

彆看冰絲帶錶麵隻有晶瑩剔透的冰麵，其實它就像個“三明治”，下麵還有好幾層，包括鋼筋混凝土層、保溫層、夯填砂層等。這種設計有利於冰麵下端的保溫隔熱，也能實時調節地麵各處的溫度，保證冰層的厚度與溫度的一緻性。

典型人工冰場的地麵結構圖

（圖片來源：參考文獻2）

在采用二氧化碳跨臨界直冷製冰技術的過程中，“冰絲帶”使用智能控製係統，讓二氧化碳製冷劑在冰麵下的閤金鋼管中晝夜不停地進行氣液相變蒸發。

多台二氧化碳壓縮機同時工作，冰闆層製冷管道內的低溫二氧化碳與鋼筋混凝土層進行換熱，使溫度逐步降到零下十幾度。

然後再不斷嚮冰闆上灑水，即可凍結成每層幾毫米的冰麵，最後經過多輪製冰工序，冷凍成厚度為30mm的冰麵，確保冰麵良好的穩定性和溫度的均勻性。

此外，冰絲帶的冰麵采用分模塊控製單元，就像一個溫度不同的“九宮格”，將冰麵劃分為若乾區域。 根據不同項目分區域、分標準進行製冰，可同時開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等群眾性冰上運動，持續利用該冰麵滿足人們健身的多種需求。

另一個問題來瞭：製冷過程中不是産生瞭大量熱量嗎？都去哪兒瞭？

前麵也提到過，製冷過程中産生的大部分餘熱會被迴收，可用於運動員生活熱水、冰場融冰、場館除濕、空調采暖以及冰場底層防凍等工作，甚至還可供周邊居民用熱需求。

這樣一來，一年可節省電量約1.8×10^6 kW・h，相當於550噸標準煤或上海360戶傢庭一年的用電量。

（上圖來源：體育生活報；下圖來源：青島達能環保設備股份有限公司）

先進的二氧化碳跨臨界直冷製冰技術不僅在鼕奧會中大放異彩，還能應用於食品冷凍/冷藏、汽車空調、熱泵係統等更多的領域中，有望成為加速實現“雙碳”目標的前瞻性技術，為創造人類的美好未來貢獻更大的力量。

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製作：吳韶飛（上海交通大學製冷與低溫工程研究所）、

高鵬（上海理工大學製冷與低溫工程研究所）

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