北京冬奧會(huì)開幕進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，各大場館相繼完成制冰造雪。這是我國首次舉辦冬奧會(huì)，符合奧運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的制冰造雪并無經(jīng)驗(yàn)和案例可供借鑒。作為冬奧場館的“血液”，冰雪從哪里來，能否滿足冬奧會(huì)比賽要求？

作為我國提出“雙碳”目標(biāo)之后舉辦的重大標(biāo)志性活動(dòng)，北京冬奧會(huì)將“綠色辦奧”理念落實(shí)到籌辦全過程，向世界展現(xiàn)了大國責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。如何研發(fā)出綠色低碳的制冰造雪系統(tǒng)，制出高效的國產(chǎn)冰雪，這項(xiàng)重任落在了制冷“國家隊(duì)”——中糧工科北京事業(yè)部肩上。

中糧工科北京事業(yè)部（華商國際工程有限公司），其前身商業(yè)部設(shè)計(jì)院是我國工商業(yè)制冷技術(shù)領(lǐng)先的設(shè)計(jì)單位。為備戰(zhàn)北京冬奧會(huì)，中糧工科北京事業(yè)部專門組建了冰雪團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了以國家速滑館、國家雪車雪橇中心、國家高山滑雪中心為代表的5大冬奧核心場館制冰造雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

“為落實(shí)‘綠色辦奧’理念，我們設(shè)計(jì)冬奧場館制冷系統(tǒng)時(shí)，除考慮制冷劑要綠色環(huán)保外，還需要考慮制冷系統(tǒng)長期運(yùn)行的低能耗要求，也就是要兼顧環(huán)境友好、低碳節(jié)能和穩(wěn)定可靠�！敝屑Z工科冰雪團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人、冬奧項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人王斌說，目前中糧工科負(fù)責(zé)的場館制冰造雪已通過實(shí)測檢驗(yàn)交付使用，為冬奧冰雪貢獻(xiàn)了綠色低碳高效的“中國方案”。

應(yīng)用天然制冷劑打造綠色制冰技術(shù)

與依靠自然制冷的室外冰場不同，冬奧會(huì)所有冰上項(xiàng)目均在室內(nèi)舉行。室內(nèi)冰場采用人工制冰方式，可嚴(yán)格控制冰面溫度和濕度，為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造公平的比賽環(huán)境和挑戰(zhàn)極限的基礎(chǔ)。

國家速滑館制冰。 中糧工科北京事業(yè)部供圖

國家速滑館是北京冬奧會(huì)主場館，承辦速度滑冰比賽。王斌說，舉辦國際頂級冬季賽事，冰面上若出現(xiàn)一絲一毫的瑕疵都可能影響運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮。每一寸冰面都要光潔平整，溫度均衡，隱藏在冰面下的制冰系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。

2017年，中糧工科冰雪團(tuán)隊(duì)開始參與國家速滑館制冰系統(tǒng)前期技術(shù)交流和后期設(shè)計(jì)。制冰系統(tǒng)原理類似于家庭“地?zé)岵膳�”，冰面下安置若干制冷管道，通過制冷劑在其中流動(dòng)換熱使冰面降溫。制冷劑在制冰中扮演重要角色，采用何種制冷劑、以哪種系統(tǒng)制冰，成為國家速滑館綠色建造的關(guān)鍵。

最初討論國家速滑館制冰方案時(shí)，之前幾屆冬奧會(huì)場館所普遍采用的氟利昂制冷+乙二醇載冷的常規(guī)制冰技術(shù)方案呼聲很高�！斑@個(gè)方案無論從技術(shù)成熟性還是實(shí)施難度方面，都沒有問題。但瑕疵是采用氟利昂制冷劑，其全球變暖潛值較大，環(huán)保性欠佳，并且載冷劑制冷二次換熱所帶來的能耗也較大，這些瑕疵也讓該方案并未達(dá)到完美。”王斌說。

在“綠色辦奧”理念指引下，國家速滑館制冷劑的確定歷時(shí)18個(gè)月，經(jīng)歷數(shù)十輪技術(shù)交流和論證，業(yè)主、專家及設(shè)計(jì)方最終選擇了不同于以往冬奧會(huì)的方案，采用了一條環(huán)保性最佳，且能效得到大幅提升的技術(shù)路線，也就是二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)。

在選擇過程中首先是選用環(huán)境友好的天然制冷工質(zhì)，也就是純天然制冷劑。在近200年制冷工業(yè)發(fā)展中，選用制冷劑總要面對制冷效率、安全、環(huán)保之間的矛盾。王斌介紹，在目前工商業(yè)制冷中，應(yīng)用最廣泛的純天然制冷劑，一個(gè)是氨，另一個(gè)就是二氧化碳。

王斌說，二氧化碳在自然界中本來就大量存在，便宜易得，而且二氧化碳作為制冷劑其臭氧消耗潛值為零，全球變暖潛值為1，避免了目前普遍應(yīng)用的高全球變暖潛值的氟利昂類制冷劑所帶來的溫室效應(yīng)。采用自然工質(zhì)二氧化碳作為國家速滑館的制冷劑，提升了冬奧場館綠色品質(zhì)，助力“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)中，除了考慮制冷劑要綠色環(huán)保外，還需要考慮制冷系統(tǒng)長期運(yùn)行低能耗要求，打造低碳節(jié)能場館�！岸�氧化碳制冷系統(tǒng)制冷會(huì)帶走冰層下的熱量，實(shí)現(xiàn)冰場迅速降溫，這部分余熱在常規(guī)系統(tǒng)中一般直接排到室外環(huán)境中，如果我們能加以利用，會(huì)大大提高整個(gè)制冷系統(tǒng)能效�！蓖醣笳f，國家速滑館制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用冷熱聯(lián)供一體化技術(shù)，將二氧化碳制冷所產(chǎn)生的高品質(zhì)熱能儲(chǔ)存于水箱里，用于冰面維護(hù)澆冰、場館生活熱水等，這一舉措大大降低了場館運(yùn)營能耗。

除低碳環(huán)保外，工程師更要考量制冰的質(zhì)量。冰面溫度高低和均勻度會(huì)直接直接影響冰面質(zhì)量，冰面溫差大會(huì)造成冰面軟硬不均。而采用二氧化碳直冷制冰技術(shù)，可最大程度減小冰面溫差，保證冰溫均勻，提高冰面質(zhì)量。

國家速滑館敲定二氧化碳制冷劑，并采用跨臨界二氧化碳直冷制冰技術(shù)，這被認(rèn)為是最環(huán)保和先進(jìn)的制冰技術(shù)之一。二氧化碳直冷制冰系統(tǒng)避免傳統(tǒng)載冷劑制冰系統(tǒng)的二次換熱，跟傳統(tǒng)技術(shù)相比，其綜合能耗降低30%以上，場館一年可節(jié)省電量約200萬度。

由于技術(shù)要求高、控制難度大等難題，在世界范圍內(nèi)，近些年在相對較小的1800平方米標(biāo)準(zhǔn)冰場有使用二氧化碳跨臨界制冰的案例。而在1.2萬平方米的超大冰面上應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，而且是在冬奧項(xiàng)目上，世界上未有先例。在中糧工科冰雪團(tuán)隊(duì)不懈努力下，國家速滑館冰面溫差最終控制在0.5攝氏度以內(nèi)，低于北京冬奧組委要求的1.5攝氏度，讓場館具備成為最快冰的硬件條件。

“二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)在國家速滑館創(chuàng)新應(yīng)用，其更大意義是產(chǎn)生了推動(dòng)冰雪產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展的示范效應(yīng)�！蓖醣笳f，很多其他冬奧場館也借鑒國家速滑館經(jīng)驗(yàn)采用二氧化碳制冰系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京賽區(qū)新建、改建總計(jì)有9塊冰面，其中5塊采用了綠色低碳的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，踐行了“綠色辦奧”理念。

創(chuàng)新研發(fā)冷熱聯(lián)供技術(shù)回收廢熱

雪車雪橇比賽被譽(yù)為冬奧會(huì)“冰上F1”，滑行最高時(shí)速超過130公里。位于延慶賽區(qū)的國家雪車雪橇中心賽道全長近兩公里，最大坡度18度，整個(gè)賽道高差達(dá)121米。主賽道包含16個(gè)彎道，是亞洲唯一一條具備360度回旋彎的賽道。整條主賽道由54條形狀各異的賽道段構(gòu)成，冰面全面積達(dá)1萬多平方米。

雪車雪橇賽道設(shè)計(jì)在冬奧會(huì)項(xiàng)目中單項(xiàng)難度最高，賽道形狀及速度曲線和賽道制冷制冰系統(tǒng)給設(shè)計(jì)帶來極大挑戰(zhàn)。國家雪車雪橇中心賽道冰面潔白光亮，其制冰原理是通過制冷系統(tǒng)對賽道表面進(jìn)行制冷換熱將水變成冰。但與室內(nèi)冰場不同，雪車雪橇賽道高差大、距離長、各段賽道形狀不同，對制冷穩(wěn)定性提出考驗(yàn)。

中糧工科冰雪團(tuán)隊(duì)從綠色、節(jié)能、穩(wěn)定性等多方面考量，選取氨作為國家雪車雪橇中心制冰系統(tǒng)制冷劑。王斌說，氨是天然制冷工質(zhì)，具有綠色、高效等優(yōu)勢。和國家速滑館一樣，國家雪車雪橇中心也采取直接蒸發(fā)制冷技術(shù)，最大程度減少二次換熱帶來的能量損失。由于賽道設(shè)置于室外，賽道制冷負(fù)荷受室外環(huán)境溫濕度影響大，考慮系統(tǒng)節(jié)能性和穩(wěn)定性，雪車雪橇中心制冷系統(tǒng)內(nèi)的制冷設(shè)備多采用變頻技術(shù)，可確保在部分制冷負(fù)荷情況下保障制冷系統(tǒng)高效運(yùn)行。制冷系統(tǒng)還應(yīng)用了多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，如氨熱泵系統(tǒng)，板殼式高效換熱技術(shù)，高自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)等。

在國家雪車雪橇中心項(xiàng)目，中糧工科冰雪團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用冷熱聯(lián)供技術(shù)，在制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了一套氨高效熱泵機(jī)組，將制冰產(chǎn)生的制冷廢熱回收和能級提升，用于場館冬季采暖，補(bǔ)充場館對熱能的需求。這是氨熱泵系統(tǒng)首次在冬奧雪車雪橇項(xiàng)目使用，相比單一的電制熱，冷熱聯(lián)供技術(shù)極大節(jié)省了制熱系統(tǒng)側(cè)所需能源。

技術(shù)人員監(jiān)測國家雪車雪橇中心賽道狀況。 中糧工科北京事業(yè)部供圖

考慮到室外20攝氏度環(huán)境下制冷制冰負(fù)荷，每條賽道段設(shè)置溫度遠(yuǎn)程傳感設(shè)備，可實(shí)時(shí)監(jiān)測賽道混凝土溫度，王斌說：“我們在2021年夏季室外溫度超過25攝氏度時(shí)，進(jìn)行了全賽道結(jié)霜及滿負(fù)荷運(yùn)行測試試驗(yàn)，確保這套制冷制冰系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行�！�

賽道表面溫度均衡性是保障高質(zhì)量制冰的前提，賽時(shí)，中糧工科團(tuán)隊(duì)技術(shù)人員將全天候保障制冷系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測賽道溫度，確保賽道穩(wěn)定運(yùn)行。

造雪水源優(yōu)先利用天然降水

高山滑雪被譽(yù)為“冬奧會(huì)皇冠上的明珠”，位于延慶賽區(qū)的國家高山滑雪中心最高海拔達(dá)2198米，共設(shè)7條雪道，最長賽道長度約3千米，垂直落差約900米，是國內(nèi)最高等級的高山滑雪賽道，也是國內(nèi)唯一符合冬奧會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的賽道。

之前國內(nèi)并無冬奧會(huì)高山滑雪項(xiàng)目設(shè)計(jì)及建造經(jīng)驗(yàn)，而且國家高山滑雪中心雪道坡度大，落差大，加上部分區(qū)域作業(yè)面極窄、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，建設(shè)難度相當(dāng)高。中糧工科冰雪團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始成員、國家高山滑雪中心造雪系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人孫天慧說：“造雪需充分考慮場地高差、溫度、濕度、用水等多方面因素，在滿足國際雪聯(lián)對賽道要求前提下，造雪機(jī)房選址、造雪設(shè)備及管線布置等均充分考慮了生態(tài)保護(hù)因素，盡最大努力減少對生態(tài)的影響。”

國家高山滑雪中心造雪面積達(dá)80萬平方米，如何用水造出120萬立方米的雪？孫天慧說，為確保造雪安全、經(jīng)濟(jì)、高效，國家高山滑雪中心采用世界上最先進(jìn)的造雪系統(tǒng)，優(yōu)先利用收集儲(chǔ)存的天然降水、地表徑流等作為水源。造雪用水主要來自延慶佛峪口水庫，通過地下綜合管廊，將造雪用水輸送至賽區(qū)內(nèi)的蓄水池蓄存，再由三級泵站將水注入雪道造雪系統(tǒng)。

國家高山滑雪中心還建設(shè)了完善的融雪水、雨水回收利用系統(tǒng)，雪融化后通過排水渠收集匯流，再流入佛峪口水庫下游，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用；并在局部區(qū)域設(shè)置防風(fēng)柵欄，提高造雪用水利用率和造雪效率，最大程度節(jié)約水資源。

完成造雪的國家高山滑雪中心。 中糧工科北京事業(yè)部供圖

據(jù)氣象部門預(yù)報(bào)今年冬天延慶賽區(qū)海陀山山頂溫度最低將達(dá)到零下40多攝氏度，大風(fēng)最高有12級，且雪道最大坡度達(dá)68度，如何實(shí)現(xiàn)保質(zhì)保量造雪？孫天慧介紹，國家高山滑雪中心采用智能化造雪系統(tǒng)，170臺(tái)造雪機(jī)和30臺(tái)雪槍根據(jù)不同需求，排布于雪道上風(fēng)口。位于控制中心的智能系統(tǒng)就像“大腦”一樣遠(yuǎn)程控制，精準(zhǔn)“掌控”每臺(tái)造雪機(jī)的造雪高度、方向等，以適應(yīng)氣候條件變化。

人工造雪過程與自然降雪原理相似，造雪供水系統(tǒng)提供壓力約2MPa左右的高壓水給造雪設(shè)備，水經(jīng)造雪機(jī)噴嘴霧化，造雪機(jī)核子器內(nèi)噴出的壓縮空氣與霧化水凝華為雪核，當(dāng)外界溫度達(dá)到成雪條件時(shí)，雪核與噴出的水霧在空氣中結(jié)合，形成雪花，依靠造雪機(jī)提供的動(dòng)力飄落在雪道上，壓雪車將松軟的雪壓實(shí)，造出總面積80多萬平方米的比賽用雪。

競賽雪道為冰狀雪，類似于冰面，需要先向雪道澆水，之后迅速將賽道壓平，再由人工反復(fù)對雪道進(jìn)行修整、塑形，直至達(dá)到光滑狀態(tài)，確保運(yùn)動(dòng)員高速轉(zhuǎn)彎時(shí)雪道表面平整光滑，確保選手不論第幾個(gè)出場，雪道均處于相對完美的狀態(tài)。

冬奧會(huì)比賽期間，冰雪保障團(tuán)隊(duì)將進(jìn)駐國家速滑館、國家雪車雪橇中心等冬奧場館，為賽時(shí)冰面調(diào)整提供技術(shù)保障。王斌說，中糧工科保障團(tuán)隊(duì)將全力做好冬奧會(huì)技術(shù)保障，期待各國運(yùn)動(dòng)員能在綠色低碳、穩(wěn)定可靠的冰面和雪上發(fā)揮出最高競技水平。

“綠色成為北京冬奧會(huì)最亮麗的底色，描繪出我國生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的美麗畫卷。我們相信冬奧會(huì)像夏奧會(huì)一樣，為世界奉獻(xiàn)一屆精彩難忘的奧運(yùn)盛會(huì)�！蓖醣笳f。

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