况杰：从北京冬奥会“最快、最环保的冰”感受科技力量
助力我国2030碳达峰、2060碳中和目标的实现。
全世界的世界先进技术。或许大部分观众并未留意这项“黑科技”，但它却充满了“中国智慧”。北京2022年冬季奥运会冰上场馆大规模使用二氧化碳跨临界直冷制冰系统。在北京冬奥会北京赛区的15块冰面中，有7块冰面是通过二氧化碳跨临界直冷制冰技术获得的。北京冬奥会也是节能环保的二氧化碳制冷剂在冬奥会赛场首次大规模应用。二氧化碳跨临界直冷，名字听上去有点拗口，但很酷炫，其实简单说起来是一个热交换原理，同时制冷剂的材质从传统的氟利昂变成了更加清洁环保的二氧化碳。听起来好像很简单，其实并不简单，因为制冷剂的改变意味着需要一整套新的技术和系统来实现。所谓制冷，或者说人工制冷，是指通过一套系统，消耗一定的能量，使得某个物体或空间的温度低于周围环境温度，也就是说，把物体或空间内部的热量释放到周围环境空间里去。1844年，美国有一位医生发明了压缩空气制冷的小型制冷机，这样的制冷机造出一些冰块是可以的，但无法提供滑冰场这样大范围的制冷。直到1876年，世界上第一座人工冰场才在英国诞生。符合国际比赛标准的冰场，对制冰系统的要求很高，远比仅仅是起到降温作用的空调、冷柜这样的制冷系统要复杂得多。二氧化碳其实是一种古老的制冷剂，早在1884年，一项二氧化碳制冰技术就获得了当时的英国专利，并且几乎垄断了20世纪前半叶的制冷技术。只是那时跨临界技术还没有产生，二氧化碳制冷采用的是亚临界循环，制冷效率比较低。到20世纪40年代，效率更高的人工合成制冷剂（氟利昂）出现，二氧化碳制冷剂逐渐退出了历史舞台。而近几十年来，随着对地球环境认识的深入，人们发现氟利昂制冷剂对臭氧层的破坏危害极大，联合国主导的《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》于1989年1月1日起生效后，人们开始寻找更加环保高效的制冷剂，古老的二氧化碳制冷剂重新又进入了人们的视野。2021年4月，中国国家主席习近平宣布中国决定接受《〈蒙特利尔议定书〉基加利修正案》，加强氢氟烃类（HFCs）等非二氧化碳温室气体管控。按照时间表，包括我国在内的第一组发展中国家应在2024年起将受控用途的氢氟烃类的生产和使用冻结在基线水平，并于2040年起控制在不超过基线的50%。2022年的北京冬奥会，使用新型的二氧化碳跨临界直冷技术，是中国以实际行动履行承诺的一个重要标志。相比于高ODP（破坏臭氧层潜能值）、高GWP（全球变暖潜能值）的氯氟烃类人工合成制冷剂，二氧化碳具有零ODP，和最低的GWP，环境友好性甚至比同样是零ODP的第四代制冷剂氢氟烯烃（HFOs）更优。二氧化碳作为制冷剂的优点很多。二氧化碳常温即为气体，沸点较低，单位容积制冷能力较强，压缩机可以做得更小。同时，二氧化碳的热交换特性良好，能够减少设备的换热面积，使系统更加紧凑。另外，二氧化碳无毒、不可燃、不易爆，可与各种润滑油配合使用，对结构材料无腐蚀作用。同时，二氧化碳制冷还是循环经济的体现。制冷系统产生的余热经过高效回收，可以得到70摄氏度的热水，可以用于一般生活用水、冰面维护等。有研究表明，二氧化碳制冷与传统人工合成制冷剂相比，能效可以提高20%。我们知道，气液两相平衡共存的极限热力学状态称为临界。二氧化碳的临界温度是31.1摄氏度，临界压力7.38兆帕。在跨临界制冷系统中，二氧化碳在冷却器中是超临界状态，定压放热，在蒸发器中的压力小于临界压力，与周围环 境换热，吸收热量从而制冷。因此，采用跨临界技术，对设备和系统的要求也非常高。由于二氧化碳压力较高，高压侧可能达到10兆帕以上，是传统工质制冷剂的数倍之多，对系统管路的承压能力是一个考验，需要采用更好的材质，更高的工艺制造系统部件。同时二氧化碳系统对水的要求也较高，国际上推荐二氧化碳的纯度为99.9%以上干燥度，水含量小于0.1%。对运行和维护的挑战性很大。北京冬奥会采用的是二氧化碳跨临界直冷技术。直冷是直接蒸发直冷的简称。直冷式是指不需要载冷剂，制冷剂直接在水平蒸发管内流动并沸腾吸热，冰场温度均匀，换热效率高，但要求蒸发管承压，对管道焊接工艺要求很高，工质充注量大，通过工质循环泵加大工质的循环量，特别要解决好制冷系统的回油等问题。以往的多届冬奥会，采用的都是氨与氟利昂的制冷剂，而且采用的多是间接制冷技术。间接制冷需要用乙二醇或者盐水作为载冷剂，载冷剂通常不在固定温度放热，冰面温差一般会有1.5度到2度，会导致冰面软硬不一，影响运动员的临场发挥。而本届北京冬奥会采用的二氧化碳直冷系统，制冷剂是在地下预埋的盘管中进行热交换，温差可以控制在正负0.5度之间，非常稳定，冰面效果更好，有利于运动员取得好成绩。国家速滑馆“冰丝带”拥有亚洲最大的1.2万平方米的冰面。事实上，采用二氧化碳跨临界直冷制冰，是一个复杂的过程。二氧化碳制冷循环原理与传统制冷剂基本相同，但是在制冰工艺上有所不同。二氧化碳液体罐中储存有较多的液体二氧化碳，通过二氧化碳泵，以制冷需求量的1.5倍至2.5倍供液，才可以保证冰场各处的温度更均匀。同时，采用多台压缩机工作，实际应用时可根据制冷量的变化控制开启台数，由电脑控制的电子膨胀阀根据制冷量大小以及环境温度变化精确地控制二氧化碳蒸发温度，从而精确控制冰面温度。二氧化碳跨临界制冷技术在北京冬奥会的成功实施，必将加速推动这项环境友好的制冷技术在其他领域的应用，助力我国2030碳达峰、2060碳中和目标的实现。
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