科技日報實習記者 婁玉琳
北京冬奧會的腳步漸行漸近，截至目前，北京賽區15塊冰面已全部完成場地建設。除首都體育館外，其他所有競賽場館均在進行製冰設備調試，將於今冬全部完成製冰。
首都體育館快人一步，已成功制出北京冬奧會首塊由二氧化碳跨臨界直冷製冰技術制出的冰面。二氧化碳跨臨界直冷製冰技術是當前冬季運動場館最先進的製冰技術之一，將在北京冬奧會進行大規模應用。
體育場館的大塊冰面如何製成？二氧化碳跨臨界直冷製冰技術到底有多先進？相比其他製冰技術，它又有哪些優勢呢？12月1日，天津大學機械工程學院教授馬一太接受科技日報記者採訪，對這些問題進行了解答。
「元老」製冷劑復興，北京冬奧顯身手
二氧化碳在製冷領域並非「新貴」。事實上由於其簡單易得、價格低廉，早在100多年前，歐洲剛出現蒸氣壓縮式製冷技術時，二氧化碳就被作為製冷劑使用。
但隨著人工合成製冷劑技術的發展，二氧化碳逐漸被臨界溫度高、易液化的人工合成製冷劑氟利昂所取代。到了上世紀七八十年代，各國開始意識到臭氧層破壞和溫室效應兩大環境問題與人工合成製冷劑有關，紛紛開始停止其使用。
「根據1987年國際社會籤訂的《蒙特婁議定書》，我國在2010年前，已經淘汰了對臭氧層有嚴重破壞力的製冷劑，有代表性的是氟利昂R12；到2030年，我國還將淘汰對臭氧層有輕微破壞力的製冷劑，有代表性的是氟利昂R22。」馬一太介紹說，「2016年，全世界197個國家籤訂的《蒙特婁議定書基加利修正案》要求發達國家到2035年，發展中國家到2045年，逐年削減強溫室效應的合成製冷劑使用，其中具有代表性的是目前大量使用的R134a、R410A和R507等，這些製冷劑雖然不破壞臭氧層，但產生的溫室效應強烈，1公斤製冷劑產生的溫室氣體相當於數千甚至更多的二氧化碳當量（1公斤二氧化碳的二氧化碳當量是1）。」
由於人工合成製冷劑存在種種弊端，使得二氧化碳這一「元老級」製冷劑又重回人們視野。
馬一太說：「二氧化碳作為大氣的組成成分之一，不會對臭氧層產生破壞。二氧化碳雖是溫室氣體，但溫室效應遠低於其他人工合成製冷劑。」
正是由於二氧化碳製冷的這一環保屬性，此次冬奧會北京賽區的15塊冰面中將有7塊採用二氧化碳跨臨界直冷製冰技術。這使得北京2022年冬奧會將成為歷史上首次大規模使用二氧化碳製冷劑的奧運會。
製冷原理像冰箱，製作細節見真章
作為短道速滑和花樣滑冰比賽場館的首都體育館已於11月中旬完成製冰，冰面尺寸為31米×61米。製冰過程中，多臺二氧化碳壓縮機同時運作，冰板層裡製冷管道內低溫二氧化碳與冰板混凝土進行換熱，冰板混凝土溫度逐步降到零下十幾攝氏度，製冷團隊不停地在冰板上灑水作業，凍成每層幾毫米的冰面，經過很多次這樣的工序，厚度幾十毫米的冰面才能凍結成功。
小到家用冰箱，大到商業冷庫，所有製冷活動的核心都是制冷機。制冷機主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器4個部分組成，其中的關鍵物質就是製冷劑，不同的製冷劑可以達到的最低溫度也不同。
馬一太向記者解釋了制冷機的工作原理，首先是氣態製冷劑進入壓縮機，通過壓縮機的壓縮，製冷劑溫度升高；然後，這種溫度較高、壓強較大的製冷劑蒸氣進入冷凝器，在這裡高壓蒸氣放熱變成高壓液體，熱量在這一環節通過冷凝器排到外界或進行餘熱利用；接著高壓液體通過膨脹閥的降壓，變成低壓蒸氣加液體的混合物進入蒸發器；最後，液態製冷劑在由於壓縮機的抽吸作用而保持很低壓強的蒸發器中迅速蒸發變成氣體，吸收熱量，溫度降低，此時如果周圍有水就會凍結成冰。最後變成氣體的製冷劑又被吸入壓縮機，進入下一個循環。
「二氧化碳可以像氟利昂或氨一樣作為製冷劑，它的製冷循環原理與普通製冷劑基本相同，都是蒸氣壓縮製冷（或熱泵）循環，但是在細節上又有所不同。」馬一太介紹說，通常二氧化碳液體罐中儲存有較多的液體二氧化碳，通過二氧化碳泵，以製冷需求量的1.5—2.5倍供液，可以保證冰場各處的溫度更均勻；壓縮機多為數臺，實際應用時可根據製冷量的變化控制開啟臺數；由電腦控制的電子膨脹閥可根據製冷量大小以及環境溫度變化精確地控制二氧化碳蒸發溫度。
省去製冷「二傳手」，溫度易控效率高
號稱當前最先進位冰技術之一的二氧化碳跨臨界直冷製冰技術絕非浪得虛名。除去綠色環保、易獲取等屬性外，二氧化碳跨臨界直冷製冰技術還具有溫度控制準、冰面質量優、製冰效率高等優勢。
這項技術之所以能夠準確地控制製冰溫度，保證冰面質量，與其採用直接蒸發冷卻密切相關。
以往一些體育場館製作冰面時通常應用間接製冷，即載冷劑製冷的方式。間接製冷是指將直接蒸發冷卻得到的冷量通過載冷劑傳遞給冰面以完成降溫的過程。馬一太介紹到，其優點是對冰場地下埋管的強度要求很低，只要不漏液就可以，通常可以用塑料管。耐壓的部分都在制冷機裝置裡。這對於臨時的冰場，如舞臺表演或冬季冰雪嘉年華來說，是很好的選擇。但對於應用於正式比賽的冰場，它最大的問題是冰面的溫度不一致。因為通常作為載冷劑的物質，無論是鹽水還是乙二醇水溶液，都不是在一個比較固定的溫度放熱，載冷劑管道一定有進出口溫差。當進出口溫差過大時，冰面就會出現軟硬不一的情況，而要降低進出口溫差，載冷劑的流量就要加大，製冷的能耗也就上升了。
「此外，在大型比賽場館的製冰中，製冰溫度需要非常準確，溫差要控制在±0.5℃，相應的，製冷設備中製冷劑的蒸發溫度也要控制在一個準確的溫度（通常比冰面溫度低5℃—7℃）。」馬一太強調，加之在比賽中，冰場附近有運動員、教練、裁判、服務人員和數量不等的觀眾，冰面上還有照明和空調，同時室外的環境溫度也在變化。這些因素都提升了維持冰面溫度的難度。
「直接蒸發冷卻是製冷劑在冰場地下管道中直接蒸發，傳熱係數和製冷效率都很高，並且原則上能夠將溫度控制在一個固定值，加之用泵供液實現倍率循環，可將溫差控制在±0.5℃，冰場各處溫度基本一致，這對於像周長約400米的大道速滑尤為重要。」馬一太說。
同時，二氧化碳跨臨界直接蒸發冰場的冷熱綜合利用能效比較高，製冷過程中排出的餘熱還可以回收，滿足運動員生活熱水、融冰池融冰、冰面維護澆冰等能源需求。
「北京2022年冬奧會將向全世界展示綠色奧運先進理念，同時也必將推動我國和世界的製冷技術達到更高的水平。」馬一太說。
編輯：張爽
審核：王小龍