科普|北京冬奥会的冰，竟用温室气体制造
北京冬奥会的脚步渐行渐近，截至目前，北京赛区15块冰面已全部完成场地建设。除首都体育馆外，其他所有竞赛场馆均在进行制冰设备调试，将于今冬全部完成制冰。
首都体育馆快人一步，已成功制出北京冬奥会首块由二氧化碳跨临界直冷制冰技术制出的冰面。二氧化碳跨临界直冷制冰技术是当前冬季运动场馆最先进的制冰技术之一，将在北京冬奥会进行大规模应用。
体育场馆的大块冰面如何制成？二氧化碳跨临界直冷制冰技术到底有多先进？相比其他制冰技术，它又有哪些优势呢？12月1日，天津大学机械工程学院教授马一太接受科技日报记者采访，对这些问题进行了解答。
“元老”制冷剂复兴，北京冬奥显身手
二氧化碳在制冷领域并非“新贵”。事实上由于其简单易得、价格低廉，早在100多年前，欧洲刚出现蒸气压缩式制冷技术时，二氧化碳就被作为制冷剂使用。
但随着人工合成制冷剂技术的发展，二氧化碳逐渐被临界温度高、易液化的人工合成制冷剂氟利昂所取代。到了20世纪七八十年代，各国开始意识到臭氧层破坏和温室效应两大环境问题与人工合成制冷剂有关，纷纷开始停止其使用。
“根据1987年国际社会签订的《蒙特利尔议定书》，我国在2010年前，已经淘汰了对臭氧层有严重破坏力的制冷剂，有代表性的是氟利昂R12；到2030年，我国还将淘汰对臭氧层有轻微破坏力的制冷剂，有代表性的是氟利昂R22。”马一太介绍说，“2016年，全世界197个国家签订的《蒙特利尔议定书基加利修正案》要求发达国家到2035年，发展中国家到2045年，逐年削减强温室效应的合成制冷剂使用，其中具有代表性的是目前大量使用的R134a、R410A和R507等，这些制冷剂虽然不破坏臭氧层，但产生的温室效应强烈，1公斤制冷剂产生的温室气体相当于数千甚至更多的二氧化碳当量（1公斤二氧化碳的二氧化碳当量是1）。”
由于人工合成制冷剂存在种种弊端，使得二氧化碳这一“元老级”制冷剂又重回人们视野。
马一太说：“二氧化碳作为大气的组成成分之一，不会对臭氧层产生破坏。二氧化碳虽是温室气体，但温室效应远低于其他人工合成制冷剂。”
正是由于二氧化碳制冷的这一环保属性，此次冬奥会北京赛区的15块冰面中将有7块采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术。这使得北京2022年冬奥会将成为历史上首次大规模使用二氧化碳制冷剂的奥运会。
制冷原理像冰箱，制作细节见真章
作为短道速滑和花样滑冰比赛场馆的首都体育馆已于11月中旬完成制冰，冰面尺寸为31米×61米。制冰过程中，多台二氧化碳压缩机同时运作，冰板层里制冷管道内低温二氧化碳与冰板混凝土进行换热，冰板混凝土温度逐步降到零下十几摄氏度，制冷团队不停地在冰板上洒水作业，冻成每层几毫米的冰面，经过很多次这样的工序，厚度几十毫米的冰面才能冻结成功。
小到家用冰箱，大到商业冷库，所有制冷活动的核心都是制冷机。制冷机主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个部分组成，其中的关键物质就是制冷剂，不同的制冷剂可以达到的最低温度也不同。
马一太向记者解释了制冷机的工作原理，首先是气态制冷剂进入压缩机，通过压缩机的压缩，制冷剂温度升高；然后，这种温度较高、压强较大的制冷剂蒸气进入冷凝器，在这里高压蒸气放热变成高压液体，热量在这一环节通过冷凝器排到外界或进行余热利用；接着高压液体通过膨胀阀的降压，变成低压蒸气加液体的混合物进入蒸发器；最后，液态制冷剂在由于压缩机的抽吸作用而保持很低压强的蒸发器中迅速蒸发变成气体，吸收热量，温度降低，此时如果周围有水就会冻结成冰。最后变成气体的制冷剂又被吸入压缩机，进入下一个循环。
“二氧化碳可以像氟利昂或氨一样作为制冷剂，它的制冷循环原理与普通制冷剂基本相同，都是蒸气压缩制冷（或热泵）循环，但是在细节上又有所不同。”马一太介绍说，通常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1.5~2.5倍供液，可以保证冰场各处的温度更均匀；压缩机多为数台，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可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。
省去制冷“二传手”，温度易控效率高
号称当前最先进制冰技术之一的二氧化碳跨临界直冷制冰技术绝非浪得虚名。除去绿色环保、易获取等属性外，二氧化碳跨临界直冷制冰技术还具有温度控制准、冰面质量优、制冰效率高等优势。
这项技术之所以能够准确地控制制冰温度，保证冰面质量，与其采用直接蒸发冷却密切相关。
以往一些体育场馆制作冰面时通常应用间接制冷，即载冷剂制冷的方式。间接制冷是指将直接蒸发冷却得到的冷量通过载冷剂传递给冰面以完成降温的过程。马一太介绍道，其优点是对冰场地下埋管的强度要求很低，只要不漏液就可以，通常可以用塑料管。耐压的部分都在制冷机装置里。这对于临时的冰场，如舞台表演或冬季冰雪嘉年华来说，是很好的选择。但对于应用于正式比赛的冰场，它最大的问题是冰面的温度不一致。因为通常作为载冷剂的物质，无论是盐水还是乙二醇水溶液，都不是在一个比较固定的温度放热，载冷剂管道一定有进出口温差。当进出口温差过大时，冰面就会出现软硬不一的情况，而要降低进出口温差，载冷剂的流量就要加大，制冷的能耗也就上升了。
“此外，在大型比赛场馆的制冰中，制冰温度需要非常准确，温差要控制在±0.5℃，相应地，制冷设备中制冷剂的蒸发温度也要控制在一个准确的温度（通常比冰面温度低5~7℃）。”马一太强调，加之在比赛中，冰场附近有运动员、教练、裁判、服务人员和数量不等的观众，冰面上还有照明和空调，同时室外的环境温度也在变化。这些因素都提升了维持冰面温度的难度。
“直接蒸发冷却是制冷剂在冰场地下管道中直接蒸发，传热系数和制冷效率都很高，并且原则上能够将温度控制在一个固定值，加之用泵供液实现倍率循环，可将温差控制在±0.5℃，冰场各处温度基本一致，这对于像周长约400米的大道速滑尤为重要。”马一太说。
同时，二氧化碳跨临界直接蒸发冰场的冷热综合利用能效比较高，制冷过程中排出的余热还可以回收，满足运动员生活热水、融冰池融冰、冰面维护浇冰等能源需求。
“北京2022年冬奥会将向全世界展示绿色奥运先进理念，同时也必将推动我国和世界的制冷技术达到更高的水平。”马一太说。（实习记者娄玉琳）