冰——二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)

為了給參賽運(yùn)動(dòng)員良好的冰面體驗(yàn)，幫助他們發(fā)揮出最佳的競(jìng)技水平，天津大學(xué)馬一太、田華教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)支持下，通過(guò)校企合作，研發(fā)了國(guó)際先進(jìn)的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，為各國(guó)運(yùn)動(dòng)員支撐建造了“最美、最快的冰面”。而在2022年冬奧會(huì)的5個(gè)冰上運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館中，有4個(gè)場(chǎng)館使用了這種可持續(xù)的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，分別是中國(guó)國(guó)家速滑館、首都體育館、首體短道速滑訓(xùn)練館和五棵松冰球訓(xùn)練館。

其中，專門為冬奧會(huì)興建的中國(guó)國(guó)家速滑館“冰絲帶”，承辦冰壺、冰球以及大道速滑項(xiàng)目的比賽，而改造后的首都體育館則承辦花樣滑冰和短道速滑。對(duì)于這兩個(gè)項(xiàng)目而言，優(yōu)質(zhì)的冰面有助于運(yùn)動(dòng)員取得更好成績(jī)，而獲得優(yōu)質(zhì)冰面除了需要制冰師具備高超技藝外，還有制冰系統(tǒng)所決定的冰面溫差均勻性和軟硬度均勻性，這是關(guān)鍵性基礎(chǔ)。

因此，制冰機(jī)成為人工冰場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵核心。從歷屆冬奧會(huì)冰場(chǎng)制冰機(jī)來(lái)看，主要是采用氟利昂等人工合成制冷劑技術(shù)或者氨制冷技術(shù)，但前者具有嚴(yán)重的溫室效應(yīng)問(wèn)題，后者則具有安全隱患。以二氧化碳為制冷劑、冰面下直接蒸發(fā)的制冰機(jī)技術(shù)在國(guó)際上一貫被認(rèn)為是一種綠色低碳、高效節(jié)能的方案，但該技術(shù)一直掌握在美歐等國(guó)家和地區(qū)企業(yè)手中。此次以綠色冬奧、科技冬奧為契機(jī)，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，歐悅冰雪投資管理（北京）有限公司、天津大學(xué)和艾斯特制冷與太陽(yáng)能技術(shù)（北京）有限公司等8家單位聯(lián)合研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二氧化碳跨臨界直冷制冰機(jī)組，首次亮相冬奧。

該方案從二氧化碳制冰系統(tǒng)壓縮、冷卻、節(jié)流和蒸發(fā)4個(gè)過(guò)程進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)：針對(duì)壓縮過(guò)程采用雙級(jí)壓縮讓源頭耗能實(shí)現(xiàn)“事半功倍”;針對(duì)冷卻過(guò)程設(shè)計(jì)全顯熱回收對(duì)冷卻熱量進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)冰場(chǎng)澆冰、融雪等不同溫度熱水需求;針對(duì)蒸發(fā)過(guò)程采用在冰面下直接蒸發(fā)吸熱為冰場(chǎng)提供穩(wěn)定的冷量供應(yīng)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)冰下蒸發(fā)盤管和土建保障冰面溫度均勻。值得一提的是，該方案制冰機(jī)從關(guān)鍵部件到整機(jī)集成，均實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、加工、組裝和運(yùn)行，尤其是水冷式氣冷器是國(guó)際上首次應(yīng)用，有效解決了首都體育館冷卻回路長(zhǎng)的工程問(wèn)題。

此外，花樣滑冰和短道速滑兩個(gè)項(xiàng)目對(duì)冰面的冰層厚度和冰面溫度有不同的嚴(yán)格要求，需要根據(jù)賽程不斷進(jìn)行兩塊冰的快速轉(zhuǎn)換。項(xiàng)目組也充分利用了二氧化碳制冰溫度均勻的特點(diǎn)，結(jié)合精準(zhǔn)控制系統(tǒng)和線性降溫策略，實(shí)現(xiàn)2小時(shí)內(nèi)的快速、高效冰面轉(zhuǎn)換，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于國(guó)際奧委會(huì)3小時(shí)冰面轉(zhuǎn)換的要求。

雪——我國(guó)自主研發(fā)的人工降雪技術(shù)

滑雪競(jìng)技項(xiàng)目使用的賽道幾乎全部需要依靠人工造雪技術(shù)。因?yàn)槿斯ぴ煅r(shí)間可控，只要溫度低于0℃，造雪機(jī)就可以工作，擺脫了靠天吃飯的風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，人工造雪可實(shí)現(xiàn)粒徑、含水量、硬度的改變，滿足不同比賽場(chǎng)地需求，適合大多數(shù)雪上比賽項(xiàng)目。而就在短短5年之前，中國(guó)還造不出一條合格的“冰狀雪”賽道。

2016年之前，我國(guó)人工造雪技術(shù)既不先進(jìn)，也不成熟，并被美、日、英等國(guó)家牢牢封鎖，甚至當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的很多專家都沒聽說(shuō)過(guò)“冰狀雪”這個(gè)概念。

事實(shí)上，“冰狀雪”指的是滑雪場(chǎng)雪質(zhì)的一種形態(tài)，雪的密度很大，可達(dá)0.65g/cm3，主要用于減小賽道表面對(duì)于滑雪板的摩擦力?？梢哉f(shuō)，“冰狀雪”賽道就是高山滑雪項(xiàng)目的“塑膠跑道”。

然而事實(shí)上，人工造出“冰狀雪”的原理并不算復(fù)雜，一般是先將冷水結(jié)冰，再將冰切碎與空氣混合后噴出。具體方法是把壓縮后的空氣和低于5℃的冷水混合后一同壓入-25℃的蒸發(fā)器，冷水遇冷結(jié)冰，接著切削機(jī)將已成為特定形狀的冰塊切碎，隨著高速襲來(lái)的空氣噴出，這些細(xì)密的霧顆粒遇到戶外冷空氣迅速凝結(jié)成小冰晶，即常見的雪花。

既然如此，為何我國(guó)卻久久不能攻克滿足比賽條件的造雪技術(shù)呢？它的難點(diǎn)到底在哪里？

有效控制雪花大小，就是造雪技術(shù)的最大難點(diǎn)。如果造雪機(jī)噴出的雪花過(guò)大，極短時(shí)間內(nèi)雪花就會(huì)飄落到地面上，遇冷后甚至形成一層厚雪，等參賽選手一個(gè)個(gè)滑過(guò)后地面立即變得污濁不堪;如果噴出的雪花過(guò)于細(xì)小，就會(huì)比自然雪花松軟許多，選手滑過(guò)后就可能陷入其中，甚至造成人員傷害。這就要求造雪機(jī)噴出的細(xì)霧顆粒既不能太大，也不能太小，需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)。攻克人工造雪這一技術(shù)難題的是秦大河院士和王飛騰研究員及其團(tuán)隊(duì)。他們經(jīng)過(guò)充分研究、反復(fù)實(shí)驗(yàn)成功研制出了處于世界領(lǐng)先水平的造雪機(jī)。

傳統(tǒng)的造雪機(jī)是把凍冰切成長(zhǎng)5mm、厚1～1.5mm的片狀冰，然后用空氣噴出。而我國(guó)的新型造雪機(jī)是利用高壓空氣先將水流擊打成細(xì)密的霧狀顆粒，并噴出。霧狀顆粒遇到戶外低溫冷空氣凝結(jié)成雪花。新型造雪機(jī)可生成9種不同類型的雪花，尺寸最小為0.3mm，最大為10mm，其中0.3mm的雪可鋪成自然狀態(tài)下的雪道。

（責(zé)編：關(guān)弋）