在各項高科技的加持下，冬奧會賽場上多項紀錄被打破。國家速滑館“冰絲帶”的冰，更被網友稱為“破紀錄的冰”。“冰絲帶”是亞洲建筑規模最大的速滑館，有目前亞洲最大的冰面。值得關注的是，它的冰面采用二氧化碳直冷制冰，這也是全球首個采用二氧化碳跨臨界直接蒸發制冷的冬奧速滑場館。我們對于二氧化碳并不陌生，它有一個突出的物理特征：在加壓和冷卻的條件下可以變成液體，繼續降低溫度則會變成雪花狀，再經過壓縮處理極易形成干冰。壓力降低后，干冰會迅速蒸發或升華，這個過程會帶走大量的熱，從而使環境溫度降低，這便是二氧化碳制冷的原理。大量排放二氧化碳造成的溫室效應，給地球帶來諸多不良影響。如果將大氣中的二氧化碳作為一種安全、經濟和環保的“自然”制冷劑實現高效制冷，可謂是一舉兩得：既能有效利用排放的二氧化碳去緩解溫室效應，又能顯著提升人工制冷的性能。二氧化碳制冷原理看著簡單，但操作過程很難。具體而言，二氧化碳跨臨界直冷制冰的整個過程需要壓縮機、氣體冷卻器、膨脹閥、蒸發器、管路、閥門等。首先，通過壓縮機來提升二氧化碳的壓力至超臨界狀態。接著，壓縮機排出高溫高壓的二氧化碳流過氣體冷卻器來冷卻其溫度，放出的熱量用于余熱回收。然后，二氧化碳制冷劑流過膨脹閥，在此過程中其壓力迅速降低。最后再通過蒸發器內二氧化碳的迅速蒸發，吸收周圍環境熱量，從而實現制冷或者制冰的效果。在室內冰場制冷劑的選擇上，二氧化碳并不是首選，早期人們曾大量采用氨或氟利昂作為制冷劑。但考慮到合成制冷劑對臭氧層有破壞且溫室效應顯著，如今已經被淘汰不再應用，而氨工質（工質指用來實現熱能和機械能相互轉換的媒介物質）應用于室內冰場具有一定的危險性。與之相比，用二氧化碳制冷比較環保，碳排放趨近于零，“冰絲帶”場館內的4塊主冰面在競技時可減少約900噸二氧化碳排放。不僅如此，相比傳統制冷技術，二氧化碳制冷效率高，可將能效提升20%以上，而且還能實現均勻制冷，冰面不同位置的溫差基本控制在0.5℃以內，其硬度和平整度幾乎一致而有利于滑行。選好制冷劑之后，就要考慮制冷技術了。目前的人工制冷技術主要有間接制冷技術和直接蒸發式制冷技術。間接制冷技術指的是系統蒸發器產生的冷量不能直接被用戶利用，而是需依靠傳熱載體通過輸送、熱交換設備才能達到制冷的目的。而直接蒸發式制冷技術則是系統蒸發器直接與被冷卻空間進行熱交換以達到制冷的效果。對于剛結束冰雪賽事的“冰絲帶”而言，應該如何選擇制冷技術呢？無論間冷式還是直冷式，都要求冰面溫度均勻性較高，兩種方式所需的工質流量不同，因此耗電量成為兩者的主要差別。相比之下，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術的優勢便顯露出來了。首先，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術最顯著的優勢之一是溫度均勻性極佳。盡管長距離流動時，不同位置的流量可能不同，但由于二氧化碳的黏度較小，其蒸發溫度能夠保證基本不變，因此冰場的溫度極其均勻。而在間冷式冰場中，載冷劑的放熱溫區較大，其管道進出口存在一定溫差，一般能達到1.5℃-2℃。為保證冰場溫度足夠均勻，需要增大載冷劑的流量，當工質循環量約為直接蒸發式的十倍時，同樣可以在極小溫差（基本處于0.5℃以內）的情況下進行制冷，但循環泵的耗電量會大幅增加。另外，二氧化碳作為低溫制冷循環工質可在設備小型化、換熱效率和維護保養上具有優勢。由于二氧化碳相比人工合成類制冷劑的分子量小，制冷能力大，可以減小壓縮機尺寸，便于系統高效緊湊設計。二氧化碳具有高密度和低粘度，其流動損失小，傳熱效果良好。此外，二氧化碳容易滿足設備的潤滑條件，難以腐蝕制冷設備，能顯著改善壓縮機的密封性。此外，跨臨界循環的特點使得二氧化碳的“冷凝”過程可以在氣體冷卻器中冷卻，減小了系統的傳熱損失。通過高效回收余熱的二氧化碳熱泵系統，可回收超過60%的熱量，并提供70℃的熱水用于運動員的生活熱水、融冰池融冰和冰面維護澆冰等能源需求。綜合以上優勢，二氧化碳跨臨界直冷制冰技術便成為了冬奧會“冰絲帶”制冰的最佳選擇。別看冰絲帶表面只有晶瑩剔透的冰面，其實它就像個“三明治”，下面還有好幾層，包括鋼筋混凝土層、保溫層、夯填砂層等。這種設計有利于冰面下端的保溫隔熱，也能實時調節地面各處的溫度，保證冰層的厚度與溫度的一致性。在采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術的過程中，“冰絲帶”使用智能控制系統，讓二氧化碳制冷劑在冰面下的合金鋼管中晝夜不停地進行氣液相變蒸發。多臺二氧化碳壓縮機同時工作，冰板層制冷管道內的低溫二氧化碳與鋼筋混凝土層進行換熱，使溫度逐步降到零下十幾度。然后再不斷向冰板上灑水，即可凍結成每層幾毫米的冰面，最后經過多輪制冰工序，冷凍成厚度為30mm的冰面，確保冰面良好的穩定性和溫度的均勻性。此外，冰絲帶的冰面采用分模塊控制單元，就像一個溫度不同的“九宮格”，將冰面劃分為若干區域。根據不同項目分區域、分標準進行制冰，可同時開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等群眾性冰上運動，持續利用該冰面滿足人們健身的多種需求。另一個問題來了：制冷過程中不是產生了大量熱量嗎？都去哪兒了？前面也提到過，制冷過程中產生的大部分余熱會被回收，可用于運動員生活熱水、冰場融冰、場館除濕、空調采暖以及冰場底層防凍等工作，甚至還可供周邊居民用熱需求。這樣一來，一年可節省電量約1.8×10^6 kW·h，相當于550噸標準煤或上海360戶家庭一年的用電量。（上圖來源：體育生活報；下圖來源：青島達能環保設備股份有限公司）先進的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術不僅在冬奧會中大放異彩，還能應用于食品冷凍/冷藏、汽車空調、熱泵系統等更多的領域中，有望成為加速實現“雙碳”目標的前瞻性技術，為創造人類的美好未來貢獻更大的力量。
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