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。據了解，首都體育館已成功制出北京冬奧會首塊由二氧化碳跨臨界直冷制冰技術制出的冰面。二氧化碳跨臨界直冷制冰技術是當前冬季運動場館最先進的制冰技術之一，将在北京冬奧會進行大規模應用。

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二氧化碳在制冷領域并非“新貴”。事實上由于其簡單易得、價格低廉，早在100多年前，歐洲剛出現蒸氣壓縮式制冷技術時，二氧化碳就被作為制冷劑使用。但随着人工合成制冷劑技術的發展，二氧化碳逐漸被臨界溫度高、易液化的人工合成制冷劑氟利昂所取代。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制冷劑有關，紛紛開始停止其使用。

天津大學機械工程學院教授 馬一太：根據1987年國際社會簽訂的《蒙特利爾議定書》，我國在2010年前，已經淘汰了對臭氧層有嚴重破壞力的制冷劑，有代表性的是氟利昂R12；到2030年，我國還将淘汰對臭氧層有輕微破壞力的制冷劑，有代表性的是氟利昂R22。

由于人工合成制冷劑存在種種弊端，使得二氧化碳這一“元老級”制冷劑又重回人們視野。

天津大學機械工程學院教授 馬一太：二氧化碳作為大氣的組成成分之一，不會對臭氧層産生破壞。二氧化碳雖是溫室氣體，但溫室效應遠低于其他人工合成制冷劑。

正是由于二氧化碳制冷的這一環保屬性，此次冬奧會北京賽區的15塊冰面中将有7塊采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術。這使得北京2022年冬奧會将成為曆史上首次大規模使用二氧化碳制冷劑的奧運會。

小到家用冰箱，大到商業冷庫，所有制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制冷劑，不同的制冷劑可以達到的最低溫度也不同。

天津大學機械工程學院教授 馬一太：二氧化碳可以像氟利昂或氨一樣作為制冷劑，它的制冷循環原理與普通制冷劑基本相同，都是蒸氣壓縮制冷（或熱泵）循環，但是在細節上又有所不同。

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，以制冷需求量的1.5~2.5倍供液，可以保證冰場各處的溫度更均勻；壓縮機多為數台，實際應用時可根據制冷量的變化控制開啟台數；由電腦控制的電子膨脹閥可根據制冷量大小以及環境溫度變化精确地控制二氧化碳蒸發溫度。

作為短道速滑和花樣滑冰比賽場館的首都體育館已于11月中旬完成制冰，冰面尺寸為31米×61米。制冰過程中，多台二氧化碳壓縮機同時運作，冰闆層裡制冷管道内低溫二氧化碳與冰闆混凝土進行換熱，冰闆混凝土溫度逐步降到零下十幾攝氏度，制冷團隊不停地在冰闆上灑水作業，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。

号稱當前最先進制冰技術之一的二氧化碳跨臨界直冷制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制冰技術還具有溫度控制準、冰面質量優、制冰效率高等優勢。這項技術之所以能夠準确地控制制冰溫度，保證冰面質量，與其采用直接蒸發冷卻密切相關。

以往一些體育場館制作冰面時通常應用間接制冷，即載冷劑制冷的方式。間接制冷是指将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，隻要不漏液就可以，通常可以用塑料管。耐壓的部分都在制冷機裝置裡。這對于臨時的冰場，如舞台表演或冬季冰雪嘉年華來說，是很好的選擇。但對于應用于正式比賽的冰場，它最大的問題是冰面的溫度不一緻。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，制冷的能耗也就上升了。

文章來源丨科技日報

(編輯 何芊漪)