北京冬奧會開幕進入倒計時，各大場館相繼完成制冰造雪。這是大陸首次舉辦冬奧會，符合奧運标準的制冰造雪并無經驗和案例可供借鑒。作為冬奧場館的“血液”，冰雪從哪裡來，能否滿足冬奧會比賽要求？
作為大陸提出“雙碳”目标之後舉辦的重大标志性活動，北京冬奧會将“綠色辦奧”理念落實到籌辦全過程，向世界展現了大國責任與擔當。如何研發出綠色低碳的制冰造雪系統，制出高效的國産冰雪，這項重任落在了制冷“國家隊”——中糧工科北京事業部肩上。
中糧工科北京事業部(華商國際工程有限公司)，其前身商業部設計院是大陸工商業制冷技術領先的設計機關。為備戰北京冬奧會，中糧工科北京事業部專門組建了冰雪團隊，承擔了以國家速滑館、國家雪車雪橇中心、國家高山滑雪中心為代表的5大冬奧核心場館制冰造雪系統設計工作。
“為落實‘綠色辦奧’理念，我們設計冬奧場館制冷系統時，除考慮制冷劑要綠色環保外，還需要考慮制冷系統長期運作的低能耗要求，也就是要兼顧環境友好、低碳節能和穩定可靠。”中糧工科冰雪團隊創始人、冬奧項目總負責人王斌說，目前中糧工科負責的場館制冰造雪已認證實測檢驗傳遞使用，為冬奧冰雪貢獻了綠色低碳高效的“中國方案”。
應用天然制冷劑打造綠色制冰技術
與依靠自然制冷的室外冰場不同，冬奧會所有冰上項目均在室内舉行。室内冰場采用人工制冰方式，可嚴格控制冰面溫度和濕度，為運動員創造公平的比賽環境和挑戰極限的基礎。
國家速滑館制冰。 中糧工科北京事業部供圖
國家速滑館是北京冬奧會主場館，承辦速度滑冰比賽。王斌說，舉辦國際頂級冬季賽事，冰面上若出現一絲一毫的瑕疵都可能影響運動員發揮。每一寸冰面都要光潔平整，溫度均衡，隐藏在冰面下的制冰系統尤為關鍵。
2017年，中糧工科冰雪團隊開始參與國家速滑館制冰系統前期技術交流和後期設計。制冰系統原理類似于家庭“地熱采暖”，冰面下安置若幹制冷管道，通過制冷劑在其中流動換熱使冰面降溫。制冷劑在制冰中扮演重要角色，采用何種制冷劑、以哪種系統制冰，成為國家速滑館綠色建造的關鍵。
最初讨論國家速滑館制冰方案時，之前幾屆冬奧會場館所普遍采用的氟利昂制冷+乙二醇載冷的正常制冰技術方案呼聲很高。“這個方案無論從技術成熟性還是實施難度方面，都沒有問題。但瑕疵是采用氟利昂制冷劑，其全球變暖潛值較大，環保性欠佳，并且載冷劑制冷二次換熱所帶來的能耗也較大，這些瑕疵也讓該方案并未達到完美。”王斌說。
在“綠色辦奧”理念指引下，國家速滑館制冷劑的确定曆時18個月，經曆數十輪技術交流和論證，業主、專家及設計方最終選擇了不同于以往冬奧會的方案，采用了一條環保性最佳，且能效得到大幅提升的技術路線，也就是二氧化碳跨臨界直冷制冰系統。
在選擇過程中首先是選用環境友好的天然制冷工質，也就是純天然制冷劑。在近200年制冷工業發展中，選用制冷劑總要面對制冷效率、安全、環保之間的沖突。王斌介紹，在目前工商業制冷中，應用最廣泛的純天然制冷劑，一個是氨，另一個就是二氧化碳。
王斌說，二氧化碳在自然界中本來就大量存在，便宜易得，而且二氧化碳作為制冷劑其臭氧消耗潛值為零，全球變暖潛值為1，避免了目前普遍應用的高全球變暖潛值的氟利昂類制冷劑所帶來的溫室效應。采用自然工質二氧化碳作為國家速滑館的制冷劑，提升了冬奧場館綠色品質，助力“碳中和”目标實作。
在設計中，除了考慮制冷劑要綠色環保外，還需要考慮制冷系統長期運作低能耗要求，打造低碳節能場館。“二氧化碳制冷系統制冷會帶走冰層下的熱量，實作冰場迅速降溫，這部分餘熱在正常系統中一般直接排到室外環境中，如果我們能加以利用，會大大提高整個制冷系統能效。”王斌說，國家速滑館制冷系統設計團隊應用冷熱聯供一體化技術，将二氧化碳制冷所産生的高品質熱能儲存于水箱裡，用于冰面維護澆冰、場館生活熱水等，這一舉措大大降低了場館營運能耗。
除低碳環保外，工程師更要考量制冰的品質。冰面溫度高低和均勻度會直接直接影響冰面品質，冰面溫差大會造成冰面軟硬不均。而采用二氧化碳直冷制冰技術，可最大程度減小冰面溫差，保證冰溫均勻，提高冰面品質。
國家速滑館敲定二氧化碳制冷劑，并采用跨臨界二氧化碳直冷制冰技術，這被認為是最環保和先進的制冰技術之一。二氧化碳直冷制冰系統避免傳統載冷劑制冰系統的二次換熱，跟傳統技術相比，其綜合能耗降低30%以上，場館一年可節省電量約200萬度。
由于技術要求高、控制難度大等難題，在世界範圍内，近些年在相對較小的1800平方米标準冰場有使用二氧化碳跨臨界制冰的案例。而在1.2萬平方米的超大冰面上應用這項技術，而且是在冬奧項目上，世界上未有先例。在中糧工科冰雪團隊不懈努力下，國家速滑館冰面溫差最終控制在0.5攝氏度以内，低于北京冬奧組委要求的1.5攝氏度，讓場館具備成為最快冰的硬體條件。
“二氧化碳跨臨界直冷制冰技術在國家速滑館創新應用，其更大意義是産生了推動冰雪産業低碳發展的示範效應。”王斌說，很多其他冬奧場館也借鑒國家速滑館經驗采用二氧化碳制冰系統。據統計，北京賽區建立、改建總計有9塊冰面，其中5塊采用了綠色低碳的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術，踐行了“綠色辦奧”理念。
創新研發冷熱聯供技術回收廢熱
雪車雪橇比賽被譽為冬奧會“冰上F1”，滑行最高時速超過130公裡。位于延慶賽區的國家雪車雪橇中心賽道全長近兩公裡，最大坡度18度，整個賽道高差達121米。主賽道包含16個彎道，是亞洲唯一一條具備360度回旋彎的賽道。整條主賽道由54條形狀各異的賽道段構成，冰面全面積達1萬多平方米。
雪車雪橇賽道設計在冬奧會項目中單項難度最高，賽道形狀及速度曲線和賽道制冷制冰系統給設計帶來極大挑戰。國家雪車雪橇中心賽道冰面潔白光亮，其制冰原理是通過制冷系統對賽道表面進行制冷換熱将水變成冰。但與室内冰場不同，雪車雪橇賽道高差大、距離長、各段賽道形狀不同，對制冷穩定性提出考驗。
中糧工科冰雪團隊從綠色、節能、穩定性等多方面考量，選取氨作為國家雪車雪橇中心制冰系統制冷劑。王斌說，氨是天然制冷工質，具有綠色、高效等優勢。和國家速滑館一樣，國家雪車雪橇中心也采取直接蒸發制冷技術，最大程度減少二次換熱帶來的能量損失。由于賽道設定于室外，賽道制冷負荷受室外環境溫濕度影響大，考慮系統節能性和穩定性，雪車雪橇中心制冷系統内的制冷裝置多采用變頻技術，可確定在部分制冷負荷情況下保障制冷系統高效運作。制冷系統還應用了多項節能技術，如氨熱泵系統，闆殼式高效換熱技術，高自動化智能控制系統等。
在國家雪車雪橇中心項目，中糧工科冰雪團隊聯合國内企業創新應用冷熱聯供技術，在制冷系統基礎上還設計了一套氨高效熱泵機組，将制冰産生的制冷廢熱回收和能級提升，用于場館冬季采暖，補充場館對熱能的需求。這是氨熱泵系統首次在冬奧雪車雪橇項目使用，相比單一的電制熱，冷熱聯供技術極大節省了制熱系統側所需能源。
技術人員監測國家雪車雪橇中心賽道狀況。 中糧工科北京事業部供圖
考慮到室外20攝氏度環境下制冷制冰負荷，每條賽道段設定溫度遠端傳感裝置，可實時監測賽道混凝土溫度，王斌說：“我們在2021年夏季室外溫度超過25攝氏度時，進行了全賽道結霜及滿負荷運作測試試驗，確定這套制冷制冰系統穩定運作。”
賽道表面溫度均衡性是保障高品質制冰的前提，賽時，中糧工科團隊技術人員将全天候保障制冷系統，實時檢測賽道溫度，確定賽道穩定運作。
造雪水源優先利用天然降水
高山滑雪被譽為“冬奧會皇冠上的明珠”，位于延慶賽區的國家高山滑雪中心最高海拔達2198米，共設7條雪道，最長賽道長度約3千米，垂直落差約900米，是國内最高等級的高山滑雪賽道，也是國内唯一符合冬奧會标準的賽道。
之前國内并無冬奧會高山滑雪項目設計及建造經驗，而且國家高山滑雪中心雪道坡度大，落差大，加上部分區域作業面極窄、地質結構複雜等因素，建設難度相當高。中糧工科冰雪團隊創始成員、國家高山滑雪中心造雪系統設計負責人孫天慧說：“造雪需充分考慮場地高差、溫度、濕度、用水等多方面因素，在滿足國際雪聯對賽道要求前提下，造雪機房選址、造雪裝置及管線布置等均充分考慮了生态保護因素，盡最大努力減少對生态的影響。”
國家高山滑雪中心造雪面積達80萬平方米，如何用水造出120萬立方米的雪？孫天慧說，為確定造雪安全、經濟、高效，國家高山滑雪中心采用世界上最先進的造雪系統，優先利用收集儲存的天然降水、地表徑流等作為水源。造雪用水主要來自延慶佛峪口水庫，通過地下綜合管廊，将造雪用水輸送至賽區内的蓄水池蓄存，再由三級泵站将水注入雪道造雪系統。
國家高山滑雪中心還建設了完善的融雪水、雨水回收利用系統，雪融化後通過排水渠收集彙流，再流入佛峪口水庫下遊，實作水資源循環利用；并在局部區域設定防風栅欄，提高造雪用水使用率和造雪效率，最大程度節約水資源。
完成造雪的國家高山滑雪中心。 中糧工科北京事業部供圖
據氣象部門預報今年冬天延慶賽區海陀山山頂溫度最低将達到零下40多攝氏度，大風最高有12級，且雪道最大坡度達68度，如何實作保質保量造雪？孫天慧介紹，國家高山滑雪中心采用智能化造雪系統，170台造雪機和30台雪槍根據不同需求，排布于雪道上風口。位于控制中心的智能系統就像“大腦”一樣遠端控制，精準“掌控”每台造雪機的造雪高度、方向等，以适應氣候條件變化。
人工造雪過程與自然降雪原理相似，造雪供水系統提供壓力約2MPa左右的高壓水給造雪裝置，水經造雪機噴嘴霧化，造雪機核子器内噴出的壓縮空氣與霧化水凝華為雪核，當外界溫度達到成雪條件時，雪核與噴出的水霧在空氣中結合，形成雪花，依靠造雪機提供的動力飄落在雪道上，壓雪車将松軟的雪壓實，造出總面積80多萬平方米的比賽用雪。
競賽雪道為冰狀雪，類似于冰面，需要先向雪道澆水，之後迅速将賽道壓平，再由人工反複對雪道進行修整、塑形，直至達到光滑狀态，確定運動員高速轉彎時雪道表面平整光滑，確定選手不論第幾個出場，雪道均處于相對完美的狀态。
冬奧會比賽期間，冰雪保障團隊将進駐國家速滑館、國家雪車雪橇中心等冬奧場館，為賽時冰面調整提供技術保障。王斌說，中糧工科保障團隊将全力做好冬奧會技術保障，期待各國運動員能在綠色低碳、穩定可靠的冰面和雪上發揮出最高競技水準。
“綠色成為北京冬奧會最亮麗的底色，描繪出大陸生态文明建設與可持續發展的美麗畫卷。我們相信冬奧會像夏奧會一樣，為世界奉獻一屆精彩難忘的奧運盛會。”王斌說。