給冰面蓋 “棉被”？“冰立方”轉(zhuǎn)換之道

推薦單位：北京制冷學(xué)會 受訪專家：張濤 采編：吉吉

北京2022年冬奧會即將舉行，備受關(guān)注的冰壺比賽將在國家游泳中心“冰立方”舉行?！氨⒎健睂?shí)際上并不是一個為冬奧會新建的場館，而是由2008年夏季奧運(yùn)會的場館“水立方”改造轉(zhuǎn)換而來。

其實(shí)，“水立方”向“冰立方”的轉(zhuǎn)換，并不是簡單地把游泳池的水抽干，再在水池上鋪設(shè)鋼架，打造冰面那么簡單;而是涉及整個場館環(huán)境的有機(jī)改造，包括場館的氣密性改造、自然通風(fēng)改造、分區(qū)控制改造等。

“水冰轉(zhuǎn)換”的過程中蘊(yùn)藏了哪些我們想不到的“黑科技”呢？科協(xié)頻道采訪了參與“冰立方”場館環(huán)境控制、制冷系統(tǒng)設(shè)計工作的清華大學(xué)建筑學(xué)院助理研究員張濤（北京制冷學(xué)會推薦專家），帶領(lǐng)大家近距離感受“水立方”與“冰立方”水冰轉(zhuǎn)換的奇妙。

更節(jié)能、更低碳的中國方案

冰壺運(yùn)動起源于14世紀(jì)的蘇格蘭，1998年其作為正式比賽項(xiàng)目進(jìn)入冬奧會。冰壺比賽是對場館環(huán)境要求最嚴(yán)苛的冰上運(yùn)動之一，國際冰壺聯(lián)合會提出的29條要求中，有14條與場館制冰空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)。場館改造后的環(huán)境參數(shù)需要嚴(yán)格保證冰面上空氣溫濕度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速等控制在嚴(yán)苛范圍內(nèi)。

此外，“冰立方”是一個方方正正的、泡泡狀的、半透膜結(jié)構(gòu)建筑，這一場館是冬奧會歷史上體量最大的冰壺場館，場館高度也是歷屆冬奧會中最高的。鹽湖城、都靈、科爾蒂納丹佩佐冬奧會的冰壺場館高12～15米，溫哥華、索契、平昌冬奧會的冰壺場館高度都僅為20米左右，而“冰立方”場館高度達(dá)30米?！霸礁叽蟮慕ㄖ?，越難控制環(huán)境?！睆垵f。如此高大的空間也給“冰立方”場館環(huán)境控制帶來了巨大難題。

以往的冰壺場館大部分是在10米多高的空間中，大都采用全部空間控制，即將整個空間控制成一樣的參數(shù)——場館所有區(qū)域的空氣溫度都控制在10攝氏度左右?！暗@種全部空間統(tǒng)一控溫的方式實(shí)際上并不符合綠色可持續(xù)運(yùn)營的目標(biāo)。如果在‘冰立方’將整個空間控制到10攝氏度，從節(jié)能低碳的角度來講，要付出非常大的代價?！睆垵f。

張濤介紹，在建筑環(huán)境工程專家、清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任、中國工程院院士江億和清華大學(xué)建筑學(xué)院教授劉曉華的帶領(lǐng)下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)竭力攻關(guān)，提出了更節(jié)能、更低碳的中國方案，使“冰立方”在冬奧會歷史上首次實(shí)現(xiàn)了冰壺場館分區(qū)環(huán)境控制。如此一來，冰上重點(diǎn)區(qū)域得到了保障，觀眾和運(yùn)動員也能有較舒適的體感溫度。

分區(qū)控溫后，觀眾觀賽的舒適度可和在家觀賽相媲美。大家如果去商場里的冰場，在冰場周圍可能都得穿上羽絨服，因?yàn)楸鶊鲋車臏囟认鄬^低。“而冬奧會如果去‘冰立方’看冰壺比賽，大家可能覺得和春天、夏天看比賽差不多，或者說和在家看比賽的體感舒適度沒太大區(qū)別?！睆垵f。這實(shí)際上是因?yàn)楦脑旌螅謪^(qū)控溫系統(tǒng)和座椅送風(fēng)系統(tǒng)使“冰立方”的觀眾席溫度能始終保持在16～20攝氏度。

其實(shí)，觀眾和運(yùn)動員的舒適體感溫度相對容易保證，真正難的是在這么大的空間下將觀眾席和冰面解耦，保證冰面的溫度和質(zhì)量?！霸谶@么大的空間中，特別害怕的是觀眾席和冰面之間的空氣互相攪和。所以，分區(qū)控溫系統(tǒng)最重要的貢獻(xiàn)就是實(shí)現(xiàn)了冰面和觀眾席之間的解耦，避免了兩個區(qū)域的來回?fù)交?。”張濤介紹，“通過空調(diào)的有效設(shè)計和分區(qū)，我們將冰面上方兩三米的區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立的深度除濕風(fēng)量控制，這就好比營造了一層看不見的‘空氣被子’，牢牢地保護(hù)住冰面?！?/p>

為什么“冰立方”不用更環(huán)保的二氧化碳制冷劑

“冰絲帶”（國家速滑館）選取二氧化碳作為制冷劑，應(yīng)用二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)，該技術(shù)是歷屆冬奧會場館中應(yīng)用過的最環(huán)保、最綠色、最高效的制冷技術(shù)之一?！氨z帶”使二氧化碳這種綠色環(huán)保的制冷劑被大多數(shù)人所熟知，而“冰立方”使用的制冷劑卻少有報道提及。這是為什么呢？難道“冰絲帶”采用的制冷劑不夠綠色環(huán)保嗎？

“冰立方”采用的制冷劑是R507（一種制冷劑的代號），其具有優(yōu)異的傳熱性能，且不含任何破壞臭氧層的物質(zhì)。但從綠色環(huán)保的角度來看，與“冰絲帶”使用的二氧化碳制冷劑（R774）相比，R507不是最綠色、最環(huán)保的。二氧化碳制冷劑的全球變暖系數(shù)值（GWP）為1，而R507的約為3900，也就是說使用二氧化碳制冷劑對全球變暖的影響要小得多。

“冰立方”使用的R507制冷劑是一個相對環(huán)保的制冷劑，“使用此種制冷劑而沒有使用二氧化碳制冷劑的原因在于‘冰立方’是改造的場館，要兼顧多種用途，其制冷系統(tǒng)也沒有采用永久的制冷設(shè)施，而是采用了一個臨時的制冷設(shè)施。”張濤說，“從綜合利用的角度，我們選擇了R507這個相對節(jié)能環(huán)保的制冷劑?！?/p>

轉(zhuǎn)換之道：夏季奧運(yùn)會遺產(chǎn)的有效利用

“水立方”向“冰立方”的轉(zhuǎn)換，是對北京夏奧之城遺產(chǎn)的合理利用?！半m然冬奧會和夏奧會之間存在很大的區(qū)別，如競賽場館的參數(shù)要求、場館各項(xiàng)設(shè)施的維護(hù)等。但是，對于怎么更好地利用夏季奧運(yùn)會的遺產(chǎn)為冬季奧運(yùn)會作貢獻(xiàn)，以及考慮到盡量避免新建更多的大場館和北京未來場館需求，在冬奧會場館規(guī)劃中考慮到可以用夏季奧運(yùn)會的有效場館來作為冬季奧運(yùn)會舉辦的場所，也是秉承了奧運(yùn)的可持續(xù)理念?！睆垵f。而如何靈活運(yùn)用，如何改造達(dá)標(biāo)，就需要科研團(tuán)隊(duì)去尋找更好的解決方法。

在張濤看來，“水立方”既是夏季奧運(yùn)會的遺產(chǎn)，也是冬季奧運(yùn)會的遺產(chǎn)。其成為北京這一雙奧之城下的“雙奧場館”，具有重大的歷史意義。