冬奧會的冰雪是如何制造的

蘇更林

截至發(fā)稿時，舉世矚目的北京冬奧會已經(jīng)進(jìn)入倒計時，一場冰雪之上的“激情對決”即將展開。北京冬奧會的冰雪項目共設(shè)7個大項、15個分項、109個小項。其中，冰上項目包括短道速滑、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺和冰球5個分項；雪上項目包括自由式滑雪、越野滑雪、跳臺滑雪、高山滑雪、單板滑雪、冬季兩項、北歐兩項、無舵雪橇、有舵雪橇、鋼架雪車10個分項。冬奧會最大的特色和背景無疑就在于冰雪，冰雪來自哪里？制冰造雪有哪些秘密？“綠色冰雪”是怎么回事？中國將向世界提供解決方案。

根據(jù)科技部會同有關(guān)部門制訂的“科技冬奧”重點專項實施方案，對二氧化碳跨臨界制冷機組、造雪機以及賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究等提出了具體的量化要求。二氧化碳跨臨界直冷冰場的制冰機組要能進(jìn)行全顯熱回收，制冰系統(tǒng)的冷熱綜合能源利用效率等指標(biāo)要達(dá)標(biāo)，而且直冷冰場要能夠滿足6種以上冰上運動項目對冰質(zhì)的要求。針對雪上項目，造雪機要能在不同的地域及氣候條件下，實現(xiàn)溫度0℃、濕度50%的常態(tài)出雪，且雪質(zhì)符合國際雪聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。壓雪車的主要參數(shù)要達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。同時，不同氣候條件下冰狀雪賽道要能夠滿足相關(guān)國際比賽項目對賽道的質(zhì)量要求。

把先進(jìn)的二氧化碳制冷技術(shù)應(yīng)用于北京冬奧會，無疑是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重大舉措，具有重要的“標(biāo)桿”意義。二氧化碳的名字大家耳熟能詳，這R744又是什么意思呢？其實，二氧化碳制冷劑的學(xué)名就叫R744。

按照國際公認(rèn)的制冷劑命名規(guī)則，R代表制冷劑（Refrigerant），7代表無機化合物，44代表無機化合物分子量的整數(shù)部分。44正好是二氧化碳的分子量。

事實上，二氧化碳作為制冷劑已有130多年的歷史了，但其制冷效率并不高。特別是當(dāng)環(huán)境溫度稍高時，二氧化碳的制冷能力會更低，并且功耗也會增加。以R12（二氯二氟甲烷）為代表的CFCS（氯氟烴）類制冷劑的誕生，讓低效的二氧化碳制冷劑輝煌不再，于1950年徹底退出制冷舞臺。當(dāng)然，干冰制冷不在此列。

1992年，挪威科學(xué)家洛倫岑首次提出二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)理論，從而為二氧化碳制冷劑的復(fù)出拓寬了思路。30年來，二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)一度成為制冷界的研究熱點，但尚沒有應(yīng)用于冬奧會的先例。

在21世紀(jì)的前20年，冬奧會制冰基本上采用的是氨或R507為制冷劑，乙二醇為載冷劑的間接制冷方案。氨的制冷劑代號為R717，是一種價格低廉的高效制冷劑。氨對環(huán)境安全，臭氧消耗潛能值（ODP）為 0，全球變暖潛能值（GWP）為 0。但氨制冷劑易燃、有毒，并且具有刺鼻氣味和腐蝕作用。R507屬于HFCS（氫氟烴）類制冷劑，是一種不含氯的環(huán)保型制冷劑，具有優(yōu)異的傳熱性能和低毒性，臭氧消耗潛能值（ODP）為 0，但全球變暖潛能值（GWP）高達(dá)3985。乙二醇則是一種無色微黏的液體，對金屬有腐蝕作用，對動物有毒性。

在北京冬奧會上，國家速滑館、首都體育館、首體短道速滑訓(xùn)練館、五棵松冰上運動訓(xùn)練中心4個場館，在世界冬奧會制冰史上首次使用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)。R744為天然制冷劑，對環(huán)境的安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于R507。臭氧消耗潛能值（ODP）為 0，全球變暖潛能值（GWP）為1。并且，R744無異味、不可燃、不助燃，是環(huán)保性和可持續(xù)性最好的制冷劑之一。因此，R744可謂是冬奧會制冰史上的綠色“新秀”。

為什么“跨臨界”如此重要？要回答這個問題，我們先得把概念搞清楚，并且是從“臨界”開始。

每一種制冷劑都有自己的臨界點，這是一個關(guān)于氣液兩相平衡的點。這個平衡點對應(yīng)的溫度和壓力分別叫作臨界溫度和臨界壓力。

臨界溫度的意義為制冷劑工質(zhì)液化的溫度“天花板”，超過這一溫度時，即使為工質(zhì)加多大的壓力也不能使其液化。為什么會是這樣？原來，制冷劑工質(zhì)在臨界點之上是以超臨界狀態(tài)存在的。所謂超臨界狀態(tài)，是一種介于氣態(tài)和液態(tài)之間的物態(tài)，但它既不是氣態(tài)也不是液態(tài)。以二氧化碳為例，其臨界溫度為31.1℃，也就是說達(dá)到或超過31.1℃，無論怎么加壓，二氧化碳也不能液化了。

其他常用制冷劑的臨界溫度要比二氧化碳高出許多。如前面提到的R12制冷劑臨界溫度為112.0℃，R507制冷劑臨界溫度為70.6℃，應(yīng)用廣泛的新型氫氟烴類制冷劑R134a臨界溫度為101.1℃。

要知道，制冷的核心在于熱量的移除，只有把吸來的熱量散發(fā)出去才能“輕裝上陣”。按照常規(guī)的制冷循環(huán)，31℃就是二氧化碳制冷循環(huán)高溫側(cè)溫度的一堵“墻”。如果環(huán)境溫度接近30℃，工質(zhì)與冷卻媒介的溫差就會小得可憐，那熱量卸載就失去了“驅(qū)動力”。

在早期的制冷應(yīng)用中，二氧化碳制冷循環(huán)是工作在臨界溫度之下的，與其他常規(guī)制冷劑并無二樣，我們稱之為亞臨界制冷循環(huán)。既然二氧化碳具有臨界溫度低的先天不足，那么低效就成了二氧化碳退出制冷江湖的主要原因。如今，二氧化碳制冷重出江湖，那跨臨界就是其起死回生的“還魂術(shù)”。所謂跨臨界，說的是二氧化碳制冷循環(huán)工作在亞臨界和超臨界兩個區(qū)域，制冷循環(huán)的吸熱過程發(fā)生在臨界溫度之下，而放熱過程發(fā)生在臨界溫度之上。

制冷機一般都是由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器四大部分組成的。但對于二氧化碳跨臨界制冰過程來說，對于吸熱過程，與常規(guī)的制冷循環(huán)無異，換熱以潛熱為主；而對于放熱過程，就與常規(guī)的制冷循環(huán)不同了，換熱以顯熱形式進(jìn)行。由于超臨界流體區(qū)域不存在氣體液化之實，因此氣體冷卻器取代常規(guī)的冷凝器，來負(fù)責(zé)二氧化碳工質(zhì)的冷卻。

二氧化碳跨臨界直冷制冰，由于高溫側(cè)與環(huán)境的溫差加大，提高了熱量回收的可操作性。因此可以把制冰過程中產(chǎn)生的熱量利用起來，從而為運動員淋浴、場地冰面維護以及融冰池融冰等環(huán)節(jié)提供寶貴的熱能。

二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)代表了制冰技術(shù)的最高水平，其中的“直冷制冰”含義為“直接蒸發(fā)式制冷”。也就是說，二氧化碳制冷工質(zhì)通過制冷系統(tǒng)直接被送至制冷管路進(jìn)行蒸發(fā)，以實現(xiàn)冰面溫度的調(diào)節(jié)。直冷制冰的優(yōu)勢是十分明顯的。

近20年來的冬奧會制冰方案全部都是間接制冰方式。如2002年美國鹽湖城冬奧會采用的是“氨+乙二醇載冷劑”制冰方式；2006年意大利都靈冬奧會采用的是“R507+乙二醇載冷劑”制冰方式；2010年加拿大溫哥華冬奧會采用的是“氨+乙二醇載冷劑”制冰方式；2014年俄羅斯索契冬奧會采用的是“R507+乙二醇載冷劑”制冰方式；2018年韓國平昌冬奧會采用的同樣是“R507+乙二醇載冷劑”制冰方式。

在上述案例中，乙二醇充當(dāng)?shù)慕巧禽d冷劑。所謂載冷劑，是指在間接冷卻的制冷裝置中，把被冷卻系統(tǒng)（物體或空間）的熱量傳遞給制冷劑的中間冷卻介質(zhì)。制冰機組通過蒸發(fā)器先將冷量傳遞給載冷劑，再將載冷劑泵送至冰面工藝層下面的制冷管路進(jìn)行冷熱交換，從而進(jìn)行冰面溫度的調(diào)節(jié)。在這個過程中，制冷劑（如氨、 R507）與載冷劑（乙二醇）的冷熱交換，勢必會造成部分冷量的損失，并且泵送載冷劑也會增加一定的能耗。因此，間接制冷的能耗較高，效率較低。間接制冷還具有制冷速度慢、制冷效果和冰面質(zhì)量一般的特點。

二氧化碳直接制冷因為省去了載冷劑的中間環(huán)節(jié)，因此不存在制冷劑與載冷劑的換熱損失以及泵送載冷劑導(dǎo)致的額外能耗，從而可以降低冰場制冰的能耗。

二氧化碳制冷管路以排管形式預(yù)埋在人工冰面的下面，制冷管路下面是防凍混凝土層和保溫層，以保證二氧化碳制冷管路對下絕熱。二氧化碳直冷制冰可將二氧化碳制冷劑直接輸送到制冷排管中進(jìn)行熱交換，這樣換熱效率更高，冰面溫度更準(zhǔn)，冰面質(zhì)量更優(yōu)。如用二氧化碳直冷制冰可使冰面溫差不超過0.5℃，這對于運動員水平的發(fā)揮是至關(guān)重要的。

在制冰過程中，多臺二氧化碳壓縮機可以同時工作。當(dāng)冰板混凝土溫度逐步降到零下十幾攝氏度時，還需要在冰板上不停地灑水。這里的細(xì)節(jié)操作非常關(guān)鍵，反復(fù)進(jìn)行這樣的工序才能完成冰面的凍結(jié)。

考慮二氧化碳跨臨界直冷制冰系統(tǒng)熱能的回收利用以及直冷制冰的效率提升和能源節(jié)約，整個制冰系統(tǒng)的能源利用效率會大幅提升，使得整個系統(tǒng)的碳排放趨近于零。

滑雪運動需要擁有寬闊的滑雪場地，并且在場地上覆蓋有一定厚度的積雪。對于冬天足夠寒冷的部分地區(qū)來說，天然雪有可能成為滑雪運動的寶貴資源。對于絕大多數(shù)的地區(qū)來說，人工造雪才是開展滑雪運動的現(xiàn)實選擇。

天然雪的形成是一個動態(tài)成長的過程，首先是在大氣中形成細(xì)小的冰晶，然后這些小冰晶在下落過程中互相吸引進(jìn)一步凝結(jié)成雪花。這里的小冰晶是雪花形成的必要條件，那么這些小冰晶是怎么形成的呢？原來，冰晶是水汽在晶核上凝華而形成的。這里的晶核也叫凝結(jié)核，主要來源于自然活動和人類活動，如沙塵粒子、礦物塵埃、火山灰和流星塵埃等。如果大氣中沒有凝結(jié)核，那么能形成雪花嗎？答案是肯定的，但同質(zhì)核化過程需要更低的溫度，才能使水汽液化和凝華而形成晶核，并進(jìn)一步成長為雪花。這也是純凈水在冰點時不凍結(jié)（過冷）的原因。

雪炮是人工造雪的重要裝備之一，因此也被稱為“造雪機”。雪炮適合于大面積造雪，其原理是快速把大量液態(tài)水轉(zhuǎn)化為高壓霧化的晶核。雪炮分為帶壓縮空氣雪炮和風(fēng)扇型雪炮兩種形式，其原理大體一致。

帶壓縮空氣雪炮用管子分別與壓縮空氣和高壓水相連，高壓霧化水在核子發(fā)生器的噴嘴處被壓縮空氣噴出去。在這個過程中，壓縮空氣的作用主要為：一是形成擾動的氣流而把高壓水霧化為微小的水滴，必要時可在噴灑的水滴中添加成核劑；二是通過空氣和水滴的充分接觸，高壓空氣迅速膨脹吸熱造成的冷環(huán)境，可使得霧滴凝結(jié)成細(xì)小的晶核而被拋撒到空氣中。接下來的事情就交給大自然了。這些細(xì)小的晶核還要在空中飄蕩一段時間，利用大氣環(huán)境中的寒冷和水汽等條件繼續(xù)成長，以保證其在降落地面之前形成完整的雪花。

風(fēng)扇型雪炮也被稱為無壓縮空氣雪炮，與帶壓縮空氣的雪炮不同的是，其利用大功率高速風(fēng)扇來冷卻霧化水。微小的水滴被高速風(fēng)扇吹出后，會進(jìn)一步變?yōu)榧?xì)小的晶核。風(fēng)扇型“造雪機”不需要空氣壓縮機，但高速風(fēng)扇不如壓縮空氣膨脹產(chǎn)生的冷卻效果好，因此要求環(huán)境溫度更低一些才能奏效。

除了雪炮之外，還有一種槍式造雪機，由多個類似于槍頭的噴雪器組成。槍式造雪機也有噴嘴和成核器，噴出的晶核可以利用自然高度的落差，在空氣中降落的過程中結(jié)晶成長。槍式造雪機的拋程比較短，一般用于具有精確目標(biāo)的人工造雪。

雪花原本是大自然的杰作，人工造雪也只是對大自然造雪過程的部分模擬。那么，人工造雪也需要“看天”嗎？

雪炮作為雪花的“播種機”，噴出的只是雪花的“種子”（晶核），而不是最終的雪花。從雪炮噴出的晶核需要在自然環(huán)境中不斷成長才能形成完整的雪花。因此，天氣狀況直接影響人工造雪的成敗。

人工造雪是一門十分復(fù)雜的科學(xué)，需要技術(shù)和環(huán)境的協(xié)調(diào)才能造出低成本、高品質(zhì)的雪。那么，“看天”應(yīng)當(dāng)看什么？首先，在滑雪場選址時就要充分了解該地區(qū)的降雪規(guī)律及其氣候特征，這對于提高人工造雪效率和降低造雪成本具有重要的意義。同時，也要根據(jù)天氣狀況科學(xué)制定人工造雪的規(guī)劃。從造雪機噴出的水滴（晶核）在大氣環(huán)境中的成長，涉及熱量和水分的轉(zhuǎn)移，統(tǒng)籌考慮影響造雪的變量因素是至關(guān)重要的。

通常，人工造雪的最佳天氣是寒冷和干燥。寒冷指的是環(huán)境溫度要低，這樣才能加快晶核與環(huán)境的熱量交換，因此對造雪過程是有益的。干燥指的是環(huán)境相對濕度要低，因為遠(yuǎn)離飽和狀態(tài)的空氣濕度條件，才有利于晶核水分的蒸發(fā)，因此帶來的降溫效果才會更明顯。

在人工造雪領(lǐng)域，濕球溫度是一個硬性指標(biāo)。由于其受到環(huán)境溫度和相對濕度的共同影響，代表了特定環(huán)境中僅通過水分蒸發(fā)所能獲得的最低溫度。

濕球溫度作為一個重要的氣象指標(biāo)，我們可以很方便地獲取該數(shù)據(jù)。如果自己測量的話，可以用濕紗布把普通溫度計的感溫部分包住，并將紗布的下端浸于充水容器中，這樣就成為濕球溫度計了。將濕球溫度計置于通風(fēng)處，該溫度計讀數(shù)就為濕球溫度。

一般地，濕球溫度都要低于干燥時的環(huán)境溫度，并且空氣越干燥相同溫度對應(yīng)的濕球溫度就越低。因此，越冷越干燥的天氣越有利于人工造雪。據(jù)此可以選定適宜的時間窗口進(jìn)行人工造雪，以提高造雪的效率和質(zhì)量。

冰雪運動的基礎(chǔ)是冰雪。用中國智慧打造的冰雪舞臺，凝聚了當(dāng)代世界最先進(jìn)的冰雪制造技術(shù)。北京冬奧會的綠色冰雪，將為運動員的“激情對決”提供堅強的支撐。