天津大學(xué)馬一太、田華教授團隊 研發(fā)直冷制冰技術(shù) 制造穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)冰面

撰文/劉曉艷 王懿霖

為了給北京冬奧會參賽運動員良好的冰面體驗，幫助他們發(fā)揮出最佳的競技水平，天津大學(xué)馬一太、田華教授團隊在國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項支持下，通過校企合作，研發(fā)出國際先進的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，為各國冰上運動員制造了“最美、最快的冰”。

據(jù)悉，改造后的首都體育館將承辦北京冬奧會花樣滑冰和短道速滑兩個項目的比賽。對于這兩個項目而言，優(yōu)質(zhì)的冰面有助于冰上運動員取得更好成績，而獲得優(yōu)質(zhì)冰面除了要依靠制冰師的高超技藝，制冰系統(tǒng)所決定的冰面溫差均勻性和軟硬度均勻性則是關(guān)鍵性基礎(chǔ)。制冰機是人工冰場建設(shè)的核心設(shè)備，從歷屆冬奧會冰場制冰機來看，主要采用氟利昂等人工合成制冷劑技術(shù)或者氨制冷技術(shù)，前者具有嚴(yán)重的溫室效應(yīng)問題，而后者具有安全隱患。以二氧化碳為制冷劑、冰面下直接蒸發(fā)的制冰技術(shù)被認為是一種綠色低碳、高效節(jié)能的方案，但其關(guān)鍵技術(shù)一直掌握在歐美等國家企業(yè)手中。

天津大學(xué)馬一太、田華教授團隊在國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項支持下，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，與歐悅冰雪投資管理（北京）有限公司和艾斯特制冷與太陽能技術(shù)（北京）有限公司等8 家單位聯(lián)合研發(fā)、設(shè)計和建造了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的二氧化碳跨臨界直冷制冰機組，并在首都體育館冰場成功進行示范應(yīng)用，服務(wù)北京冬奧會和國家冰雪戰(zhàn)略。

該方案從二氧化碳制冰系統(tǒng)壓縮、冷卻、節(jié)流和蒸發(fā)四個過程進行節(jié)能設(shè)計：在壓縮過程采用雙級壓縮，讓源頭耗能實現(xiàn)“事半功倍”；在冷卻過程對冷卻熱量進行全顯熱回收，實現(xiàn)冰場澆冰、融雪等不同溫度熱水需求；在蒸發(fā)過程采用在冰面下直接蒸發(fā)吸熱，為冰場提供穩(wěn)定的冷量供應(yīng)，并優(yōu)化設(shè)計冰下蒸發(fā)盤管和土建，保障冰面溫度均勻。該制冰機從關(guān)鍵部件到整機集成，均實現(xiàn)國內(nèi)設(shè)計、加工、組裝和運行，尤其是水冷式氣冷器是國際上首次應(yīng)用，有效解決了首都體育官冷卻回路長的工程問題。該制冰系統(tǒng)綜合節(jié)能超過50%以上，冰面溫差可控制在0.3—0.4℃以內(nèi)，無論是綜合能效還是冰面溫差均達到國際先進水平，為冰上運動員提供一個軟硬度均勻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)冰面。

此外，由于首都體育館同時承辦花樣滑冰和短道速滑兩個項目，兩個項目對冰面的冰層厚度和冰面溫度還有不同的嚴(yán)格要求，需要根據(jù)賽程不斷進行兩種冰面的快速轉(zhuǎn)換。項目組充分利用二氧化碳制冰溫度均勻的特點，結(jié)合精準(zhǔn)控制系統(tǒng)和線性降溫策略，實現(xiàn)2 小時內(nèi)的快速、高效冰面轉(zhuǎn)換，遠小于國際奧委會3 小時冰面轉(zhuǎn)換的要求。

天津大學(xué)是國內(nèi)最早開展二氧化碳跨臨界制冷熱泵技術(shù)研究的團隊之一。研發(fā)設(shè)備所采用的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)是國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項“制冰機研發(fā)及應(yīng)用示范”項目的核心成果，田華教授為該項目負責(zé)人。