冰——二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)

為了給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”重點專項支持下，通過校企合作，研發(fā)了國際先進(jìn)的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，為各國運動員支撐建造了“最美、最快的冰面”。而在2022年冬奧會的5個冰上運動場館中，有4個場館使用了這種可持續(xù)的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，分別是中國國家速滑館、首都體育館、首體短道速滑訓(xùn)練館和五棵松冰球訓(xùn)練館。

其中，專門為冬奧會興建的中國國家速滑館“冰絲帶”，承辦冰壺、冰球以及大道速滑項目的比賽，而改造后的首都體育館則承辦花樣滑冰和短道速滑。對于這兩個項目而言，優(yōu)質(zhì)的冰面有助于運動員取得更好成績，而獲得優(yōu)質(zhì)冰面除了需要制冰師具備高超技藝外，還有制冰系統(tǒng)所決定的冰面溫差均勻性和軟硬度均勻性，這是關(guān)鍵性基礎(chǔ)。

因此，制冰機成為人工冰場建設(shè)的關(guān)鍵核心。從歷屆冬奧會冰場制冰機來看，主要是采用氟利昂等人工合成制冷劑技術(shù)或者氨制冷技術(shù)，但前者具有嚴(yán)重的溫室效應(yīng)問題，后者則具有安全隱患。以二氧化碳為制冷劑、冰面下直接蒸發(fā)的制冰機技術(shù)在國際上一貫被認(rèn)為是一種綠色低碳、高效節(jié)能的方案，但該技術(shù)一直掌握在美歐等國家和地區(qū)企業(yè)手中。此次以綠色冬奧、科技冬奧為契機，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，歐悅冰雪投資管理（北京）有限公司、天津大學(xué)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)計和建造的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的二氧化碳跨臨界直冷制冰機組，首次亮相冬奧。

該方案從二氧化碳制冰系統(tǒng)壓縮、冷卻、節(jié)流和蒸發(fā)4個過程進(jìn)行節(jié)能設(shè)計：針對壓縮過程采用雙級壓縮讓源頭耗能實現(xiàn)“事半功倍”;針對冷卻過程設(shè)計全顯熱回收對冷卻熱量進(jìn)行回收，實現(xiàn)冰場澆冰、融雪等不同溫度熱水需求;針對蒸發(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。值得一提的是，該方案制冰機從關(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館冷卻回路長的工程問題。

此外，花樣滑冰和短道速滑兩個項目對冰面的冰層厚度和冰面溫度有不同的嚴(yán)格要求，需要根據(jù)賽程不斷進(jìn)行兩塊冰的快速轉(zhuǎn)換。項目組也充分利用了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(yuǎn)遠(yuǎn)少于國際奧委會3小時冰面轉(zhuǎn)換的要求。

雪——我國自主研發(fā)的人工降雪技術(shù)

滑雪競技項目使用的賽道幾乎全部需要依靠人工造雪技術(shù)。因為人工造雪時間可控，只要溫度低于0℃，造雪機就可以工作，擺脫了靠天吃飯的風(fēng)險。更重要的是，人工造雪可實現(xiàn)粒徑、含水量、硬度的改變，滿足不同比賽場地需求，適合大多數(shù)雪上比賽項目。而就在短短5年之前，中國還造不出一條合格的“冰狀雪”賽道。

2016年之前，我國人工造雪技術(shù)既不先進(jìn)，也不成熟，并被美、日、英等國家牢牢封鎖，甚至當(dāng)時國內(nèi)的很多專家都沒聽說過“冰狀雪”這個概念。

事實上，“冰狀雪”指的是滑雪場雪質(zhì)的一種形態(tài)，雪的密度很大，可達(dá)0.65g/cm3，主要用于減小賽道表面對于滑雪板的摩擦力。可以說，“冰狀雪”賽道就是高山滑雪項目的“塑膠跑道”。

然而事實上，人工造出“冰狀雪”的原理并不算復(fù)雜，一般是先將冷水結(jié)冰，再將冰切碎與空氣混合后噴出。具體方法是把壓縮后的空氣和低于5℃的冷水混合后一同壓入-25℃的蒸發(fā)器，冷水遇冷結(jié)冰，接著切削機將已成為特定形狀的冰塊切碎，隨著高速襲來的空氣噴出，這些細(xì)密的霧顆粒遇到戶外冷空氣迅速凝結(jié)成小冰晶，即常見的雪花。

既然如此，為何我國卻久久不能攻克滿足比賽條件的造雪技術(shù)呢？它的難點到底在哪里？

有效控制雪花大小，就是造雪技術(shù)的最大難點。如果造雪機噴出的雪花過大，極短時間內(nèi)雪花就會飄落到地面上，遇冷后甚至形成一層厚雪，等參賽選手一個個滑過后地面立即變得污濁不堪;如果噴出的雪花過于細(xì)小，就會比自然雪花松軟許多，選手滑過后就可能陷入其中，甚至造成人員傷害。這就要求造雪機噴出的細(xì)霧顆粒既不能太大，也不能太小，需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行大量實驗和實測。攻克人工造雪這一技術(shù)難題的是秦大河院士和王飛騰研究員及其團隊。他們經(jīng)過充分研究、反復(fù)實驗成功研制出了處于世界領(lǐng)先水平的造雪機。

傳統(tǒng)的造雪機是把凍冰切成長5mm、厚1～1.5mm的片狀冰，然后用空氣噴出。而我國的新型造雪機是利用高壓空氣先將水流擊打成細(xì)密的霧狀顆粒，并噴出。霧狀顆粒遇到戶外低溫冷空氣凝結(jié)成雪花。新型造雪機可生成9種不同類型的雪花，尺寸最小為0.3mm，最大為10mm，其中0.3mm的雪可鋪成自然狀態(tài)下的雪道。

（責(zé)編：關(guān)弋）