技術(shù)“克隆”自然的冰雪奇緣

鄭茂典 段永利

一支支中國冰雪制造“天團(tuán)”，鐫刻著冬奧會(huì)的“靈魂”，不僅要確保場館每一寸冰面光潔平整、溫度均衡，而且還要達(dá)到綠色低碳的環(huán)保效果，真正實(shí)現(xiàn)了綠色“用雪自由”。

冰雪是冬奧會(huì)的靈魂。

從遠(yuǎn)古洪荒鴻蒙初辟到當(dāng)下人類追求綠色生活，在這一漫長歷史過程中，人類文明大抵盤桓于溽熱暖潤的熱帶溫帶地區(qū)，而冰雪運(yùn)動(dòng)，也生動(dòng)地體現(xiàn)出地理和經(jīng)濟(jì)條件對(duì)全民參與形成的決定性意義。

天遂人愿是一種祝福，天不遂人愿是每個(gè)人都需要面對(duì)的現(xiàn)實(shí)，一場被溫度限定的奧運(yùn)盛會(huì)，最大的問題莫過于想冷時(shí)太暖，愿熱時(shí)太冷。

1980年之前，由于技術(shù)落后，冬奧會(huì)期間如遇突發(fā)情況影響比賽，人們只能望天長嘆，但是到了1980年普萊西德湖冬奧會(huì)之后，這種情況就有了一定的改觀。

1980年的普萊西德湖冬奧會(huì)由于降雪量不足，美國首次使用了人工造雪機(jī)，自此冬奧會(huì)完全“靠天吃飯”的局面有所緩解。1988年加拿大卡爾加里冬奧會(huì)又一次面臨著冬季無雪的難題，該國花費(fèi)近400萬美元購得人工造雪機(jī)，并在所造的白雪中加入了一種類似酵母的細(xì)菌，使得人工造出來的雪花更白、更大、更結(jié)實(shí)，在暖風(fēng)的吹拂下也能夠保持原形。這屆冬季奧運(yùn)會(huì)也因此被稱作“人工造雪冬奧會(huì)”;2014年的索契奧運(yùn)會(huì)也面臨無雪難題，俄羅斯在賽場附近修建了大型的儲(chǔ)雪設(shè)施，儲(chǔ)存了大量的雪花，光這一項(xiàng)就花費(fèi)了將近4000多萬人民幣。

18個(gè)月 ?潛心謀劃

造雪不難，但是造出好雪很難。

中國冰雪科研起步較晚，舉辦國際高水平冰雪賽事可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)也較少，賽道雪的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直掌握在國外技術(shù)團(tuán)隊(duì)手中。為此，一支支中國冰雪制造“天團(tuán)”，鐫刻著冬奧會(huì)的“靈魂”，不僅要確保場館每一寸冰面光潔平整、溫度均衡，而且還要達(dá)到綠色低碳的環(huán)保效果，真正實(shí)現(xiàn)了綠色“用雪自由”，這個(gè)任務(wù)難上加難。

“我們冰雪團(tuán)隊(duì)的工作就是為冬奧場館制冰和造雪，承擔(dān)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(tǒng)的設(shè)計(jì)工作”，中糧工科冬奧項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人王斌介紹，在設(shè)計(jì)國家速滑館制冷系統(tǒng)之前，大家就論證采用何種制冷工質(zhì)和制冷技術(shù)話題。為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)梳理了從1988年加拿大卡爾加里冬奧會(huì)到2018年韓國平昌冬奧會(huì)之間8屆冬奧會(huì)速滑館所采用的制冷方案。

中糧工科有68年的歷史，而他旗下的華商國際工程有限公司依托于優(yōu)質(zhì)平臺(tái)和多年的技術(shù)積累，在冰雪制冷領(lǐng)域有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，從2017年年初開始，王斌和團(tuán)隊(duì)就參與到五大冬奧核心場館制冰造雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造中。

一開始，很多人支持采用氟利昂制冷劑，因其技術(shù)成熟，實(shí)施難度可把控，但其環(huán)保性差，且能耗消耗較大。

經(jīng)過將近18個(gè)月的比選，團(tuán)隊(duì)研究了歷屆冬奧會(huì)的場館制冷系統(tǒng)的利弊，結(jié)合北京冬奧場館建設(shè)秉持綠色和可持續(xù)發(fā)展的理念，又比對(duì)了目前市面上常見的各種制冷劑，經(jīng)多方面綜合考慮，最終在業(yè)主和專家的支持下確定采用二氧化碳跨臨界直接制冷方式。

早在1869年，人類就建造出了用二氧化碳作為制冷劑的制冰機(jī)。20世紀(jì)40年代，“氟利昂”逐步取代了二氧化碳的制冷劑地位。近二三十年來，鑒于氟利昂會(huì)破壞臭氧層，導(dǎo)致全球變暖，二氧化碳開始重獲青睞。

“項(xiàng)目的難點(diǎn)還在于國內(nèi)外實(shí)行的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，需要組織國內(nèi)外專家反復(fù)論證，在此過程中我們需要進(jìn)行不斷的科學(xué)論證、取長補(bǔ)短?！敝屑Z工科冰雪團(tuán)隊(duì)副總監(jiān)，國家雪車雪橇中心制冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人李坤說。

與前幾屆冬奧會(huì)場館普遍采用氟利昂制冷+乙二醇載冷的制冰系統(tǒng)不同的是，2022年北京冬奧會(huì)要新建、改建7座冰上場館、共9塊冰面，均使用環(huán)保型制冷系統(tǒng)和制冷劑，最終決定其中5塊冰面使用二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)。

1.2萬平方米 ?鍛造絲滑

國家速滑館“冰絲帶”擁有亞洲最大的全冰面設(shè)計(jì)，面積達(dá)1.2萬平方米。2022年北京冬奧會(huì)期間，14塊金牌在這里誕生。

速度滑冰，運(yùn)動(dòng)員的速度至少在每小時(shí)40公里以上，最快的速度可以達(dá)到每小時(shí)60公里甚至更高。冰面上若有一絲一毫瑕疵，都可能對(duì)運(yùn)動(dòng)員的發(fā)揮產(chǎn)生影響甚至傷害。這就要求每一寸冰面光潔平整、溫度均衡。而要做到這點(diǎn)，背后的制冰系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。

在世界上首次應(yīng)用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)的“冰絲帶”，表面晶瑩剔透，其實(shí)整個(gè)制冰系統(tǒng)像“三明治”，冰面下還有鋼筋混凝土層、保溫層、防水層、夯填砂層等。這種設(shè)計(jì)不僅利于冰面下端的保溫隔熱，還能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)地面溫度，保證冰層厚度與溫度的一致性，助力運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮出更佳水平。

在采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)的過程中，“冰絲帶”使用智能控制系統(tǒng)，讓二氧化碳制冷劑在冰面下的合金鋼管中晝夜不停地進(jìn)行氣液相變蒸發(fā)。多臺(tái)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)同時(shí)工作，冰板層制冷管道內(nèi)的低溫二氧化碳與鋼筋混凝土層進(jìn)行換熱，使溫度逐步降到零下十幾度。然后再不斷向冰板上灑水，即可凍結(jié)成每層幾毫米的冰面，最后經(jīng)過多輪制冰工序，冷凍成厚度為30毫米的冰面，確保冰面良好的穩(wěn)定性和溫度的均勻性。

此外，“冰絲帶”的冰面采用分模塊控制單元，就像溫度不一的“九宮格”，將冰面劃分為若干區(qū)域，根據(jù)不同項(xiàng)目分區(qū)域、分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制冰，可同時(shí)開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等多項(xiàng)冰上運(yùn)動(dòng)。

以冰溫來說，花樣滑冰一般要求冰面溫度為-3.5℃，這樣冰面比較軟，運(yùn)動(dòng)員在空中旋轉(zhuǎn)三周或四周后，落冰的沖擊力不至于太大;短道速滑通常則要求冰面溫度為-6.7℃至-7℃，冰面相對(duì)硬一些。太軟，不利于冰刀抓地;太硬，冰面又比較脆。

二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)同樣應(yīng)用在首都體育館。由于承辦兩種不同的賽事，整個(gè)冬奧會(huì)期間，首都體育館的冰場需要進(jìn)行30次轉(zhuǎn)換，以滿足花樣滑冰和短道速滑兩種比賽項(xiàng)目的不同需求。最急迫時(shí)，兩個(gè)賽事之間只有3個(gè)小時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。采用這項(xiàng)技術(shù)后，再結(jié)合精準(zhǔn)控制系統(tǒng)和線性降溫策略，可實(shí)現(xiàn)2小時(shí)內(nèi)完成快速、高效的冰面轉(zhuǎn)換。這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國際奧委會(huì)3小時(shí)冰面轉(zhuǎn)換的時(shí)間要求。

0.65克 ?蓋上“雪棉被”

高山滑雪項(xiàng)目被譽(yù)為“冬奧會(huì)皇冠上的明珠”，運(yùn)動(dòng)員賽程平均時(shí)速約為每小時(shí)130至140公里，最高滑行速度可達(dá)每小時(shí)248公里，因此賽道必須光滑而堅(jiān)硬。而“冰狀雪”的制造是鑄造這一明珠的基石。

天然雪的雪質(zhì)主要有冰狀雪、粉狀雪、漿狀雪等，不同的溫度和光照都會(huì)影響雪的質(zhì)地。何謂“冰狀雪”？清晨氣溫較低，雪的凝固程度高，水的密度較大，雪質(zhì)偏硬，其表面有一層薄的硬冰殼，人站在上面就會(huì)打滑，這種雪質(zhì)狀態(tài)就是冰狀雪。冰狀雪鋪就的賽道可以減少賽道表面與滑雪板之間的摩擦，很適合高速滑行——相當(dāng)于高山滑雪比賽等項(xiàng)目的“高速公路”。

天然雪雪質(zhì)難以控制，冰雪運(yùn)動(dòng)賽道不得不采用人工造雪的方式來搭建。冰狀雪賽道分為兩種，即競速冰雪賽道和競技冰雪賽道，兩種冰雪賽道的制作過程都充滿了挑戰(zhàn)。北京屬大陸季風(fēng)性氣候，冬春之交很可能出現(xiàn)沙塵暴、雨夾雪等極端天氣，更增加了賽道制作的難度。2017年，在中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室名譽(yù)主任秦大河的帶領(lǐng)下，中國正式組建北京冬奧會(huì)賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān)。

造雪機(jī)造出來的雪密度通常在每立方厘米0.1克至0.4克，而冰狀雪密度需要達(dá)到每立方厘米0.65克，若大于這個(gè)密度，雪就會(huì)變成冰。冰狀雪的制作過程看似簡單，但雪鋪多厚、注水需間隔多長時(shí)間等具體參數(shù)都需要摸索。

過去，通常是依靠雪上巡視員觀察來預(yù)測賽道雪質(zhì)情況，這不僅耗時(shí)耗力而且還不夠精確。為攻克這一難關(guān)，秦大河科研團(tuán)隊(duì)在北京冬奧會(huì)張家口賽區(qū)云頂滑雪公園建立起密集的氣象觀測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合雪道雪質(zhì)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用雪質(zhì)監(jiān)測和預(yù)報(bào)技術(shù)，構(gòu)建起賽道雪質(zhì)等級(jí)判別模型。

2019年至2021年，在北京冬奧會(huì)組委會(huì)協(xié)調(diào)下，經(jīng)過成百上千次的現(xiàn)場試驗(yàn)，科研團(tuán)隊(duì)在分析大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，最終確定了最適合當(dāng)?shù)氐谋鶢钛┵惖乐谱鞣桨浮?/p>

經(jīng)過不斷技術(shù)攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)不僅掌握了開展不同氣候條件下屬地化的冰狀雪賽道制作技術(shù)，還研發(fā)了冰狀雪賽道專業(yè)監(jiān)測設(shè)備以及高效儲(chǔ)雪技術(shù)。他們根據(jù)不同的氣象條件，結(jié)合太陽光照射率等參數(shù)，通過反復(fù)試驗(yàn)后，選出經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性最好的方案為積雪“蓋被子”，以應(yīng)對(duì)突發(fā)天氣變化。

5年多時(shí)間踏雪筑夢(mèng)，科技工作者不僅成功研制出符合北京大陸性季風(fēng)氣候的“冰狀雪賽道”，還研發(fā)出高效儲(chǔ)雪技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了綠色“用雪自由”。確保冬奧會(huì)用冰用雪實(shí)現(xiàn)“自力更生”，為參與北京冬奧會(huì)的國內(nèi)外選手們呈現(xiàn)最完美的冰雪體驗(yàn)。

200萬度電 ?綠色向未來

作為我國提出“雙碳”目標(biāo)之后舉辦的重大標(biāo)志性活動(dòng)，北京冬奧會(huì)將“綠色辦奧”理念落實(shí)到籌辦全過程，而這一過程，其實(shí)就是綠色技術(shù)不斷進(jìn)步的應(yīng)用過程。

為落實(shí)“綠色辦奧”理念，研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)冬奧場館制冷系統(tǒng)時(shí)，除考慮制冷劑要綠色環(huán)保外，還需要考慮制冷系統(tǒng)長期運(yùn)行的低能耗要求，兼顧環(huán)境友好、低碳節(jié)能和穩(wěn)定可靠。

考慮到二氧化碳系統(tǒng)未來的長期運(yùn)行能耗優(yōu)勢，中糧工科冰雪團(tuán)隊(duì)采用直冷系統(tǒng)，避免載冷劑系統(tǒng)的二次換熱，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高，系統(tǒng)能效提高。而且制冷過程中產(chǎn)生大量高品質(zhì)余熱通過冷熱聯(lián)供一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行回收后，可提供70℃熱水用于場館的生活熱水、冰面維護(hù)澆冰、除濕等場景，通過數(shù)據(jù)比對(duì)，這一舉措大大降低了場館運(yùn)營能耗。

國家速滑館應(yīng)用天然制冷劑打造綠色制冰技術(shù)，相比傳統(tǒng)制冷技術(shù)，“冰絲帶”在競技時(shí)可減少約900噸二氧化碳排放，有效緩解溫室效應(yīng)，綜合能效可提升20%以上，場館一年可節(jié)省電量約200萬度，且能實(shí)現(xiàn)均勻冰面溫度均勻，一舉三得。在提升冬奧場館綠色品質(zhì)的同時(shí)，助力“碳達(dá)峰”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

此外，研究團(tuán)隊(duì)采用智能化造雪系統(tǒng)，優(yōu)先利用收集儲(chǔ)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，將造雪用水輸送至賽區(qū)內(nèi)的蓄水池蓄存，再由三級(jí)泵站將水注入雪道造雪系統(tǒng)。同時(shí)，國家高山滑雪中心還建設(shè)了完善的融雪水、雨水回收利用系統(tǒng)，雪融化后通過排水渠收集匯流，再流入佛峪口水庫下游，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用;并在局部區(qū)域設(shè)置防風(fēng)柵欄，提高造雪用水利用率和造雪效率，最大程度節(jié)約水資源。

中國的二氧化碳制冰技術(shù)得到了國際奧委會(huì)和相關(guān)國際專家的充分認(rèn)可，亞瑟·蘇瑟蘭德是國際奧委會(huì)制冰工程顧問，也是北京冬奧組委特聘專家，他認(rèn)為相較于傳統(tǒng)制冰劑，二氧化碳制冰劑是一種非常高效率的熱轉(zhuǎn)換制冰劑，且本身無毒無害;同時(shí)，這種制冰劑的熱恢復(fù)能力潛質(zhì)非常大，可以將整個(gè)冰場的熱從一個(gè)地方傳導(dǎo)到另外一個(gè)地方，使整個(gè)冰場各個(gè)區(qū)域的溫度較為平均，從而也有利于運(yùn)動(dòng)員水平的發(fā)揮。蘇瑟蘭德認(rèn)定二氧化碳制冰劑將成為未來更多國家的選擇。

科技與美感兼具的冬奧場館，無論在賽時(shí)還是賽后，年輪改變，角色不變，都將成為世人矚目的技術(shù)名片和運(yùn)動(dòng)地標(biāo)。