北京冬奧會(huì)：探索科技應(yīng)用示范新模式的實(shí)踐

文/劉榮霞 袁燕軍 童愛香

北京2022年冬奧會(huì)是第一屆從申辦到籌辦全面落實(shí)《奧林匹克2020議程》可持續(xù)性要求的奧運(yùn)會(huì)。國(guó)際奧委會(huì)主席巴赫表示：“北京2022年冬奧會(huì)作為第一屆完全受益于此項(xiàng)改革的奧運(yùn)會(huì)，將樹立新標(biāo)桿?！笨萍疾繒?huì)同北京冬奧組委，北京市、河北省等部門，在“科技冬奧（2022）行動(dòng)計(jì)劃”中深入貫徹綠色辦奧理念、全面落實(shí)《北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)可持續(xù)性計(jì)劃》，在環(huán)境、能源、場(chǎng)館、交通等方面部署了一批研發(fā)任務(wù)，集中突破了一批關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)化了一批綠色低碳技術(shù)，積極探索科技應(yīng)用示范的新模式，為冬奧舉辦城市和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供創(chuàng)新動(dòng)力，促進(jìn)了奧林匹克運(yùn)動(dòng)與城市和區(qū)域發(fā)展的良性互動(dòng)。

頂層設(shè)計(jì)理念先行，全面支撐綠色辦奧

2016年，科技部堅(jiān)持理念先行，加強(qiáng)與北京冬奧組委、賽區(qū)業(yè)主單位等需求部門的對(duì)接，完善頂層設(shè)計(jì)，編制“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案，從四個(gè)方面落實(shí)綠色辦奧理念。

一是以清潔、可再生能源為基礎(chǔ)，打造低碳供能示范區(qū)。圍繞奧運(yùn)專區(qū)能源系統(tǒng)建設(shè)，攻克清潔、可再生能源供能核心關(guān)鍵技術(shù)，開展一批示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電量完全滿足冬奧會(huì)舉辦所需能耗，實(shí)現(xiàn)低碳冬奧會(huì)。

二是以綠色、低碳技術(shù)為支撐，建成智慧的綠色出行奧運(yùn)工程。圍繞北京冬奧會(huì)“兩地三賽區(qū)”的交通出行需求，推行“一張票”智能出行方案，建設(shè)京張高鐵智慧化服務(wù)、氫能出行等交通示范性工程，有力支撐履行“全部使用清潔能源汽車”的申辦承諾。

三是以生態(tài)文明、減排、可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，構(gòu)建大型活動(dòng)低碳場(chǎng)館新樣板。圍繞奧運(yùn)場(chǎng)館、賽道和奧運(yùn)村建設(shè)中生態(tài)文明和綠色低碳需求，強(qiáng)化技術(shù)研發(fā)和現(xiàn)有科技成果集成應(yīng)用，同步實(shí)現(xiàn)有效控制場(chǎng)館建筑溫室氣體排放、做好賽區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、提升生態(tài)碳匯能力。

四是以科學(xué)、動(dòng)態(tài)、可量化的低碳冬奧評(píng)價(jià)體系為核心，提升全社會(huì)碳管理能力。圍繞低碳冬奧會(huì)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，研發(fā)大型賽事活動(dòng)碳排放核算、動(dòng)態(tài)評(píng)估和實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，有效提升冬奧會(huì)參與單位、組織和個(gè)人的碳管理能力。

科技賦能北京冬奧場(chǎng)館實(shí)現(xiàn)100%綠電供應(yīng)

建成了世界首條風(fēng)光互補(bǔ)500千伏柔性直流電網(wǎng)工程，創(chuàng)新性地將張北地區(qū)的綠色清潔電能引入北京，滿足北京冬奧會(huì)測(cè)試賽和正式比賽用電需要并提供可再生能源保障，冬奧會(huì)場(chǎng)館的照明、運(yùn)行和交通等用電需求由張家口的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電滿足，使北京冬奧會(huì)成為奧運(yùn)歷史上第一個(gè)100%使用綠色清潔能源的冬奧會(huì)。該工程采用我國(guó)原創(chuàng)、領(lǐng)先世界的柔性直流電網(wǎng)新技術(shù)，創(chuàng)造了“第一個(gè)真正具有網(wǎng)絡(luò)特性的直流電網(wǎng)”“第一個(gè)實(shí)現(xiàn)風(fēng)、光和儲(chǔ)能多能互補(bǔ)的直流電網(wǎng)”等12項(xiàng)世界之最，為破解新能源大規(guī)模開發(fā)利用世界級(jí)難題提供了解決思路。該工程將大幅提升北京地區(qū)清潔能源消費(fèi)比重，每年可向北京等地區(qū)輸送清潔電量約225億千瓦時(shí)，約占目前北京市全年社會(huì)用電量的1/10，折合標(biāo)煤780萬(wàn)噸、減排二氧化碳2040萬(wàn)噸。

科技冬奧研制的清潔電力高可靠供應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了為冬奧賽區(qū)提供99.999%高可靠性供電。供電可靠率是衡量電網(wǎng)質(zhì)量最“硬核”的標(biāo)準(zhǔn)，99.999%意味著平均每個(gè)電力用戶全年的停電時(shí)間不超過(guò)5分鐘?？萍级瑠W研發(fā)的冬奧配網(wǎng)智慧運(yùn)維保障平臺(tái)、二次設(shè)備狀態(tài)智慧全景感知與智能運(yùn)維系統(tǒng)等基于智慧全景感知的供電保障技術(shù)，覆蓋了張家口崇禮冬奧核心區(qū)電網(wǎng)，為崇禮賽區(qū)供電的統(tǒng)一調(diào)配與應(yīng)急保障提供有力支撐。目前，世界發(fā)達(dá)國(guó)家主要城市的供電可靠率為99.99%左右，僅東京、新加坡等少數(shù)城市達(dá)到或超過(guò)99.999%水平。在崇禮高寒、高海拔環(huán)境下，將供電可靠性從99.99%提升到99.999%，需要堅(jiān)強(qiáng)可靠的電網(wǎng)網(wǎng)架、先進(jìn)的配電自動(dòng)化系統(tǒng)和完善的可靠性保障體系共同作用，科研攻關(guān)難度超過(guò)一般的城市。

創(chuàng)新支撐構(gòu)建低碳交通服務(wù)體系

在京禮高速、京張高鐵等賽時(shí)重點(diǎn)交通線路上，應(yīng)用清能汽車、智能交通管理等技術(shù)，構(gòu)建低碳交通服務(wù)體系，提升“兩地三賽區(qū)”交通智慧化管理水平。

交通出行碳排放量占總排放的15%，是冬奧會(huì)碳中和技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景。北京冬奧組委制定了“北京賽區(qū)內(nèi)，主要使用純電動(dòng)、天然氣車輛；延慶和張家口賽區(qū)內(nèi)，主要使用氫燃料車輛”的配置原則，節(jié)能與清潔能源車輛在小客車中占比100%，為歷屆冬奧會(huì)最高。圍繞“氫能出行”任務(wù)，科技冬奧通過(guò)氫氣“制、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用”全鏈條關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，突破了極寒環(huán)境、高原陡坡、快速暖機(jī)、長(zhǎng)續(xù)航等一系列燃料電池客車及加氫站等關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用示范，研制的“100%國(guó)產(chǎn)、100%綠氫、100%零碳”氫燃料電池客車可實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高寒、高海拔陡坡等特殊服務(wù)場(chǎng)景下的低碳、安全運(yùn)營(yíng)。冬奧會(huì)期間212輛氫燃料電池客車投入使用，實(shí)現(xiàn)0.28升/千米·輛的節(jié)油效率，總節(jié)油量約9.6噸，總碳減排量約30噸，支撐冬奧綠色出行。

科技冬奧搭建的“交通資源管理系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了賽時(shí)交通服務(wù)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控、車輛調(diào)度、數(shù)據(jù)分析等功能，加快交通疏導(dǎo)速度，及時(shí)推送服務(wù)班車班次信息，提前做好行程規(guī)劃，提高交通服務(wù)的精準(zhǔn)度，進(jìn)一步提高交通運(yùn)輸效率，降低能耗水平。

作為北京冬奧會(huì)的配套工程，京張高鐵線路全長(zhǎng)174公里，最高設(shè)計(jì)時(shí)速350公里，張家口至北京最快運(yùn)行時(shí)間由之前的3小時(shí)7分鐘壓縮至47分鐘?？萍级瑠W在“京張高鐵智能化服務(wù)”項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施中，重點(diǎn)突出“智能”“綠色”元素。車站利用“智能大腦”系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控分散在車站各處的設(shè)備運(yùn)行情況，同時(shí)根據(jù)車站客流變化，對(duì)照明、空調(diào)等設(shè)施按需調(diào)控，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗。該動(dòng)車組不僅可以抵抗零下40℃的嚴(yán)寒，列車搭建的高鐵5G超高清演播室，以輕量化、移動(dòng)化、全I(xiàn)P技術(shù)為特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間、高速移動(dòng)下節(jié)目的穩(wěn)定傳輸，是全球首次在350公里時(shí)速高鐵列車上的超高清直播。

科技冬奧打造綠色低碳場(chǎng)館示范

國(guó)家速滑館采用二氧化碳綠色制冰技術(shù)，碳排放接近于零（國(guó)家速滑館智慧場(chǎng)館建設(shè)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用項(xiàng)目組 供圖）

北京冬奧會(huì)優(yōu)先利用現(xiàn)有場(chǎng)館，通過(guò)智能技術(shù)、綠色和可重復(fù)利用材料進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)奧運(yùn)場(chǎng)館的夏冬快速轉(zhuǎn)換和四季持續(xù)利用。

國(guó)家游泳中心搭建了可移動(dòng)、可轉(zhuǎn)換支持場(chǎng)地結(jié)構(gòu)，應(yīng)用裝配式快速拆裝技術(shù)和調(diào)平動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，“水立方”在保留水上功能基礎(chǔ)上變身冬奧會(huì)冰壺和輪椅冰壺場(chǎng)館，創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)“水冰轉(zhuǎn)換”，成為世界上首個(gè)在泳池上架設(shè)冰壺賽道的奧運(yùn)競(jìng)賽場(chǎng)館，在科技的加持下，“水立方”變身“冰立方”。同時(shí)，場(chǎng)館內(nèi)依靠智慧控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制溫度、濕度、PM2.5濃度等方面的數(shù)據(jù)變化，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館內(nèi)“同室不同溫”。

五棵松體育館通過(guò)提前制冰，鋪設(shè)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的冰面，在冰面上鋪設(shè)一層隔絕溫度、濕度的“冰被”，即可6小時(shí)完成籃球比賽的場(chǎng)地布置。籃球賽結(jié)束之后6個(gè)小時(shí)，經(jīng)“冰被”拆除、擋板設(shè)置等轉(zhuǎn)換工作，即可變成一塊標(biāo)準(zhǔn)的冰球比賽用地。

國(guó)家體育場(chǎng)基于數(shù)字孿生技術(shù)、5G、人工智能技術(shù)推動(dòng)多源數(shù)據(jù)的融合，以鳥巢建筑本體為中心，分別建設(shè)建筑本體、毗鄰區(qū)域、周邊路網(wǎng)三個(gè)維度，將建筑的空間、數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化控制、智能決策等功能實(shí)時(shí)標(biāo)定在孿生模型上，打造以數(shù)字孿生為統(tǒng)一可視化平臺(tái)的智能建筑集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)館的可感、可視、可控、可決策。

首都體育館采用更加節(jié)能、清潔的二氧化碳制冰系統(tǒng)，照明系統(tǒng)全部更換為節(jié)能型高效光源及燈具，建立能源監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)館機(jī)電運(yùn)行參數(shù)實(shí)行精細(xì)調(diào)節(jié)，降低場(chǎng)館運(yùn)維整體能耗。通過(guò)先進(jìn)的制冷技術(shù)，快速改變冰面溫度，使得在同一個(gè)場(chǎng)館、同一塊冰面上舉辦兩項(xiàng)賽事成為可能。

一是制定綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)量建設(shè)低碳場(chǎng)館。所有新建冰上場(chǎng)館和非競(jìng)賽場(chǎng)館按照國(guó)家綠色建筑三星標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，新建雪上場(chǎng)館按照新制定的《綠色雪上運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。目前，國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心、國(guó)家越野滑雪中心、國(guó)家冬季兩項(xiàng)中心、云頂滑雪公園4個(gè)競(jìng)賽場(chǎng)館，均獲得綠色雪上運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館三星級(jí)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)。在所有新建場(chǎng)館建設(shè)能源管控中心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電、氣、水、熱力的消耗情況，提升場(chǎng)館運(yùn)行能耗和碳排放智能化管理水平。通過(guò)各項(xiàng)場(chǎng)館建設(shè)的減排措施，建設(shè)期實(shí)現(xiàn)減排5.9萬(wàn)噸二氧化碳。

二是充分利用可再生資源，建設(shè)低能耗場(chǎng)館。國(guó)家速滑館屋面從建筑結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)出發(fā)，采用國(guó)內(nèi)最大跨度的單層雙向正交馬鞍形屋面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，屋面重量?jī)H有傳統(tǒng)屋頂?shù)?/4，極大地節(jié)約了材料；研發(fā)的復(fù)雜曲面玻璃幕墻平曲玻璃耦合方法，節(jié)省周圍幕墻玻璃面積約4800平方米，相當(dāng)于減排320噸二氧化碳，節(jié)約用電106470千瓦時(shí)，相當(dāng)于減排106噸二氧化碳。張家口冬奧村采用了鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)同等功能的前提下，有效節(jié)約了建筑材料；冬奧村還運(yùn)用大數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)地運(yùn)營(yíng)階段的環(huán)境、生態(tài)、能源消耗等進(jìn)行精細(xì)化管理，有效降低了碳排放。

三是打造海綿賽區(qū)，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用。張家口賽區(qū)競(jìng)賽場(chǎng)館全部設(shè)計(jì)建造了雨水、地表水、融雪水收集系統(tǒng)，共建設(shè)53萬(wàn)立方米的蓄水池，實(shí)現(xiàn)了夏季綠化灌溉、冬季造雪的雙利用模式，降低了跨區(qū)域調(diào)水需求。同時(shí)采用節(jié)水環(huán)保型造雪設(shè)備，節(jié)水量達(dá)到20%。

國(guó)家速滑館、五棵松冰上訓(xùn)練中心、首都體育館主館及短道速滑訓(xùn)練館、五棵松冰球訓(xùn)練館都采用了二氧化碳跨臨界直接制冷技術(shù)，碳排放量接近于零。以國(guó)家速滑館為例，研發(fā)速滑館大規(guī)模二氧化碳跨臨界制冰技術(shù)，建成全世界最大12000平方米的二氧化碳跨臨界直接蒸發(fā)制冷冰面，制冰部分碳排放趨于零，不僅能夠?yàn)槎瑠W比賽提供溫度高度均衡的冰面，而且相比傳統(tǒng)技術(shù)能效提升20%以上；研制的冷凝熱回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)回收率高達(dá)86%，估計(jì)年節(jié)約180萬(wàn)千瓦時(shí)電，減排約1795噸二氧化碳。

北京冬奧會(huì)的重點(diǎn)場(chǎng)館設(shè)施建設(shè)堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，實(shí)施生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最大限度降低對(duì)賽區(qū)周邊生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)。云頂滑雪公園充分考慮原有山形地貌特點(diǎn)，U形槽、坡面障礙技巧、平行大回轉(zhuǎn)、障礙追逐賽道為原有雪道改建，在改建過(guò)程中，基本實(shí)現(xiàn)土石方挖填平衡，不僅減少了對(duì)原有地形地貌的改變，也減少了土方量。國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心采用局部山體切削面精細(xì)爆破成型優(yōu)化技術(shù)、局部山體切削面生態(tài)再造格賓支護(hù)技術(shù)，使巖體利用率高達(dá)95%，對(duì)切削后的碎石和土壤進(jìn)行篩選，組合填充到格賓網(wǎng)箱中，形成支護(hù)體系，再種植合適的植被，不僅解決爆破石方量大、施工環(huán)境復(fù)雜、工期緊的難題，還實(shí)現(xiàn)了在崇禮嚴(yán)寒條件下節(jié)省工期1/3和生態(tài)保護(hù)的目標(biāo)。國(guó)家高山滑雪中心吸收民間“干欄式”建筑特點(diǎn)，將鋼結(jié)構(gòu)以點(diǎn)狀支撐方式在山體建設(shè)架空平臺(tái)，不僅體現(xiàn)“環(huán)境弱介入”特點(diǎn)，還提高了工程效率和質(zhì)量。

新技術(shù)的應(yīng)用和支撐，為北京冬奧會(huì)踐行綠色辦奧理念打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。作為北京冬奧組委辦公區(qū)和滑雪大跳臺(tái)場(chǎng)館所在地，首鋼老工業(yè)區(qū)從荒廢的工業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)更新改造。張家口市加速推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，發(fā)展冰雪旅游等相關(guān)產(chǎn)業(yè)，大幅改善了欠發(fā)達(dá)地區(qū)的落后面貌，60.21萬(wàn)建檔立卡貧困人口脫貧。延慶區(qū)以提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為主要措施，改善交通基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)綠色產(chǎn)業(yè)集聚，形成區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的持續(xù)動(dòng)力。

北京2022年冬奧會(huì)不僅是一屆簡(jiǎn)約、安全、精彩的奧運(yùn)盛會(huì)，也將在冬奧的牽引下，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。在科技冬奧成果的示范帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)奧運(yùn)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展有機(jī)結(jié)合，借助冬奧會(huì)品牌效應(yīng)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著北京冬奧會(huì)冰雪理念的普及，冰雪運(yùn)動(dòng)發(fā)展政策環(huán)境將不斷優(yōu)化，各類群眾性冰雪活動(dòng)廣泛開展，場(chǎng)地設(shè)施將逐步完善，冰雪運(yùn)動(dòng)競(jìng)技水平穩(wěn)步提升，對(duì)中國(guó)冰雪體育運(yùn)動(dòng)和冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)重要機(jī)遇。延慶區(qū)和張家口市兩地，也將結(jié)合場(chǎng)館的賽后可持續(xù)利用，依托配套基礎(chǔ)設(shè)施等區(qū)域資源，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，促進(jìn)人才、資本和技術(shù)等生產(chǎn)要素在京張兩地之間流動(dòng)，助力京津冀協(xié)同發(fā)展。

氫燃料電池汽車應(yīng)用情況（“氫能出行”關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范項(xiàng)目組 供圖）