文章来源于：中国科普博览作者：吴韶飞&高鹏
2022年北京冬奥会冬残会结束了！
在各项高科技的加持下，赛场上多项纪录被打破。国家速滑馆“冰丝带”的冰，更被网友称为“破纪录的冰”。
“冰丝带”是亚洲建筑规模最大的速滑馆，有目前亚洲最大的冰面。值得关注的是，它的冰面采用二氧化碳直冷制冰，这也是全球首个采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷的冬奥速滑场馆。
国家速滑馆“冰丝带”内部（图片来源：新京报记者陶冉摄）Part.1
二氧化碳制冷：一举两得的制冷技术我们对于二氧化碳并不陌生，它有一个突出的物理特征：在加压和冷却的条件下可以变成液体，继续降低温度则会变成雪花状，再经过压缩处理极易形成干冰。压力降低后，干冰会迅速蒸发或升华，这个过程会带走大量的热，从而使环境温度降低，这便是二氧化碳制冷的原理。
大量排放二氧化碳造成的温室效应，给地球带来诸多不良影响。如果将大气中的二氧化碳作为一种安全、经济和环保的“自然”制冷剂实现高效制冷，可谓是一举两得：既能有效利用排放的二氧化碳去缓解温室效应，又能显著提升人工制冷的性能。
二氧化碳制冷有望将温室效应转变为舒适环境的示意图（图片来源：作者自制）二氧化碳制冷原理看着简单，但操作过程很难。具体而言，二氧化碳跨临界直冷制冰的整个过程需要压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、管路、阀门等。首先，通过压缩机来提升二氧化碳的压力至超临界状态。
接着，压缩机排出高温高压的二氧化碳流过气体冷却器来冷却其温度，放出的热量用于余热回收。
然后，二氧化碳制冷剂流过膨胀阀，在此过程中其压力迅速降低。
最后再通过蒸发器内二氧化碳的迅速蒸发，吸收周围环境热量，从而实现制冷或者制冰的效果。
二氧化碳制冷示意图（图片来源：作者自制）Part.2
制冷剂这么多，为什么要用二氧化碳制冷？在室内冰场制冷剂的选择上，二氧化碳并不是首选，早期人们曾大量采用氨或氟利昂作为制冷剂。但考虑到合成制冷剂对臭氧层有破坏且温室效应显著，如今已经被淘汰不再应用，而氨工质（工质指用来实现热能和机械能相互转换的媒介物质）应用于室内冰场具有一定的危险性。
与之相比，用二氧化碳制冷比较环保，碳排放趋近于零，“冰丝带”场馆内的4块主冰面在竞技时可减少约900吨二氧化碳排放。不仅如此，相比传统制冷技术，二氧化碳制冷效率高，可将能效提升20%以上，而且还能实现均匀制冷，冰面不同位置的温差基本控制在0.5℃以内，其硬度和平整度几乎一致而有利于滑行。
Part.3
制冷技术哪家强？“冰丝带”为何选择了它？选好制冷剂之后，就要考虑制冷技术了。目前的人工制冷技术主要有间接制冷技术和直接蒸发式制冷技术。
间接制冷技术指的是系统蒸发器产生的冷量不能直接被用户利用，而是需依靠传热载体通过输送、热交换设备才能达到制冷的目的。
而直接蒸发式制冷技术则是系统蒸发器直接与被冷却空间进行热交换以达到制冷的效果。
对于刚结束冰雪赛事的“冰丝带”而言，应该如何选择制冷技术呢？
（图片来源：北京日报）
无论间冷式还是直冷式，都要求冰面温度均匀性较高，两种方式所需的工质流量不同，因此耗电量成为两者的主要差别。相比之下，二氧化碳跨临界直冷制冰技术的优势便显露出来了。
首先，二氧化碳跨临界直冷制冰技术最显著的优势之一是温度均匀性极佳。尽管长距离流动时，不同位置的流量可能不同，但由于二氧化碳的黏度较小，其蒸发温度能够保证基本不变，因此冰场的温度极其均匀。
而在间冷式冰场中，载冷剂的放热温区较大，其管道进出口存在一定温差，一般能达到1.5℃-2℃。为保证冰场温度足够均匀，需要增大载冷剂的流量，当工质循环量约为直接蒸发式的十倍时，同样可以在极小温差（基本处于0.5℃以内）的情况下进行制冷，但循环泵的耗电量会大幅增加。
另外，二氧化碳作为低温制冷循环工质可在设备小型化、换热效率和维护保养上具有优势。
由于二氧化碳相比人工合成类制冷剂的分子量小，制冷能力大，可以减小压缩机尺寸，便于系统高效紧凑设计。
二氧化碳具有高密度和低粘度，其流动损失小，传热效果良好。
此外，二氧化碳容易满足设备的润滑条件，难以腐蚀制冷设备，能显著改善压缩机的密封性。
此外，跨临界循环的特点使得二氧化碳的“冷凝”过程可以在气体冷却器中冷却，减小了系统的传热损失。
通过高效回收余热的二氧化碳热泵系统，可回收超过60%的热量，并提供70℃的热水用于运动员的生活热水、融冰池融冰和冰面维护浇冰等能源需求。
综合以上优势，二氧化碳跨临界直冷制冰技术便成为了冬奥会“冰丝带”制冰的最佳选择。
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这项技术在“冰丝带”中终获完美应用别看冰丝带表面只有晶莹剔透的冰面，其实它就像个“三明治”，下面还有好几层，包括钢筋混凝土层、保温层、夯填砂层等。这种设计有利于冰面下端的保温隔热，也能实时调节地面各处的温度，保证冰层的厚度与温度的一致性。
典型人工冰场的地面结构图（图片来源：参考文献2）在采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的过程中，“冰丝带”使用智能控制系统，让二氧化碳制冷剂在冰面下的合金钢管中昼夜不停地进行气液相变蒸发。
多台二氧化碳压缩机同时工作，冰板层制冷管道内的低温二氧化碳与钢筋混凝土层进行换热，使温度逐步降到零下十几度。
然后再不断向冰板上洒水，即可冻结成每层几毫米的冰面，最后经过多轮制冰工序，冷冻成厚度为30mm的冰面，确保冰面良好的稳定性和温度的均匀性。
此外，冰丝带的冰面采用分模块控制单元，就像一个温度不同的“九宫格”，将冰面划分为若干区域。根据不同项目分区域、分标准进行制冰，可同时开展冰球、速度滑冰、花样滑冰、冰壶等群众性冰上运动，持续利用该冰面满足人们健身的多种需求。
另一个问题来了：制冷过程中不是产生了大量热量吗？都去哪儿了？
前面也提到过，制冷过程中产生的大部分余热会被回收，可用于运动员生活热水、冰场融冰、场馆除湿、空调采暖以及冰场底层防冻等工作，甚至还可供周边居民用热需求。
这样一来，一年可节省电量约1.8×10^6 kW·h，相当于550吨标准煤或上海360户家庭一年的用电量。
（上图来源：体育生活报；下图来源：青岛达能环保设备股份有限公司）先进的二氧化碳跨临界直冷制冰技术不仅在冬奥会中大放异彩，还能应用于食品冷冻/冷藏、汽车空调、热泵系统等更多的领域中，有望成为加速实现“双碳”目标的前瞻性技术，为创造人类的美好未来贡献更大的力量。
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制作：吴韶飞（上海交通大学制冷与低温工程研究所）、高鹏（上海理工大学制冷与低温工程研究所）
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编辑：紫苏
