北京冬奥会的脚步渐行渐近，截至目前，北京赛区15块冰面已全部完成场地建设。据了解，首都体育馆已成功制出北京冬奥会首块由二氧化碳跨临界直冷制冰技术制出的冰面。二氧化碳跨临界直冷制冰技术是当前冬季运动场馆最先进的制冰技术之一，将在北京冬奥会进行大规模应用。

△图片来源:中新网

二氧化碳在制冷领域并非“新贵”。事实上由于其简单易得、价格低廉，早在100多年前，欧洲刚出现蒸气压缩式制冷技术时，二氧化碳就被作为制冷剂使用。但随着人工合成制冷剂技术的发展，二氧化碳逐渐被临界温度高、易液化的人工合成制冷剂氟利昂所取代。到了上世纪七八十年代，各国开始意识到臭氧层破坏和温室效应两大环境问题与人工合成制冷剂有关，纷纷开始停止其使用。

天津大学机械工程学院教授 马一太：根据1987年国际社会签订的《蒙特利尔议定书》，我国在2010年前，已经淘汰了对臭氧层有严重破坏力的制冷剂，有代表性的是氟利昂R12；到2030年，我国还将淘汰对臭氧层有轻微破坏力的制冷剂，有代表性的是氟利昂R22。

由于人工合成制冷剂存在种种弊端，使得二氧化碳这一“元老级”制冷剂又重回人们视野。

天津大学机械工程学院教授 马一太：二氧化碳作为大气的组成成分之一，不会对臭氧层产生破坏。二氧化碳虽是温室气体，但温室效应远低于其他人工合成制冷剂。

正是由于二氧化碳制冷的这一环保属性，此次冬奥会北京赛区的15块冰面中将有7块采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术。这使得北京2022年冬奥会将成为历史上首次大规模使用二氧化碳制冷剂的奥运会。

小到家用冰箱，大到商业冷库，所有制冷活动的核心都是制冷机。制冷机主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器4个部分组成，其中的关键物质就是制冷剂，不同的制冷剂可以达到的最低温度也不同。

天津大学机械工程学院教授 马一太：二氧化碳可以像氟利昂或氨一样作为制冷剂，它的制冷循环原理与普通制冷剂基本相同，都是蒸气压缩制冷（或热泵）循环，但是在细节上又有所不同。

通常二氧化碳液体罐中储存有较多的液体二氧化碳，通过二氧化碳泵，以制冷需求量的1.5~2.5倍供液，可以保证冰场各处的温度更均匀；压缩机多为数台，实际应用时可根据制冷量的变化控制开启台数；由电脑控制的电子膨胀阀可根据制冷量大小以及环境温度变化精确地控制二氧化碳蒸发温度。

作为短道速滑和花样滑冰比赛场馆的首都体育馆已于11月中旬完成制冰，冰面尺寸为31米×61米。制冰过程中，多台二氧化碳压缩机同时运作，冰板层里制冷管道内低温二氧化碳与冰板混凝土进行换热，冰板混凝土温度逐步降到零下十几摄氏度，制冷团队不停地在冰板上洒水作业，冻成每层几毫米的冰面，经过很多次这样的工序，厚度几十毫米的冰面才能冻结成功。

号称当前最先进制冰技术之一的二氧化碳跨临界直冷制冰技术绝非浪得虚名。除去绿色环保、易获取等属性外，二氧化碳跨临界直冷制冰技术还具有温度控制准、冰面质量优、制冰效率高等优势。这项技术之所以能够准确地控制制冰温度，保证冰面质量，与其采用直接蒸发冷却密切相关。

以往一些体育场馆制作冰面时通常应用间接制冷，即载冷剂制冷的方式。间接制冷是指将直接蒸发冷却得到的冷量通过载冷剂传递给冰面以完成降温的过程。马一太介绍到，其优点是对冰场地下埋管的强度要求很低，只要不漏液就可以，通常可以用塑料管。耐压的部分都在制冷机装置里。这对于临时的冰场，如舞台表演或冬季冰雪嘉年华来说，是很好的选择。但对于应用于正式比赛的冰场，它最大的问题是冰面的温度不一致。因为通常作为载冷剂的物质，无论是盐水还是乙二醇水溶液，都不是在一个比较固定的温度放热，载冷剂管道一定有进出口温差。当进出口温差过大时，冰面就会出现软硬不一的情况，而要降低进出口温差，载冷剂的流量就要加大，制冷的能耗也就上升了。

文章来源丨科技日报

(编辑 何芊漪)