揭秘北京冬奥场馆二氧化碳跨临界直接制冷技术
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首都体育馆内景（来源：北京日报）
北京2022年冬奥会和冬残奥会新建、改建了7座冰上场馆、共9块冰面。其中，5块冰面使用了二氧化碳(R744)跨临界直接制冷系统，这在冬奥会历史上尚属首次。
北京冬奥组委本月发布的《可持续·向未来——北京冬奥会可持续发展报告(赛前)》显示，北京冬奥会国家速滑馆、首都体育馆、首体短道速滑训练馆以及五棵松冰上运行中心使用的二氧化碳制冷剂，是从工业副产品收集提纯获取。2021年底初次填充过程，合计减少900吨二氧化碳排放。
冰上场馆制冰方案从设计到执行，“绿色办奥”的理念贯穿始终。在制冰方案设计之初，原计划采用R507制冷剂，该制冷剂在当前全球范围内普遍使用，符合《蒙特利尔议定书》对发展中国家的要求，但其GWP值(全球变暖潜能值)为3985、相对较高。
为使北京冬奥会场馆更具有环保、可持续性，在国际奥委会和国际专家的支持下，北京冬奥组委积极研究制冷剂的国际发展趋势和当前实用技术，与国内外制冷行业专家多次会商讨论，确认了两种制冷系统可以选择：
一是二氧化碳跨临界直接制冷系统，适合常年制冰的场馆，如国家速滑馆等；二是传统制冷系统，适合不需要常年制冰的场馆，如国家游泳中心、国家体育馆等。
二氧化碳制冷产生热量可全部回收利用
北京大学教授、国际天然工质研究领域专家张信荣表示，二氧化碳跨临界直接制冷系统具有安全性高、能耗和运行成本低、环境友好等优点，且全部热量可回收利用，是冰上场馆能源系统中最有前景的工质之一，可使场馆能源系统冷热一体化高效运行，在全球范围内都具有广阔的应用前景。
国家速滑馆制冰技术方案有十多位院士、国内行业协会顶尖专家、建设代表进行反复论证，在与北京冬奥组委、国际奥委会制冰专家的讨论中，二氧化碳跨临界直冷制冰技术被提出。
参与国家速滑馆建设的工程师宋家峰表示，国际单项体育组织专家曾说，国家速滑馆使用国际惯用的环保制冰技术就能达到冬奥比赛标准。但经过18个月摸索，中方团队把历届冬奥会速滑馆制冷系统资料翻了个遍，对世界所有制冷剂优劣特点逐一分析，最终拿出了更先进的制冰技术。
国家速滑馆一年可节省约200万度电
宋家峰表示，北京冬奥会之前，在全世界范围内，从未在大型冰上场馆中使用过二氧化碳跨临界直接制冷系统。二氧化碳制冷剂ODP(破坏臭氧层潜能值)为0，GWP(全球变暖潜能值)仅为1，使用相同数量的传统制冷剂的碳排放量，是二氧化碳制冷剂的3985倍。
宋家峰称，二氧化碳制冷产生的余热回收后，可以提供70摄氏度热水用于生活热水和除湿再生等用途。相比传统制冷方式，国家速滑馆采用二氧化碳制冰能效提升30%、一年可节省约200万度电。
北京冬奥会7座冰上场馆的9块冰面，均使用了环保型制冷系统和制冷剂。其中，5块冰面使用了二氧化碳(R744)跨临界直接制冷系统，4块冰面使用了R449A制冷剂。
在传统制冷剂选择方面，当前国际相关组织，如美国空调制冷学会(AHRI)，确定了现阶段R507所对应的替代制冷剂可为R449A，R449A的GWP值为1282，较R507降低了68%。
北京国家游泳中心、国家体育馆和五棵松体育中心均为2008年夏季奥运会的主场馆，并将在北京冬奥会期间承办冰壶和冰球比赛。为响应“绿色、共享、开放、廉洁”的办奥理念，三场馆在对设备供应商、设计工程师和服务提供商进行调研后，选择了R449A制冷剂。
制冷行业专家表示，采用R449A制冷剂，是在不影响系统性能和经济可持续性的前提下，采取积极措施向环境可持续发展目标迈进的例证。
国际奥委会相关官员表示，北京冬奥会冰上场馆采用了节能型制冷系统、环保型制冷剂，积极推动了国际奥委会的可持续发展战略。其中二氧化碳制冷系统的使用，率先为世界做出了环保和可持续的示范，R449A制冷剂的选择，将使得北京冬奥会成为冬奥会历史上冰上场馆制冷剂GWP值最低的一届冬奥会。
为什么选用二氧化碳？
想要解释清楚什么是二氧化碳跨临界直冷制冰，我们得先把这个名词做个拆解：二氧化碳、跨临界、直冷制冰。
先说二氧化碳，可能多数人对它的认识就是空气中的一种气体，而且还是温室气体，了解多一点的会想到干冰，但二氧化碳的角色可不止这些。
没错，二氧化碳确实是温室气体，但在制冷领域，它就成了环保的制冷剂。
这里我们说的制冷指的是人工制冷，就是利用制冷设备，让想要冷却的物体温度降低到小于周围的环境温度。拿二氧化碳跨临界直冷制冰来说，就是让水温度降低，直到成为冰的状态。
在人工制冷过程中，制冷剂的作用非常重要，它会在制冷设备中循环工作，起到热量传递的作用，我们经常听说的氟利昂就是一类十分常见的制冷剂。
那二氧化碳为什么可以成为制冷剂呢？
一般来说，制冷剂通过液态和气态之间的相互转化实现热量的交换，而二氧化碳也可以在这样的物态转变中吸收或释放热量。
简单来说，常温常压下的二氧化碳是气态，施加一定压力后，可以液化成液体甚至凝华为固体（固体二氧化碳就是我们常说的干冰），压力降低后，液态或固态的二氧化碳又能快速汽化（或升华）为气体，并大量吸热，达到降低环境温度（让水凝结成冰）的目的。
事实上，把二氧化碳用作制冷剂并不是什么新鲜事，它本来就是制冷剂中的“元老”，早在19世纪末就投入了应用，只是因为氯氟烃等制冷剂的出现，二氧化碳才逐渐淡出人们的视线。
直到最近几年，氯氟烃等制冷剂对环境造成的不良影响逐渐显现，二氧化碳这个更加环保的制冷剂才重获青睐。
可能有人就要问了，既然是温室气体，二氧化碳作为制冷剂，其环保的特性表现在哪儿呢？
首先，二氧化碳本身并不会破坏臭氧层，但不少氯氟烃制冷剂对臭氧层的破坏非常严重（例如氟利昂R12）。
其次，二氧化碳虽说是温室气体，但其温室效应比氯氟烃等制冷剂可低多了，相比之下确实称得上环保。
再加上二氧化碳还具有来源广泛、安全无毒等优点，自然就从众多制冷剂中脱颖而出了。
为什么选择直冷制冰？
其实，直冷是相对间冷（即载冷剂制冷）来说的，间冷是指制冷剂蒸发得到的冷量通过载冷剂传递给冰面以完成降温的过程，直冷则不需要使用载冷剂，直接利用制冷剂蒸发时产生的冷量与水进行冷热交换，逐步把水冻成冰块。
直冷制冰避免了使用载冷剂换热所造成的能量损失，传热系数和制冷效率都很高，而且，能够将温度的波动范围控制在0.5摄氏度以内，控制冰场温度基本一致，这对大道速滑等比赛项目非常中重要。
还有一点大家可能也注意到了，冰场上的冰都呈现出牛奶一般的乳白色，可自己在家冻的冰明明是透明，这又是怎么回事？
通常来说，比赛用的冰场呈现出的白色是后期加工的，采用传统制冰技术制成的冰面其实也是透明的，需要使用专门的冰漆进行喷白处理。
不过，直冷制冰的冰场并不需要冰漆喷白这个步骤，这是因为直冷制冰过程中，水冻成冰的速度非常快（采用传统制冰技术需要7天制成的冰场直冷制冰3天就可以制成），以至于水里的气泡来不及逸出就被封冻在了冰里，最终形成的冰面就自然呈现出了乳白色。
跨临界是怎么回事？
前面我们已经说了，二氧化碳作为制冷剂由来已久，但是早期的二氧化碳制冷采用的是亚临界循环系统，制冷效率较低，尤其是环境温度高时，二氧化碳的制冷能力就会大打折扣。
那“亚临界”和“跨临界”中的“临界”是什么意思呢？
我们知道，物质可以在气态、液态、固态之间相互转换，而气体和液体两相平衡共存的极限热力状态就是其临界状态，此时的温度和压力分别称为临界温度和临界压力。以二氧化碳为例，它的临界温度为31.1摄氏度，而临界压力达到了7.38兆帕。
二氧化碳作为制冷剂要在制冷机中循环，制冷机主要由压缩机、冷凝器（冷却器）、膨胀阀、蒸发器4个部分组成。
在亚临界循环系统中，冷凝时的压力低于二氧化碳的临界压力；在跨临界循环系统中，二氧化碳在冷却器中处于超临界状态，定压放热，不发生完全的物态相变，在蒸发器中压力小于临界压力，此时，二氧化碳与周围环境进行换热，吸收热量，使周围环境温度降低。
二氧化碳跨临界制冷循环系统压力高、压差大，对系统部件的强度要求很高，所以长期以来没有得到广泛应用。
这次北京冬奥成功采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术完成7块冰面的制备，背后的技术支撑是压缩机、换热器和回热器等核心硬件的迭代升级，是科技硬实力的体现。
看来，冬奥赛场上的冰不仅仅是最“快”的冰，更是科技含量高的冰。
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