有着“冰丝带”美誉的国家速滑馆，是2022年冬奥会北京赛区的标志性场馆。“冰丝带”创下不少纪录，它不仅是亚洲最大的全冰面设计（冰面面积高达1.2万平方米），还是全世界首个采用“二氧化碳跨临界直接蒸发制冷技术”的冬奥场馆。
作为2022年冬奥会期间极具特色的“中国方案”，二氧化碳跨临界直冷制冰技术被视为目前最先进、最环保、最高效的制冰技术之一。那么，这种技术到底厉害在哪里？
其实，二氧化碳制冷的原理和普通空调中的制冷剂循环类似：二氧化碳在常温常压下是气态，但在施加一定高压后，二氧化碳会变为临界状态的流体；这些流体随后被送到需要制冷的区域，在其蒸发过程中会大量吸热，进而达到降温制冷的目的。
△2020年9月，“冰丝带”施工期间，工作人员在铺设制冷管线系统（来源：视觉中国）
“这种技术最关键的特征是大气友好性，而且不会引起臭氧层破坏，对碳达峰、碳中和都有非常大的贡献。”天津商业大学制冷与空调工程系教授杨永安解释道。
长期以来，制冷机厂商或冬季体育场馆都使用氟利昂类化合物作为主要的制冷剂。但自1971年以来，随着科学界对氟利昂认识的逐渐提高，人们终于意识到氟利昂类物质会造成臭氧层破坏、温室效应等环境危害。相比之下，作为自然冷媒的二氧化碳制冷剂，显得既环保又安全。
尽管二氧化碳是一种温室气体，但其温室效应远低于传统制冷系统中所使用的氟利昂类人工合成制冷剂。举例来说，常在汽车空调系统中使用的R134a制冷剂，它的全球温室效应潜能值（GWP）高达1300——足足是二氧化碳制冷剂（GWP值为1）的1300倍。
△2021年1月，“冰丝带”完成首次制冰（来源：视觉中国）
不仅如此，二氧化碳制冷的能效也比传统制冷系统更高。杨永安指出，二氧化碳的热力学性质非常优异：“在系统设计合理情况下，它的效率与常规系统接近，并且系统紧凑、机组的尺寸小……（管线中的）流动阻力很小，因此使用的时候，工质泵功率小、蒸发器内的压力损失也小。”因此，二氧化碳制冷技术更加符合北京冬奥会“绿色、节能、环保”的办会理念。
除了对环境更友好，作为制冷剂的二氧化碳还具有无异味、不可燃、不助燃的优点，相较于烷烃类一类易燃的冷媒安全性更高。
据悉，为了更好地发挥二氧化碳直冷制冰的优点，“冰丝带”配置了一套先进的智能能源管理系统，后者可以高效回收制冷系统所产生的余热，为场馆除湿、冰面维护浇水及运动员日常所需等场景提供近70℃的热水。
在全冰面运行的情况下，“冰丝带”仅在制冷环节每年就能节电200余万度，相当于北京6000余个家庭一个月的用电量。由于在整个制冷过程中碳排放趋近于零，这堪比种下超过120万株树木实现的碳减排量。
“冰丝带”作为本届冬奥会的速滑比赛场馆，对冰面质量有着极高的要求。冰温不均会导致冰面有的地方软，而有的地方冰面又太硬——对于速滑运动员来说，太软的冰面会导致速度变慢，而太硬的地方又可能蹬不住冰，影响选手的比赛发挥。
△2021年10月，首场北京冬奥测试赛“相约北京”速度滑冰中国公开赛在“冰丝带”举行。图为中国选手杨滨瑜在女子3000米比赛中（来源：视觉中国）
传统冰场通常会采用间接制冷的方式（例如使用氟利昂制冷剂、乙二醇载冷剂），而由于载冷剂常常不在固定温度放热，因而这样的冰场冰温温差一般都高达1.5℃-2℃。
相比之下，“冰丝带”采用二氧化碳直冷制冰系统，不仅系统换热效率更高，而且冰温均匀，其冰面温差基本可以控制在0.5℃以内，有助于为顶级赛事打造“最快的冰”。
撰文：王雪莹
编辑：丁林
科学性审核：杨永安 天津商业大学制冷与空调工程系教授
本文来自：中国数字科技馆
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