穿透力才是影响力

中国发展改革报社记者杜壮

桂华流瓦，冰轮转腾。丝带飞扬，连通世界。以“冰丝带”为代表的北京冬奥会竞赛场馆群已蓄势待发。

国家速滑馆又称“冰丝带”，是本届赛事唯一新建冰上竞赛场馆，也是年北京冬奥会北京主赛区标志性场馆。1月4日，习近平总书记在国家速滑馆考察时强调，冰上项目设施对制冰技术要求很高。国家速滑馆不仅硬件世界一流，制冰技术也世界领先，实现了低碳化、零排放。要发挥好这一项目的技术集成示范效应，加大技术转化和推广应用力度，为推动经济社会发展全面绿色转型、实现碳达峰碳中和作出贡献。

值得注意的是，国家速滑馆“冰丝带”是世界上第一个使用二氧化碳制冷系统的大道速滑馆。作为国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项年批复启动的“国家速滑馆智慧场馆建设和应用关键技术研究与示范应用”项目重点研发成果之一，这项技术制作出了近1.2万平方米的亚洲最大全冰面。那么，采用二氧化碳跨临界直冷制冰系统的冰面到底有什么优点？能否进入“寻常百姓家”？

图片来自：视觉中国

#技术最关键的特征是什么？

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”。

相关资料显示，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。

“冰面冷冻均匀、结实、制冷快、节能。”哈尔滨体育学院教授、黑龙江省冰雪产业研究院院长张贵海接受中国发展改革报社记者采访时用了几个词来形容二氧化碳跨临界直冷制冰技术。他告诉中国发展改革报社记者，制冷剂（二氧化碳）不通过载冷剂制冷，而是本身制冷剂在基本固定的温度和压力下直接气化制冷，也叫直冷。

对于二氧化碳跨临界直冷制冰技术，赛迪顾问新材料产业研究中心常务副总经理赵振越认为其最关键的特征就是环保无污染。

据了解，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余万度，相当于北京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，这堪比种下超过万株树木实现的碳减排量。

赵振越告诉中国发展改革报社记者，人工合成制冷剂虽然临界温度高，容易液化，但随着人们对环境保护的重视，逐渐发现氟利昂等人工制冷剂不仅破坏臭氧层，同时还会引起温室效应。根据《蒙特利尔议定书》，在年之前，我国会逐渐淘汰对臭氧层有破坏作用的合成制冷剂，在年之前，强温室效应的合成制冷剂也会被逐渐限制使用，因此二氧化碳这一环保无污染并且自然界中易获得的制冷剂重回大众视野。

随着技术的发展，之前限制二氧化碳作为制冷剂使用的高临界压力等问题得到了有效地解决。“此次冬奥会场馆制冰的应用中，二氧化碳跨临界直冷制冰技术充分发挥了温度控制准、冰面质量优、制冰效率高等优势，推动了这一技术的进一步发展应用。”赵振越对中国发展改革报社记者说。

#能否推广飞入寻常百姓家？

对于二氧化碳跨临界直冷制冰技术能否推广到人们的日常生活中，张贵海向中国发展改革报社记者坦言，虽然二氧化碳制冷已经20多年，但目前还处于工业使用阶段。进入寻常百姓家尚需时日。究其原因，张贵海认为主要是临界压力要求比较大，需要达到临界压力（10Mpa）以上。同时，工艺工序比较复杂，尤其对承压容器、管道、连接阀要求很高。如果要进入冷链物流领域，需要有突破性的工艺，才能解决临界压力的形成和保障。“现在汽车空调正试图以二氧化碳制冷代替，这将减少排放和温室效应。”

面对二氧化碳跨临界直冷制冰技术的推广发展，赵振越充满信心。他告诉中国发展改革报社记者，二氧化碳的气化潜热大、导热系数高、液体和蒸气的密度比值小，如果合理分配通过各管路的制冷剂，压缩机及整个系统的尺寸可以设计得更小。同时，由于二氧化碳无毒且化学性质稳定，如果发生制冷剂泄漏，不会产生较大危害，这些都更有利于在生活中推广二氧化碳跨临界制冷这一技术。

赵振越对中国发展改革报社记者表示：“目前在国外，二氧化碳跨临界制冷技术有着比较成熟的应用，主要在商超制冷、食品加工、物流冷链等方面，与卤代烃制冷系统相比，跨临界二氧化碳制冷系统更节能。在汽车空调制冷等方面也具有替代人工制冷剂的可能性。因此，这一技术具有推广的可能性。”

#技术推广的障碍是什么？

成本高和技术难度大成为压在二氧化碳跨临界直冷制冰技术推广上的两座大山。

谈及技术向大众生活推广的难度，张贵海告诉中国发展改革报社记者，为提高制冷效率，多采用跨临界循环，二氧化碳气化温度和压力非常低，很难液化，在吸入端还要低于临界压力运行，在排气端高于临界压力运行，其压力高于常用制冷剂系统，对制冷设备的强度要求很高，设备制造成本高，难度大。

对此，赵振越更为详细地向中国发展改革报社记者解释了技术推广的难度。“技术推广的障碍主要在于二氧化碳的临界压力值比较高，因此制冷系统的设计、管路材料承压要求、施工及后期安全维护都面临着新的挑战，大家要从原来的卤代烃等制冷系统设计及维护思维中跳出，去适应新的系统，这需要一定的时间。”

除此之外，赵振越告诉中国发展改革报社记者，由于二氧化碳和水反应会生成碳酸，对制冷系统的稳定性有一定的影响，因此二氧化碳制冷系统对含水量也有更高的要求，目前国际上推荐使用的二氧化碳纯度为含水量小于0.1%，这在实际应用中具有很高的挑战性。除了尽量去除安装过程中的水分、降低润滑油含水量等要求外，还需要提高材料表面耐腐蚀性，这可能会提高制冷系统的成本。

#冬奥低碳技术未来发展的方向是什么？

绿色、可持续是北京冬奥会筹办工作的主旋律。

在赵振越看来，除了跨临界二氧化碳制冰技术外，冬奥会还采用低能耗技术建设“被动房”，优先使用可再生、可循环材料，全场馆绿色电网覆盖等低碳技术，成就了绿色冬奥。这些已经投入使用的低碳技术通过在冬奥会上的应用推广后，进入大众视野，更有利于其未来向产业化、商业化的节能技术发展。

对于二氧化碳跨临界直冷制冰技术的应用，张贵海给出了更为具体的三个方向。第一是汽车空调领域，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大，必须尽早采用对环境无危害的制冷剂。第二是热泵热水器，二氧化碳在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移，有利于将热水加热到一个更高的温度。第三是考虑到二氧化碳良好的低温流动性能和换热特性，采用这项技术作为复叠制冷循环低温级制冷剂，在复叠式制冷系统中，二氧化碳循环在亚临界条件下运行。此时二氧化碳用作低压级制冷剂，高压级用NH3作制冷剂。与其它低压制冷剂相比，即使处在低温，二氧化碳的粘度也非常小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。

“二氧化碳制冷对环境保护、低排放、减少温室效应非常有利和有效。因此，跨临界的制冷工质‘三态’转换中要集中力量做好技术攻关，解决容器和连接件承压问题。从节能环保角度看，二氧化碳制冷是未来的发展方向，未来值得期待。”张贵海说。

在推广冬奥相关低碳技术时，赵振越对中国发展改革报社记者表示，应多方面考虑原技术的可替代性，替代后新技术可能存在的问题，如跨临界二氧化碳制备技术的高压和含水量的问题，可再生可循环材料的寿命问题等，同时由于技术较新，整体的国家标准尚未出台，技术控制的系统化、标准化，都有较大的探索空间，需要积累经验。

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来源：中国战略新兴产业杂志

责编/制作：王希学

审核：蔡若愚

政审：李振

终审：杨禹

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