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“冬奧史上最快的冰”是如何“煉”成的

發(fā)布時(shí)間:2022-02-11 09:10:00來(lái)源: 中國(guó)青年報(bào)

  速度滑冰比賽女子3000米、速度滑冰比賽男子5000米、速度滑冰比賽女子1500米、速度滑冰比賽男子1500米……北京冬奧會(huì)開(kāi)賽以來(lái),國(guó)家速滑館“冰絲帶”四天六刷奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄。實(shí)際上,除了新的紀(jì)錄和奪冠的運(yùn)動(dòng)員,這里還有一塊“冬奧歷史上最快的一塊冰”。在這個(gè)臻于完美的冰雪場(chǎng)地背后,隱藏著硬核新科技——天然工質(zhì)二氧化碳技術(shù)。

  北京大學(xué)工學(xué)院教授張信榮率先挑戰(zhàn)與攻克了大型跨臨界二氧化碳制冷核心技術(shù)與裝備。這項(xiàng)技術(shù)作為北京冬奧會(huì)冰雪世界的堅(jiān)實(shí)保障,并將成功用于打造造雪溫度和冰面溫差的極限,讓溫室氣體化身高效資源在賽場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能最大化,助力打造了“冬奧歷史上最快的一塊冰”。

  國(guó)家速滑館是北京冬奧會(huì)唯一新建的冰上競(jìng)賽場(chǎng)館,從開(kāi)始建設(shè)到正式比賽,這塊1.2萬(wàn)平方米的超大冰面一直是外界矚目的焦點(diǎn)。在百年冬奧歷史上,它第一次使用了二氧化碳作為制冷劑。

  時(shí)間退回到2016年9月9日,北京冬奧組委各部門(mén)云集首鋼冬奧組委辦公區(qū)。關(guān)于北京冬奧會(huì)冰場(chǎng)制冰問(wèn)題的會(huì)議上,張信榮亮明了自己的觀點(diǎn):“我們的冰場(chǎng)再也不能用氟利昂制冰了。”

  據(jù)了解,傳統(tǒng)的制冰技術(shù)使用氨或氟利昂。氟利昂嚴(yán)重破壞環(huán)境,安全性差;同時(shí)氨具有一定爆炸和毒性危險(xiǎn)。因此他主張將更為環(huán)保的二氧化碳制冰技術(shù)應(yīng)用于北京冬奧會(huì)。這一新穎的提議贏得了支持,天然工質(zhì)二氧化碳制冰的論證工作正式啟動(dòng)。

  論證工作并非一帆風(fēng)順。幾年時(shí)間里,北京冬奧組委派人走遍江南塞北,尋訪大洋彼岸,最終才通過(guò)了這份方案。

  “氨安全性難以控制,氟利昂則是臭氧層空洞和地球溫暖化的元兇,兩種物質(zhì)都無(wú)法與天然的二氧化碳比肩。加上在當(dāng)時(shí),傳統(tǒng)制冷劑設(shè)備配件全部來(lái)自美國(guó)等西方國(guó)家,我國(guó)自主產(chǎn)品仍是空白。因此,二氧化碳制冰成為了最優(yōu)解?!睆埿艠s說(shuō)。

  張信榮教授介紹道,二氧化碳熱力學(xué)循環(huán)是一個(gè)物理過(guò)程,通過(guò)液態(tài)二氧化碳吸熱制冰,再將吸收熱量的二氧化碳提升到高溫高壓狀態(tài)下冷凝釋放能量。釋放出的能量也不會(huì)被浪費(fèi),而是用于冰面下地基防凍、冰面平整和場(chǎng)館供暖,梯級(jí)利用,一舉多得。

  在被稱(chēng)為“冰絲帶”的國(guó)家速滑館中,1.2萬(wàn)平方米的冰面就是二氧化碳制冰技術(shù)的杰作。如果應(yīng)用傳統(tǒng)制冰技術(shù),冰面不同區(qū)域的溫差較大,會(huì)導(dǎo)致冰面軟硬不均,影響參賽選手成績(jī)。而二氧化碳制冰技術(shù)能將“冰絲帶”的冰面溫差控制在0.5℃之內(nèi),硬度均勻,任運(yùn)動(dòng)員馳騁其上。

  “‘冰絲帶’連續(xù)多天誕生新的速度滑冰奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄,可見(jiàn)冰的質(zhì)量是不錯(cuò)的。比賽是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,經(jīng)過(guò)幾天的運(yùn)行,這可以看出此技術(shù)非常穩(wěn)定,足夠保證賽事的需要?!睆埿艠s告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者,去年10月結(jié)束的國(guó)際測(cè)試賽上,6名運(yùn)動(dòng)員中有5位在這塊冰面上創(chuàng)造了個(gè)人最好成績(jī)。他笑言,這一技術(shù)“打造了人類(lèi)冬奧歷史上最快的一塊冰”。

  事實(shí)上,“冰絲帶”的超大冰面會(huì)給制冰技術(shù)帶來(lái)很多挑戰(zhàn)。

  “這個(gè)巨大的冰面就相當(dāng)于一個(gè)巨大的二氧化碳蒸發(fā)器,如何制作設(shè)計(jì)如此龐大的制冰系統(tǒng)是一個(gè)難題。另外冰面大了以后,如何保證硬度的均勻,達(dá)到運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行比賽的標(biāo)準(zhǔn)也是一個(gè)難題?!睆埿艠s說(shuō)。

  因此,整個(gè)冬奧團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了超大型的二氧化碳蒸發(fā)器,并優(yōu)化了二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng),通過(guò)參數(shù)控制、動(dòng)態(tài)調(diào)整等方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控,成功解決了這些難題。

  相較于其他舉辦冬奧會(huì)的城市,北京冬季溫度高,降雪偏少,造雪技術(shù)的運(yùn)用對(duì)賽會(huì)成功舉辦至關(guān)重要。特別是到了冬殘奧會(huì)舉辦的3月,北京的平均氣溫可以達(dá)到8℃,而目前國(guó)內(nèi)外造雪機(jī)普遍工作溫度是零攝氏度以下,造雪極限溫度不能超過(guò)2℃。這為北京冬奧會(huì)出了又一個(gè)難題。

  張信榮提出以二氧化碳技術(shù)作為解決思路。目前國(guó)際上雖然已經(jīng)有零攝氏度上人工造雪技術(shù)的應(yīng)用,但往往是先制冰,再將冰碾碎,索契和平昌舉辦冬奧會(huì)時(shí)采用的便是這種方法。這種“雪”硬度很大,會(huì)讓高山滑雪運(yùn)動(dòng)員的膝蓋承受較大壓力,影響成績(jī)。

  張信榮主張將二氧化碳技術(shù)運(yùn)用在人工造雪領(lǐng)域,直接造出與天然雪最接近的人工雪:“我們是全世界第一個(gè)提出用這個(gè)大膽設(shè)想的,在國(guó)際上沒(méi)有的設(shè)計(jì)”。他們還發(fā)明了魚(yú)骨式造雪法,在延慶高山滑雪中心21公里的賽道上可設(shè)置多個(gè)造雪點(diǎn),能隨時(shí)補(bǔ)雪。

  “我們提出的零攝氏度以上的人工造雪和儲(chǔ)雪一體化技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)在0-15℃甚至20℃-25℃的人工造雪,成為北京冬奧會(huì)零攝氏度以上人工造雪的解決方案之一?!痹诙瑠W組委和北京市科委的支持下,張信榮的團(tuán)隊(duì)在延慶小海陀山冬奧賽場(chǎng)做了示范,取得圓滿成功。二氧化碳零攝氏度上人工造雪技術(shù)使在春風(fēng)暖陽(yáng)中躍然雪上不再是夢(mèng)。

  張信榮表示,如今在北歐等一些體育賽事中,二氧化碳制冰技術(shù)也在涌現(xiàn)。在后冬奧時(shí)代,這一技術(shù)會(huì)發(fā)揮出更大的作用?!拔覀儑?guó)家要三億人參與冰雪運(yùn)動(dòng),制冰會(huì)消耗很多的能源和資源,運(yùn)用二氧化碳制冰可以減少氟利昂對(duì)環(huán)境的破壞,降低碳排放,從經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō),這將是一個(gè)很好的發(fā)展方向。”

  “在未來(lái),二氧化碳高效冷熱供應(yīng)技術(shù)還將飛入尋常百姓家,在生產(chǎn)生活的更多領(lǐng)域煥發(fā)光彩,帶給我們無(wú)限驚喜?!睆埿艠s說(shuō)。

  中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 葉雨婷 來(lái)源:中國(guó)青年報(bào)

(責(zé)編: 李雨潼)

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