北京冬奧會推動國內制冷行業可持續發展

文_馬進 華商國際工程有限公司

隨著成功申奧，北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會（簡稱“北京冬奧組委”）發布了《北京2022年冬奧會和冬殘奧會可持續性計劃》和《2022年北京冬奧會和冬殘奧會遺產戰略計劃》，提出要貫徹“綠色、共享、開放、廉潔”辦奧理念，奔向“三億人參與冰雪運動”的宏偉目標，實現“可持續?向未來”的可持續性愿景和“創造冬奧會和地區可持續發展的新典范”的可持續性目標。為此不僅需要建設和利用好世界一流的體育場館，為推動世界冰雪產業發展做出積極貢獻，而且需要真正落實向國際奧委會承諾的“可持續性發展”。

1 人工制冷是冰雪娛樂、冷鏈及冬奧會的物質條件

隨著國家經濟發展和民眾生活水平的提高，冰雪娛樂及冷鏈產業也在近年得到快速發展，冰雪娛樂產業為保障商業上的持續性，提高消費粘性，需要全年為消費者提供可靠的冰面和雪道，為此需建設人工制冷冰場和室內滑雪館，冰面和雪場的溫度都需要保持在-3℃左右，或更低一些。

如果說冰雪運動和娛樂是“中產社會的標配”，冷鏈則是“小康社會的基礎”。根據國標《制冷術語》GB/T18517-2012，冷藏鏈（冷鏈）是以制冷技術為主要手段，使易腐食品或貨物在原料、生產、加工、運輸、貯藏、銷售等各個環節中始終保持適宜溫度的系統，因此人工制冷也是冷鏈的物質基礎。

北京2022年冬奧會和冬殘奧會（簡稱“北京冬奧會”）舉辦需要的場館設施為7個大項，為速度滑冰場、花樣滑冰場、短道速滑場、冰球場、冰壺場、雪車雪橇場，以及高山、越野、自由式、跳臺等滑雪場，涵蓋109個冰雪運動小項。按照要求，滑冰比賽全部在室內，比賽期間場館的室內溫度需保持在18℃左右，冰面溫度需要穩定控制在-9～-3℃（各項要求的具體溫度不同），因而即使在冬季也必須采用人工制冷的方式保持冰面溫度。雪車雪橇賽道雖然半露天設置，為避免環境的干擾，也需要提供-18℃的人工制冷。

2 制冷行業遇到的問題及解決問題的方向

到目前為止，冬奧會、冰雪娛樂及冷鏈幾乎全部采用蒸汽壓縮制冷技術，其它非蒸汽壓縮制冷技術，如氣體膨脹、熱電、渦流管等由于效率、造價、運行費用、相關產業鏈配套等原因，很難在上述行業大范圍推廣。對于蒸汽壓縮制冷，制冷劑是物質基礎，無論天然還是人工合成制冷劑，絕大多數是危險化學品，面臨各種安全問題，如毒性、燃燒性、窒息性等，同時人工合成制冷劑還面臨環保問題，主要表現在破壞臭氧層和強溫室效應，因此制冷系統的安全與環保問題一直困擾著行業的健康與可持續性發展，在我國的表現尤其嚴重，也是實現碳中和目標繞不開的重大問題。

2.1 安全問題

氨和丙烷是自然界廣泛存在的物質，不存在環保問題，同時還是制冷性能優良的制冷劑，稱為自然工質或天然制冷劑。

氨作為制冷劑使用時安全類別為B2L，燃燒和爆炸風險并不高，職業性接觸毒物危害程度分級為Ⅳ級(輕度危害)，在工業和倉儲區域，不接觸非特定人群時安全風險易于控制，因此氨制冷系統在冷鏈的生產、加工、貯藏環節得到廣泛用。但在非特定人群密集的室內空間，其安全風險很難控制，少量泄漏時即使沒有導致中毒事故，氨制冷劑強烈的刺激氣味也易引發群體恐慌，因此國內不允許在冰雪場館內和冷鏈銷售環節使用。

丙烷易燃易爆，作為制冷劑使用時安全類別為A3，實用限值僅0.008kg/m3，因此在大中型制冷系統僅適用于化工等需要嚴格管控生產安全且人員稀少的場所，否則其制冷裝置的充注量不能超過0.15kg。其他碳氫類制冷劑的情況與丙烷相似，安全問題使其不可能用于冬奧、冰雪娛樂及冷鏈工程。

2.2 環保問題

鹵代烴制冷劑是人類在20世紀的一項偉大發明，種類眾多、性能各異的鹵代烴制冷劑是制冷和空調在20世紀30年代后快速普及的物質基礎。隨著鹵代烴制冷劑的大量應用，20世紀70年代初世界各地都發現大氣臭氧層有明顯下降趨勢，1977年還在南極發現“臭氧空洞”。研究證明鹵代烴制冷劑內的CFCs和HCFCs類是消耗臭氧層的主要物質（ODS）。鑒于臭氧層關乎地球生物生存，1987年達成的《蒙特利爾議定書》成為國際社會真正控制ODS的開端。經過三十多年的努力，人類在城市化快速發展的同時成功扭轉了臭氧層惡化的趨勢，《2018年臭氧層消耗科學評估報告》（議定書的四年期審查報告）證實“自2000年以來，分布在平流層的臭氧層以每10年1%～3%的速度恢復”。但是到目前為止并未恢復到破壞之前的狀態，因此制冷行業綠色發展任重道遠。

鹵代烴制冷劑除消耗臭氧層，往往還是強溫室氣體，如《蒙特利爾議定書》第一階段要淘汰的常用制冷劑R12的GWP值高達10900，第二階段要淘汰的常用制冷劑R22的GWP值達1810。鹵代烴制冷劑內不消耗臭氧層的HFCs類物質的GWP值往往也以千計，如常用制冷劑R134a為1430，R507A為3990。

工業化導致溫室氣體大量排放，為防止其惡化全球氣候，聯合國氣候變化框架公約參加國在1997年制定《京都議定書》，確定“將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平，防止劇烈的氣候改變對人類造成傷害”；進而在2016年簽署《巴黎協定》，表述為“把全球平均氣溫較工業化前水平升高控制在2℃之內，并為把升溫控制在1.5℃之內而努力”，基本形成氣候變化的全球治理體系。同時，2016年《蒙特利爾議定書》197個締約方達成《基加利修正案》，就削減強溫室氣體HFCs類物質取得一致，《基加利修正案》的實施可以在本世紀末避免全球升溫0.5℃，將對《巴黎協定》實現2℃的溫控目標起到關鍵作用。

2.3 解決安全和環保問題的方向

因城市化離不開制冷，而制冷難以放棄蒸氣壓縮技術，繼續研發新型制冷劑是解決問題的主要方向。目前，人工合成制冷劑的研究已經達到分子水平，既安全又環保，且制冷性能優良的人工合成制冷劑已經很難研制。

元素周期表內只有碳、氮、氧、硫、氫、氟、氯、溴能夠合成適宜沸點的化合物，目前已經把一個和兩個碳原子的鹵代物全部研究完畢，但都不能滿足要求。最新研究三個碳原子的丙烯烴衍生不飽和氟化物能夠做到零ODP和個位數的GWP，但是制冷性能很難在各工況都理想，且安全類別多屬A2L，即弱可燃。

上述研究表明人工合成制冷劑不可能完全解決制冷行業的安全和環保問題。因此，為突破自然工質制冷技術，制冷行業圍繞這個目標開展了近30年的大量研發工作，目前已取得一定成果，集中表現在二氧化碳制冷技術和提升氨制冷安全體系方面。

2.4 二氧化碳制冷技術

在20世紀30年代之前，二氧化碳曾是主要制冷劑之一，由于當時的技術水平較低，其優勢僅表現在無毒和不可燃，而相對高壓力和低臨界溫度導致制冷裝置成本高、效率低，因此迅速被鹵代烴制冷劑替代。隨著保護臭氧層和減少溫室氣體排放國際行動的深入，不損害臭氧層且GWP值為1的二氧化碳制冷系統在近30年逐步成為行業關注的重點。

二氧化碳不僅是自然工質，也是人體內存在的物質，作為制冷劑使用時安全類別為A1，實用限值達0.1kg/m3，因此不存在安全和環保問題。二氧化碳的制冷性能可謂優劣并存，一方面傳熱和流動性能優良、單位容積制冷量大；另一方面壓力高、節流損失大。同時，臨界溫度低（約31℃）是二氧化碳與傳統制冷系統差別的根本原因，一方面導致系統技術復雜的劣勢；另一方面又使其具有熱回收優勢。二氧化碳的物性決定其在制冷行業的應用比較復雜，需要根據應用場景和工況選擇跨臨界、亞臨界復疊或載冷模式，因此系統技術是決定其應用優劣的關鍵。

基于上述客觀規律，筆者曾對二氧化碳復合制冷系統（亞臨界復疊和載冷）的應用前景進行了全面研究，2013年向行業公布了研究結果。即在冷凍冷藏等制冷行業，與現有氨、鹵代烴制冷系統相比，采用二氧化碳復合制冷系統可以在整個工程投資基本不變的前提下解決安全和環保問題，日常運行費用也基本不變。

研究結果基于五個推論。第一，二氧化碳是自然工質，不會產生意想不到的危害，雖然也是一種溫室氣體，但GWP值與鹵代烴相比可以忽略不計。另外，其來源于各種工業尾氣，即使不用作制冷劑，也要排放到大氣中，不增加碳排放。第二，二氧化碳安全性能優良，不燃、無毒、化學性能穩定，只在高濃度時會可使人窒息，但過程較慢（濃度<30%時），易于探測，配合報警能夠得到充足的事故逃生時間，且脫離后無遺留癥狀。第三，在冷凍冷藏等制冷行業，二氧化碳復合制冷系統設計壓力5.1MPa即可，與氨制冷系統的2MPa、HFCs系統的2.5MPa同數量級，即使遇到極端情況，直接排放即可。第四，二氧化碳復合制冷系統的經濟性，包括能效、管道系統費用、設備費用和相關設施費用等構成的綜合費用在其量產后與氨、鹵代烴系統基本相當，在低溫工況下甚至更節約。第五，工程相關設施費用與氨制冷系統相比肯定降低，使用場所不需要防爆、防毒投資，管道和閥門安裝位置所受安全限制減少。可能會有潛在的節約，需要進一步研究能否與消防系統共用，從而節約整個工程投資。在這一研究成果的推動下，二氧化碳復合制冷系統在國內冷凍冷藏行業（冷鏈的主要部分）得到迅速推廣。截止2020年底，已建成約400套大中型裝置，無論規模還是綜合性能都走在國際前列。

2.5 氨制冷安全體系

2013年之前氨制冷系統是國內冷凍冷藏行業在工程制冷領域的主要選擇，占比約80%，并且形成了完整的產業體系。2013年吉林寶源豐禽業有限公司和上海翁牌冷藏實業有限公司都發生了令人痛心的涉氨制冷事故，雖然調查表明事故根源是企業在工程建設和運營管理階段不遵守規范和標準，但還是給環保、經濟、高效的氨制冷系統應用投下了深深的陰影，甚至引發公眾“談氨色變”。

為厘清深層次原因，筆者曾對國內氨制冷安全體系進行了全面研究，并且在2014年向行業公布了研究結果，即國內涉氨制冷的整個安全體系比較全面，沒有漏洞，完全按照現有氨制冷系統安全體系執行，不會出現重大安全事故，但需要通過技術進步使企業易于按照安全體系的要求認真執行。并且指出技術進步的主要方向是減少灌注量，從根本上降低事故危害；提升自動化控制和保護水平，減少對人員經驗的依賴，避免人為的失誤；提高技術標準，采用新的安全技術，進一步降低事故發生的可能性；研究制定適用于制冷行業的檢測方法和標準、規程。

無論國內還是國際，氨制冷安全體系在近些年都取得了巨大技術進步，如氨低充注技術（氨/二氧化碳復合制冷系統本質上就是一種氨低充注技術）、氨定量供液制冷系統技術等；新建大型氨制冷系統基本全部實現自動化，部分還配備SIS系統；壓力管道技術體系在氨制冷工程領域全面貫徹；新版《冷庫設計標準》、新編《冷庫施工及驗收標準》即將頒布等。

雖然在技術方面取得巨大進步，氨制冷安全體系有了實質性提高，但是公眾對于2013年兩起事故的陰影仍舊揮之不去，許多地區還在“實質性禁氨”，甚至把符合安全要求的氨制冷系統強制改鹵代烴，人為加重了行業的環保問題，積累了巨大的環保成本。

3 北京冬奧會推動國內綠色制冷

3.1 國內綠色制冷的現狀

2019年國家發展和改革委等七部位聯合發布的《綠色高效制冷行動方案》明確要求占我國全社會用電量15%以上的制冷行業實施綠色發展。

道理很清晰，法規很明確，但國內綠色制冷的現狀卻不容樂觀。除前文所述的許多地區在“實質性禁氨”，甚至把符合安全要求的氨制冷系統強制改鹵代烴，人為加重了行業的環保問題，還廣泛存在大量使用高GWP值制冷劑，甚至在新建項目違規使用ODS物質。例如，當前制冷行業常用的R404A、R507A的GWP值近4000，其排放1kg的溫室效應相當于4t二氧化碳，相當于一輛家用轎車行駛4萬～5萬km，而大中型制冷裝置內的制冷劑往往以噸計，甚至幾十噸。

除鹵代烴制冷劑的環保問題，能效問題也比較嚴重。由于工況和工藝繁多、區域氣候各異，制冷工程領域至今沒有普及能效檢測和評價，加上“綠色觀念”的淡漠，市場的主流是只關注造價，忽視能效，即使制冷裝置全壽命的能源費用往往是其造價的幾倍、甚至十幾倍。

上述問題已打擊到了制冷行業的“綠色信心”，如果不解決勢必成為可持續發展的障礙，嚴重影響2060碳中和目標的實現。

3.2 綠色辦奧對人工制冷的要求

“綠色辦奧”是北京冬奧會的辦奧理念之一，不僅與2015年《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》提出的綠色發展理念一脈相承，更是奔向“三億人參與冰雪運動”宏偉目標的前提。人工制冷是冬奧會、冰雪娛樂及冷鏈的物質條件，綠色辦奧必須要求綠色制冷，綠色制冷的核心是不污染環境和高能效。不污染環境重點表現在制冷劑應為零ODP和低GWP，高能效指制冷系統的高制冷效率值（COP）和能源高綜合利用率。

3.3 國家速滑館破解跨臨界二氧化碳制冷系統推廣難題

國家速滑館是北京冬奧會標志性場館，冬奧會期間承擔速度滑冰項目的比賽和訓練。為落實可持續發展理念，國家速滑館規劃了亞洲最大的全冰面，冰面面積達1.2萬m2，充分考慮賽后利用，為適應多種需求的群眾性健身提供硬件支撐。國家速滑館冰面采用分模塊控制，將冰面劃分為若干區域，根據不同項目分區域、分標準制冰，平時可接待市民同時開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等所有冰上運動。因此，對于國家速滑館規劃，傳統制冷系統已不能滿足需要，二氧化碳制冷系統成為唯一選擇。

國家速滑館采用二氧化碳跨臨界直接蒸發制冷系統，并分段回收制冷廢熱，不僅成為全世界最大的采用二氧化碳跨臨界直接蒸發制冷的冰面，也是全球首個采用二氧化碳跨臨界直接蒸發制冷的冬奧速滑場館。這項技術是目前在確保場館絕對安全前提下最環保、最高效、最先進的制冰制冷技術，不僅能夠為冬奧會比賽提供溫度高度均衡的冰面，相比傳統技術能效提升20%以上，通過場館的智能能源管理系統，還能夠把制冷產生的廢熱用于除濕、冰面維護、場館生活熱水等。全冰面模式下僅制冷部分每年可節電200多萬kWh，整個制冷系統的碳排放趨近于零。

國家速滑館于2021年1月完成首次制冰，2021年4月順利完成首次測試活動，上述階段性成果驗證了工程方案的設想，即二氧化碳跨臨界直接蒸發制冷不僅能為冬奧會比賽提供溫度高度均衡的冰面（首次測試賽活動進行了冰溫檢測，共30個測溫點，其中29個點的溫差不超過0.5℃，只有1個點為0.7℃，與理論計算的0.26℃、工程估算的0.5℃基本吻合），而且能夠大幅提高能效（首次制冰期間制冷系統能效比傳統技術提高50%以上，首次測試活動期間制冷廢熱回收后可制取接近70℃的澆冰熱水）。同時，還在全球制冷行業首次證實大型二氧化碳跨臨界制冷系統無論在技術上還是在經濟上均可行，是推進制冷行業可持續發展的重要技術方向。

國家速滑館的制冷技術成為北京冬奧會工程的風向標，帶動了其他幾個場館也選擇了該項技術，助力北京冬奧會成為一屆“最綠色”的奧運會。

3.4 國家雪享雪梧中心重塑公眾對氨制冷安全體系信心

國家雪車雪撬中心位于延慶區賽區，北京冬奧會期間將承擔雪車、鋼架雪車、雪撬三個項目的全部比賽內容。賽道全長1975m，垂直落差超過121m，由16個角度、傾斜度都不同的彎道組成，最高設計時速134.4km，是世界第17條、亞洲第3條、國內首條雪軍雪撬賽道。賽后還將承擔中國國家隊訓練基地、國際雪軍雪撬賽事、大眾體驗參觀及運營配套。

與"超平"的室內冰場不同，雪車雪撬賽道設置在室外，賽道的特點是"坡和彎決定制冷系統的選擇思路完全不同。鹵代任制冷系統能夠滿足安全要求，卻很難做到綠色，其直接蒸發式系統需要100多噸制冷劑，完全與《綠色高效制冷行動方案》背道而馳。如果采用鹽水載冷，氫或鹵代怪制冷劑用量都能減少90%以上，{旦賽道溫度很難均衡，系統COp{直還要下降20%以上。如果采用二氧化碳制冷或載冷，安全與綠色都是最優選擇，但是對于"坡和彎"的賽道，其需要的"二氧化碳曲面冷盤筐"從理論上講沒有問題，工程風險卻很大，不僅專做雪軍雪撬賽道設計的德國deyle公司沒有把握，國內的研發在短時間內也很難做到。因此，氫直接蒸發制冷系統是合理選擇，不僅環保高效，而且安全可控。

雪車雪撬賽道工程最終由德國deyle公司提供方案設計，國內設計院負責施工圖設計，采用氫直接蒸發制冷系統，制冷系統蒸發溫度-18"C，制冷量約6000kW，制冷劑忌、充注量約100t。為進一步提高能驚效率，在征得deyle公司認可的前提下，國內施工圖設計時增設了庭熱回收系統，通過氫熱泵回收賽道氫制冷系統排出的廢熱，用于賽區約1萬nf的室內采眶。上述設計雖然符合國內法規和技術規范、標準，但是系統內約100ti夜氫與大量非專業人員近距離接觸的安全問題卻不容忽視，為此工程上采用了一系列的安全技術措施。如，進行HAZOP(危險與可操作性分析)和]LOPA(保護層分析)分析，確定SIL(安全完整性等級)等級，據此設置SIS(安全儀表系統)系統;系統高、中壓部分不保存氫液，氫液主要儲存在低壓氣液分離器中，在氣液分離器設備對外接口的雷道上設置氣動切斷裝置，由空氣壓縮系統驅動，緊急情況下能夠快速關閉，迅速將氫液封閉在該容器內;機房內設置氫液容納池，作為應對重大泄漏事故的最后保障;系統內按壓力梯度進行超壓保護，在保證系統壓力安全的前提下盡量避免氫直接排放等等。

雪車雪撬賽道工程是氫制冷安全理念與技術的一次國際合作。目前國家雪車雪撬中心已經完成場地認證，預計隨著北京冬奧會的成功舉辦必將重塑公眾對氫制冷安全體系的信J心。

4 綠色制冷是制冷行業可持續發展的必由之路

《蒙特利爾議定書》的《基加利修正案》是國際社會氣候變化的共識。2060生在碳中和目標要求所有行業都減少溫室氣體排放，作為溫室氣體排放占比遠超莫在國內生產總值占比的制冷行業會將成為關注的重點，綠色制冷才是制冷行業可持續發展的必由之路。