冬奧會的冰雪是如何制造的

蘇更林

截至發稿時，舉世矚目的北京冬奧會已經進入倒計時，一場冰雪之上的“激情對決”即將展開。北京冬奧會的冰雪項目共設7個大項、15個分項、109個小項。其中，冰上項目包括短道速滑、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺和冰球5個分項；雪上項目包括自由式滑雪、越野滑雪、跳臺滑雪、高山滑雪、單板滑雪、冬季兩項、北歐兩項、無舵雪橇、有舵雪橇、鋼架雪車10個分項。冬奧會最大的特色和背景無疑就在于冰雪，冰雪來自哪里？制冰造雪有哪些秘密？“綠色冰雪”是怎么回事？中國將向世界提供解決方案。

根據科技部會同有關部門制訂的“科技冬奧”重點專項實施方案，對二氧化碳跨臨界制冷機組、造雪機以及賽事用雪保障關鍵技術研究等提出了具體的量化要求。二氧化碳跨臨界直冷冰場的制冰機組要能進行全顯熱回收，制冰系統的冷熱綜合能源利用效率等指標要達標，而且直冷冰場要能夠滿足6種以上冰上運動項目對冰質的要求。針對雪上項目，造雪機要能在不同的地域及氣候條件下，實現溫度0℃、濕度50%的常態出雪，且雪質符合國際雪聯標準。壓雪車的主要參數要達到國際同類產品水平。同時，不同氣候條件下冰狀雪賽道要能夠滿足相關國際比賽項目對賽道的質量要求。

把先進的二氧化碳制冷技術應用于北京冬奧會，無疑是實現“雙碳”目標的重大舉措，具有重要的“標桿”意義。二氧化碳的名字大家耳熟能詳，這R744又是什么意思呢？其實，二氧化碳制冷劑的學名就叫R744。

按照國際公認的制冷劑命名規則，R代表制冷劑（Refrigerant），7代表無機化合物，44代表無機化合物分子量的整數部分。44正好是二氧化碳的分子量。

事實上，二氧化碳作為制冷劑已有130多年的歷史了，但其制冷效率并不高。特別是當環境溫度稍高時，二氧化碳的制冷能力會更低，并且功耗也會增加。以R12（二氯二氟甲烷）為代表的CFCS（氯氟烴）類制冷劑的誕生，讓低效的二氧化碳制冷劑輝煌不再，于1950年徹底退出制冷舞臺。當然，干冰制冷不在此列。

1992年，挪威科學家洛倫岑首次提出二氧化碳跨臨界制冷循環理論，從而為二氧化碳制冷劑的復出拓寬了思路。30年來，二氧化碳跨臨界制冷循環一度成為制冷界的研究熱點，但尚沒有應用于冬奧會的先例。

在21世紀的前20年，冬奧會制冰基本上采用的是氨或R507為制冷劑，乙二醇為載冷劑的間接制冷方案。氨的制冷劑代號為R717，是一種價格低廉的高效制冷劑。氨對環境安全，臭氧消耗潛能值（ODP）為 0，全球變暖潛能值（GWP）為 0。但氨制冷劑易燃、有毒，并且具有刺鼻氣味和腐蝕作用。R507屬于HFCS（氫氟烴）類制冷劑，是一種不含氯的環保型制冷劑，具有優異的傳熱性能和低毒性，臭氧消耗潛能值（ODP）為 0，但全球變暖潛能值（GWP）高達3985。乙二醇則是一種無色微黏的液體，對金屬有腐蝕作用，對動物有毒性。

在北京冬奧會上，國家速滑館、首都體育館、首體短道速滑訓練館、五棵松冰上運動訓練中心4個場館，在世界冬奧會制冰史上首次使用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術。R744為天然制冷劑，對環境的安全性遠遠高于R507。臭氧消耗潛能值（ODP）為 0，全球變暖潛能值（GWP）為1。并且，R744無異味、不可燃、不助燃，是環保性和可持續性最好的制冷劑之一。因此，R744可謂是冬奧會制冰史上的綠色“新秀”。

為什么“跨臨界”如此重要？要回答這個問題，我們先得把概念搞清楚，并且是從“臨界”開始。

每一種制冷劑都有自己的臨界點，這是一個關于氣液兩相平衡的點。這個平衡點對應的溫度和壓力分別叫作臨界溫度和臨界壓力。

臨界溫度的意義為制冷劑工質液化的溫度“天花板”，超過這一溫度時，即使為工質加多大的壓力也不能使其液化。為什么會是這樣？原來，制冷劑工質在臨界點之上是以超臨界狀態存在的。所謂超臨界狀態，是一種介于氣態和液態之間的物態，但它既不是氣態也不是液態。以二氧化碳為例，其臨界溫度為31.1℃，也就是說達到或超過31.1℃，無論怎么加壓，二氧化碳也不能液化了。

其他常用制冷劑的臨界溫度要比二氧化碳高出許多。如前面提到的R12制冷劑臨界溫度為112.0℃，R507制冷劑臨界溫度為70.6℃，應用廣泛的新型氫氟烴類制冷劑R134a臨界溫度為101.1℃。

要知道，制冷的核心在于熱量的移除，只有把吸來的熱量散發出去才能“輕裝上陣”。按照常規的制冷循環，31℃就是二氧化碳制冷循環高溫側溫度的一堵“墻”。如果環境溫度接近30℃，工質與冷卻媒介的溫差就會小得可憐，那熱量卸載就失去了“驅動力”。

在早期的制冷應用中，二氧化碳制冷循環是工作在臨界溫度之下的，與其他常規制冷劑并無二樣，我們稱之為亞臨界制冷循環。既然二氧化碳具有臨界溫度低的先天不足，那么低效就成了二氧化碳退出制冷江湖的主要原因。如今，二氧化碳制冷重出江湖，那跨臨界就是其起死回生的“還魂術”。所謂跨臨界，說的是二氧化碳制冷循環工作在亞臨界和超臨界兩個區域，制冷循環的吸熱過程發生在臨界溫度之下，而放熱過程發生在臨界溫度之上。

制冷機一般都是由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器四大部分組成的。但對于二氧化碳跨臨界制冰過程來說，對于吸熱過程，與常規的制冷循環無異，換熱以潛熱為主；而對于放熱過程，就與常規的制冷循環不同了，換熱以顯熱形式進行。由于超臨界流體區域不存在氣體液化之實，因此氣體冷卻器取代常規的冷凝器，來負責二氧化碳工質的冷卻。

二氧化碳跨臨界直冷制冰，由于高溫側與環境的溫差加大，提高了熱量回收的可操作性。因此可以把制冰過程中產生的熱量利用起來，從而為運動員淋浴、場地冰面維護以及融冰池融冰等環節提供寶貴的熱能。

二氧化碳跨臨界直冷制冰系統代表了制冰技術的最高水平，其中的“直冷制冰”含義為“直接蒸發式制冷”。也就是說，二氧化碳制冷工質通過制冷系統直接被送至制冷管路進行蒸發，以實現冰面溫度的調節。直冷制冰的優勢是十分明顯的。

近20年來的冬奧會制冰方案全部都是間接制冰方式。如2002年美國鹽湖城冬奧會采用的是“氨+乙二醇載冷劑”制冰方式；2006年意大利都靈冬奧會采用的是“R507+乙二醇載冷劑”制冰方式；2010年加拿大溫哥華冬奧會采用的是“氨+乙二醇載冷劑”制冰方式；2014年俄羅斯索契冬奧會采用的是“R507+乙二醇載冷劑”制冰方式；2018年韓國平昌冬奧會采用的同樣是“R507+乙二醇載冷劑”制冰方式。

在上述案例中，乙二醇充當的角色是載冷劑。所謂載冷劑，是指在間接冷卻的制冷裝置中，把被冷卻系統（物體或空間）的熱量傳遞給制冷劑的中間冷卻介質。制冰機組通過蒸發器先將冷量傳遞給載冷劑，再將載冷劑泵送至冰面工藝層下面的制冷管路進行冷熱交換，從而進行冰面溫度的調節。在這個過程中，制冷劑（如氨、 R507）與載冷劑（乙二醇）的冷熱交換，勢必會造成部分冷量的損失，并且泵送載冷劑也會增加一定的能耗。因此，間接制冷的能耗較高，效率較低。間接制冷還具有制冷速度慢、制冷效果和冰面質量一般的特點。

二氧化碳直接制冷因為省去了載冷劑的中間環節，因此不存在制冷劑與載冷劑的換熱損失以及泵送載冷劑導致的額外能耗，從而可以降低冰場制冰的能耗。

二氧化碳制冷管路以排管形式預埋在人工冰面的下面，制冷管路下面是防凍混凝土層和保溫層，以保證二氧化碳制冷管路對下絕熱。二氧化碳直冷制冰可將二氧化碳制冷劑直接輸送到制冷排管中進行熱交換，這樣換熱效率更高，冰面溫度更準，冰面質量更優。如用二氧化碳直冷制冰可使冰面溫差不超過0.5℃，這對于運動員水平的發揮是至關重要的。

在制冰過程中，多臺二氧化碳壓縮機可以同時工作。當冰板混凝土溫度逐步降到零下十幾攝氏度時，還需要在冰板上不停地灑水。這里的細節操作非常關鍵，反復進行這樣的工序才能完成冰面的凍結。

考慮二氧化碳跨臨界直冷制冰系統熱能的回收利用以及直冷制冰的效率提升和能源節約，整個制冰系統的能源利用效率會大幅提升，使得整個系統的碳排放趨近于零。

滑雪運動需要擁有寬闊的滑雪場地，并且在場地上覆蓋有一定厚度的積雪。對于冬天足夠寒冷的部分地區來說，天然雪有可能成為滑雪運動的寶貴資源。對于絕大多數的地區來說，人工造雪才是開展滑雪運動的現實選擇。

天然雪的形成是一個動態成長的過程，首先是在大氣中形成細小的冰晶，然后這些小冰晶在下落過程中互相吸引進一步凝結成雪花。這里的小冰晶是雪花形成的必要條件，那么這些小冰晶是怎么形成的呢？原來，冰晶是水汽在晶核上凝華而形成的。這里的晶核也叫凝結核，主要來源于自然活動和人類活動，如沙塵粒子、礦物塵埃、火山灰和流星塵埃等。如果大氣中沒有凝結核，那么能形成雪花嗎？答案是肯定的，但同質核化過程需要更低的溫度，才能使水汽液化和凝華而形成晶核，并進一步成長為雪花。這也是純凈水在冰點時不凍結（過冷）的原因。

雪炮是人工造雪的重要裝備之一，因此也被稱為“造雪機”。雪炮適合于大面積造雪，其原理是快速把大量液態水轉化為高壓霧化的晶核。雪炮分為帶壓縮空氣雪炮和風扇型雪炮兩種形式，其原理大體一致。

帶壓縮空氣雪炮用管子分別與壓縮空氣和高壓水相連，高壓霧化水在核子發生器的噴嘴處被壓縮空氣噴出去。在這個過程中，壓縮空氣的作用主要為：一是形成擾動的氣流而把高壓水霧化為微小的水滴，必要時可在噴灑的水滴中添加成核劑；二是通過空氣和水滴的充分接觸，高壓空氣迅速膨脹吸熱造成的冷環境，可使得霧滴凝結成細小的晶核而被拋撒到空氣中。接下來的事情就交給大自然了。這些細小的晶核還要在空中飄蕩一段時間，利用大氣環境中的寒冷和水汽等條件繼續成長，以保證其在降落地面之前形成完整的雪花。

風扇型雪炮也被稱為無壓縮空氣雪炮，與帶壓縮空氣的雪炮不同的是，其利用大功率高速風扇來冷卻霧化水。微小的水滴被高速風扇吹出后，會進一步變為細小的晶核。風扇型“造雪機”不需要空氣壓縮機，但高速風扇不如壓縮空氣膨脹產生的冷卻效果好，因此要求環境溫度更低一些才能奏效。

除了雪炮之外，還有一種槍式造雪機，由多個類似于槍頭的噴雪器組成。槍式造雪機也有噴嘴和成核器，噴出的晶核可以利用自然高度的落差，在空氣中降落的過程中結晶成長。槍式造雪機的拋程比較短，一般用于具有精確目標的人工造雪。

雪花原本是大自然的杰作，人工造雪也只是對大自然造雪過程的部分模擬。那么，人工造雪也需要“看天”嗎？

雪炮作為雪花的“播種機”，噴出的只是雪花的“種子”（晶核），而不是最終的雪花。從雪炮噴出的晶核需要在自然環境中不斷成長才能形成完整的雪花。因此，天氣狀況直接影響人工造雪的成敗。

人工造雪是一門十分復雜的科學，需要技術和環境的協調才能造出低成本、高品質的雪。那么，“看天”應當看什么？首先，在滑雪場選址時就要充分了解該地區的降雪規律及其氣候特征，這對于提高人工造雪效率和降低造雪成本具有重要的意義。同時，也要根據天氣狀況科學制定人工造雪的規劃。從造雪機噴出的水滴（晶核）在大氣環境中的成長，涉及熱量和水分的轉移，統籌考慮影響造雪的變量因素是至關重要的。

通常，人工造雪的最佳天氣是寒冷和干燥。寒冷指的是環境溫度要低，這樣才能加快晶核與環境的熱量交換，因此對造雪過程是有益的。干燥指的是環境相對濕度要低，因為遠離飽和狀態的空氣濕度條件，才有利于晶核水分的蒸發，因此帶來的降溫效果才會更明顯。

在人工造雪領域，濕球溫度是一個硬性指標。由于其受到環境溫度和相對濕度的共同影響，代表了特定環境中僅通過水分蒸發所能獲得的最低溫度。

濕球溫度作為一個重要的氣象指標，我們可以很方便地獲取該數據。如果自己測量的話，可以用濕紗布把普通溫度計的感溫部分包住，并將紗布的下端浸于充水容器中，這樣就成為濕球溫度計了。將濕球溫度計置于通風處，該溫度計讀數就為濕球溫度。

一般地，濕球溫度都要低于干燥時的環境溫度，并且空氣越干燥相同溫度對應的濕球溫度就越低。因此，越冷越干燥的天氣越有利于人工造雪。據此可以選定適宜的時間窗口進行人工造雪，以提高造雪的效率和質量。

冰雪運動的基礎是冰雪。用中國智慧打造的冰雪舞臺，凝聚了當代世界最先進的冰雪制造技術。北京冬奧會的綠色冰雪，將為運動員的“激情對決”提供堅強的支撐。