技術(shù)“克隆”自然的冰雪奇緣

鄭茂典 段永利

一支支中國冰雪制造“天團”，鐫刻著冬奧會的“靈魂”，不僅要確保場館每一寸冰面光潔平整、溫度均衡，而且還要達到綠色低碳的環(huán)保效果，真正實現(xiàn)了綠色“用雪自由”。

冰雪是冬奧會的靈魂。

從遠古洪荒鴻蒙初辟到當(dāng)下人類追求綠色生活，在這一漫長歷史過程中，人類文明大抵盤桓于溽熱暖潤的熱帶溫帶地區(qū)，而冰雪運動，也生動地體現(xiàn)出地理和經(jīng)濟條件對全民參與形成的決定性意義。

天遂人愿是一種祝福，天不遂人愿是每個人都需要面對的現(xiàn)實，一場被溫度限定的奧運盛會，最大的問題莫過于想冷時太暖，愿熱時太冷。

1980年之前，由于技術(shù)落后，冬奧會期間如遇突發(fā)情況影響比賽，人們只能望天長嘆，但是到了1980年普萊西德湖冬奧會之后，這種情況就有了一定的改觀。

1980年的普萊西德湖冬奧會由于降雪量不足，美國首次使用了人工造雪機，自此冬奧會完全“靠天吃飯”的局面有所緩解。1988年加拿大卡爾加里冬奧會又一次面臨著冬季無雪的難題，該國花費近400萬美元購得人工造雪機，并在所造的白雪中加入了一種類似酵母的細菌，使得人工造出來的雪花更白、更大、更結(jié)實，在暖風(fēng)的吹拂下也能夠保持原形。這屆冬季奧運會也因此被稱作“人工造雪冬奧會”;2014年的索契奧運會也面臨無雪難題，俄羅斯在賽場附近修建了大型的儲雪設(shè)施，儲存了大量的雪花，光這一項就花費了將近4000多萬人民幣。

18個月 ?潛心謀劃

造雪不難，但是造出好雪很難。

中國冰雪科研起步較晚，舉辦國際高水平冰雪賽事可供借鑒的經(jīng)驗也較少，賽道雪的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)一直掌握在國外技術(shù)團隊手中。為此，一支支中國冰雪制造“天團”，鐫刻著冬奧會的“靈魂”，不僅要確保場館每一寸冰面光潔平整、溫度均衡，而且還要達到綠色低碳的環(huán)保效果，真正實現(xiàn)了綠色“用雪自由”，這個任務(wù)難上加難。

“我們冰雪團隊的工作就是為冬奧場館制冰和造雪，承擔(dān)了以國家速滑館、國家雪車雪橇中心、國家高山滑雪中心為代表的5大冬奧核心場館制冰造雪系統(tǒng)的設(shè)計工作”，中糧工科冬奧項目總負責(zé)人王斌介紹，在設(shè)計國家速滑館制冷系統(tǒng)之前，大家就論證采用何種制冷工質(zhì)和制冷技術(shù)話題。為此，設(shè)計團隊梳理了從1988年加拿大卡爾加里冬奧會到2018年韓國平昌冬奧會之間8屆冬奧會速滑館所采用的制冷方案。

中糧工科有68年的歷史，而他旗下的華商國際工程有限公司依托于優(yōu)質(zhì)平臺和多年的技術(shù)積累，在冰雪制冷領(lǐng)域有較為豐富的經(jīng)驗，從2017年年初開始，王斌和團隊就參與到五大冬奧核心場館制冰造雪系統(tǒng)的設(shè)計和建造中。

一開始，很多人支持采用氟利昂制冷劑，因其技術(shù)成熟，實施難度可把控，但其環(huán)保性差，且能耗消耗較大。

經(jīng)過將近18個月的比選，團隊研究了歷屆冬奧會的場館制冷系統(tǒng)的利弊，結(jié)合北京冬奧場館建設(shè)秉持綠色和可持續(xù)發(fā)展的理念，又比對了目前市面上常見的各種制冷劑，經(jīng)多方面綜合考慮，最終在業(yè)主和專家的支持下確定采用二氧化碳跨臨界直接制冷方式。

早在1869年，人類就建造出了用二氧化碳作為制冷劑的制冰機。20世紀(jì)40年代，“氟利昂”逐步取代了二氧化碳的制冷劑地位。近二三十年來，鑒于氟利昂會破壞臭氧層，導(dǎo)致全球變暖，二氧化碳開始重獲青睞。

“項目的難點還在于國內(nèi)外實行的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，需要組織國內(nèi)外專家反復(fù)論證，在此過程中我們需要進行不斷的科學(xué)論證、取長補短。”中糧工科冰雪團隊副總監(jiān)，國家雪車雪橇中心制冰系統(tǒng)設(shè)計負責(zé)人李坤說。

與前幾屆冬奧會場館普遍采用氟利昂制冷+乙二醇載冷的制冰系統(tǒng)不同的是，2022年北京冬奧會要新建、改建7座冰上場館、共9塊冰面，均使用環(huán)保型制冷系統(tǒng)和制冷劑，最終決定其中5塊冰面使用二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)。

1.2萬平方米 ?鍛造絲滑

國家速滑館“冰絲帶”擁有亞洲最大的全冰面設(shè)計，面積達1.2萬平方米。2022年北京冬奧會期間，14塊金牌在這里誕生。

速度滑冰，運動員的速度至少在每小時40公里以上，最快的速度可以達到每小時60公里甚至更高。冰面上若有一絲一毫瑕疵，都可能對運動員的發(fā)揮產(chǎn)生影響甚至傷害。這就要求每一寸冰面光潔平整、溫度均衡。而要做到這點，背后的制冰系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。

在世界上首次應(yīng)用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)的“冰絲帶”，表面晶瑩剔透，其實整個制冰系統(tǒng)像“三明治”，冰面下還有鋼筋混凝土層、保溫層、防水層、夯填砂層等。這種設(shè)計不僅利于冰面下端的保溫隔熱，還能實時調(diào)節(jié)地面溫度，保證冰層厚度與溫度的一致性，助力運動員發(fā)揮出更佳水平。

在采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)的過程中，“冰絲帶”使用智能控制系統(tǒng)，讓二氧化碳制冷劑在冰面下的合金鋼管中晝夜不停地進行氣液相變蒸發(fā)。多臺二氧化碳壓縮機同時工作，冰板層制冷管道內(nèi)的低溫二氧化碳與鋼筋混凝土層進行換熱，使溫度逐步降到零下十幾度。然后再不斷向冰板上灑水，即可凍結(jié)成每層幾毫米的冰面，最后經(jīng)過多輪制冰工序，冷凍成厚度為30毫米的冰面，確保冰面良好的穩(wěn)定性和溫度的均勻性。

此外，“冰絲帶”的冰面采用分模塊控制單元，就像溫度不一的“九宮格”，將冰面劃分為若干區(qū)域，根據(jù)不同項目分區(qū)域、分標(biāo)準(zhǔn)進行制冰，可同時開展冰球、速度滑冰、花樣滑冰、冰壺等多項冰上運動。

以冰溫來說，花樣滑冰一般要求冰面溫度為-3.5℃，這樣冰面比較軟，運動員在空中旋轉(zhuǎn)三周或四周后，落冰的沖擊力不至于太大;短道速滑通常則要求冰面溫度為-6.7℃至-7℃，冰面相對硬一些。太軟，不利于冰刀抓地;太硬，冰面又比較脆。

二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)同樣應(yīng)用在首都體育館。由于承辦兩種不同的賽事，整個冬奧會期間，首都體育館的冰場需要進行30次轉(zhuǎn)換，以滿足花樣滑冰和短道速滑兩種比賽項目的不同需求。最急迫時，兩個賽事之間只有3個小時的轉(zhuǎn)換時間。采用這項技術(shù)后，再結(jié)合精準(zhǔn)控制系統(tǒng)和線性降溫策略，可實現(xiàn)2小時內(nèi)完成快速、高效的冰面轉(zhuǎn)換。這個時間遠遠小于國際奧委會3小時冰面轉(zhuǎn)換的時間要求。

0.65克 ?蓋上“雪棉被”

高山滑雪項目被譽為“冬奧會皇冠上的明珠”，運動員賽程平均時速約為每小時130至140公里，最高滑行速度可達每小時248公里，因此賽道必須光滑而堅硬。而“冰狀雪”的制造是鑄造這一明珠的基石。

天然雪的雪質(zhì)主要有冰狀雪、粉狀雪、漿狀雪等，不同的溫度和光照都會影響雪的質(zhì)地。何謂“冰狀雪”？清晨氣溫較低，雪的凝固程度高，水的密度較大，雪質(zhì)偏硬，其表面有一層薄的硬冰殼，人站在上面就會打滑，這種雪質(zhì)狀態(tài)就是冰狀雪。冰狀雪鋪就的賽道可以減少賽道表面與滑雪板之間的摩擦，很適合高速滑行——相當(dāng)于高山滑雪比賽等項目的“高速公路”。

天然雪雪質(zhì)難以控制，冰雪運動賽道不得不采用人工造雪的方式來搭建。冰狀雪賽道分為兩種，即競速冰雪賽道和競技冰雪賽道，兩種冰雪賽道的制作過程都充滿了挑戰(zhàn)。北京屬大陸季風(fēng)性氣候，冬春之交很可能出現(xiàn)沙塵暴、雨夾雪等極端天氣，更增加了賽道制作的難度。2017年，在中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室名譽主任秦大河的帶領(lǐng)下，中國正式組建北京冬奧會賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究團隊進行攻關(guān)。

造雪機造出來的雪密度通常在每立方厘米0.1克至0.4克，而冰狀雪密度需要達到每立方厘米0.65克，若大于這個密度，雪就會變成冰。冰狀雪的制作過程看似簡單，但雪鋪多厚、注水需間隔多長時間等具體參數(shù)都需要摸索。

過去，通常是依靠雪上巡視員觀察來預(yù)測賽道雪質(zhì)情況，這不僅耗時耗力而且還不夠精確。為攻克這一難關(guān)，秦大河科研團隊在北京冬奧會張家口賽區(qū)云頂滑雪公園建立起密集的氣象觀測網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合雪道雪質(zhì)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用雪質(zhì)監(jiān)測和預(yù)報技術(shù)，構(gòu)建起賽道雪質(zhì)等級判別模型。

2019年至2021年，在北京冬奧會組委會協(xié)調(diào)下，經(jīng)過成百上千次的現(xiàn)場試驗，科研團隊在分析大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，最終確定了最適合當(dāng)?shù)氐谋鶢钛┵惖乐谱鞣桨浮?/p>

經(jīng)過不斷技術(shù)攻關(guān)，團隊不僅掌握了開展不同氣候條件下屬地化的冰狀雪賽道制作技術(shù)，還研發(fā)了冰狀雪賽道專業(yè)監(jiān)測設(shè)備以及高效儲雪技術(shù)。他們根據(jù)不同的氣象條件，結(jié)合太陽光照射率等參數(shù)，通過反復(fù)試驗后，選出經(jīng)濟性和實用性最好的方案為積雪“蓋被子”，以應(yīng)對突發(fā)天氣變化。

5年多時間踏雪筑夢，科技工作者不僅成功研制出符合北京大陸性季風(fēng)氣候的“冰狀雪賽道”，還研發(fā)出高效儲雪技術(shù)，真正實現(xiàn)了綠色“用雪自由”。確保冬奧會用冰用雪實現(xiàn)“自力更生”，為參與北京冬奧會的國內(nèi)外選手們呈現(xiàn)最完美的冰雪體驗。

200萬度電 ?綠色向未來

作為我國提出“雙碳”目標(biāo)之后舉辦的重大標(biāo)志性活動，北京冬奧會將“綠色辦奧”理念落實到籌辦全過程，而這一過程，其實就是綠色技術(shù)不斷進步的應(yīng)用過程。

為落實“綠色辦奧”理念，研究團隊在設(shè)計冬奧場館制冷系統(tǒng)時，除考慮制冷劑要綠色環(huán)保外，還需要考慮制冷系統(tǒng)長期運行的低能耗要求，兼顧環(huán)境友好、低碳節(jié)能和穩(wěn)定可靠。

考慮到二氧化碳系統(tǒng)未來的長期運行能耗優(yōu)勢，中糧工科冰雪團隊采用直冷系統(tǒng)，避免載冷劑系統(tǒng)的二次換熱，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高，系統(tǒng)能效提高。而且制冷過程中產(chǎn)生大量高品質(zhì)余熱通過冷熱聯(lián)供一體化設(shè)計進行回收后，可提供70℃熱水用于場館的生活熱水、冰面維護澆冰、除濕等場景，通過數(shù)據(jù)比對，這一舉措大大降低了場館運營能耗。

國家速滑館應(yīng)用天然制冷劑打造綠色制冰技術(shù)，相比傳統(tǒng)制冷技術(shù)，“冰絲帶”在競技時可減少約900噸二氧化碳排放，有效緩解溫室效應(yīng)，綜合能效可提升20%以上，場館一年可節(jié)省電量約200萬度，且能實現(xiàn)均勻冰面溫度均勻，一舉三得。在提升冬奧場館綠色品質(zhì)的同時，助力“碳達峰”目標(biāo)的實現(xiàn)。

此外，研究團隊采用智能化造雪系統(tǒng)，優(yōu)先利用收集儲存的天然降水、地表徑流等作為水源。造雪用水主要來自延慶佛峪口水庫，通過地下綜合管廊，將造雪用水輸送至賽區(qū)內(nèi)的蓄水池蓄存，再由三級泵站將水注入雪道造雪系統(tǒng)。同時，國家高山滑雪中心還建設(shè)了完善的融雪水、雨水回收利用系統(tǒng)，雪融化后通過排水渠收集匯流，再流入佛峪口水庫下游，實現(xiàn)水資源循環(huán)利用;并在局部區(qū)域設(shè)置防風(fēng)柵欄，提高造雪用水利用率和造雪效率，最大程度節(jié)約水資源。

中國的二氧化碳制冰技術(shù)得到了國際奧委會和相關(guān)國際專家的充分認可，亞瑟·蘇瑟蘭德是國際奧委會制冰工程顧問，也是北京冬奧組委特聘專家，他認為相較于傳統(tǒng)制冰劑，二氧化碳制冰劑是一種非常高效率的熱轉(zhuǎn)換制冰劑，且本身無毒無害;同時，這種制冰劑的熱恢復(fù)能力潛質(zhì)非常大，可以將整個冰場的熱從一個地方傳導(dǎo)到另外一個地方，使整個冰場各個區(qū)域的溫度較為平均，從而也有利于運動員水平的發(fā)揮。蘇瑟蘭德認定二氧化碳制冰劑將成為未來更多國家的選擇。

科技與美感兼具的冬奧場館，無論在賽時還是賽后，年輪改變，角色不變，都將成為世人矚目的技術(shù)名片和運動地標(biāo)。