綠色冬奧科技創新綜述

林波榮，孫弘歷

1 綜述背景及意義

我國當今正處于從體育大國向體育強國邁進的重要歷史時刻，2022冬奧會的舉辦給了我們認真思考和推動解決體育強國建設中的重大理論、政策和實踐問題的契機，加速我國邁向體育強國的步伐。其中“科技冬奧”可以促進體育科技進步，統一推進科學技術的研發與轉化，從而為我國走向體育強國提供堅實的基礎。

首次舉辦冬奧會，我國面臨冰雪場館建設經驗不足、關鍵技術和材料裝備的空缺、冰雪賽道如何設計等諸多問題，同時，冰雪運動場館設計建造中的很多關鍵技術都被國外企業壟斷，再加上新冠肺炎疫情來襲，多重因素下的壓力使得科技對于此次冬奧會的意義更為凸顯，只有克服一項項冬奧會中存在的科研難題，才能給世界一展華夏的冬奧精彩篇章。

本文將從以下6個方面詳細分析基于科技奧運主題下的部分綠色奧運可持續建設工作方面的成效，分別為：

（1）場館利用：注重2008奧運會現有場館的利用，實現場館的可持續利用；

（2）場館規劃設計：重視生態環境保護，進行高性能冬奧場館設計，實現賽區可持續發展；

（3）綠色場館建設：新建場館完成綠色建筑認證工作；

（4）標準創新：創新制定了《綠色雪上運動場館評價標準》，破解冬奧場館建設標準難題；

（5）綠色電網應用：實現賽時綠色電能賽區全覆蓋；

（6） 新型環保制冷系統應用：創新應用CO2制冷系統于冬奧會部分場館。

通過科技奧運場館的建設，我們取得了多項關鍵技術世界首創，實現技術和材料裝備的國產化，填補了相關技術空白。“體育+科技”的模式也為整個體育行業的創新和發展提供了更加可靠的技術支撐，同時也為體育產業與其他產業的融合提供較強的便利性。未來隨著我國體育產業精細化管理的發展和科技的不斷成熟，體育與科技的結合程度會越來越緊密，可以預見本次綠色冬奧帶來的經驗啟示，將會對我國經濟社會價值產生更加深遠的影響。

2 冬奧場館可持續利用

因地制宜是綠色建筑建設的基本原則，也是落實綠色冬奧發展的關鍵。在場館的利用方面，北京冬奧會注重現有場館的利用，樹立奧運遺產可持續的典范。北京作為“雙奧之城”，夏奧遺產非常豐富，尤其是在場館和基礎設施建設方面，擁有眾多的奧運場館和高效的基礎設施。北京2022年冬奧會最大程度利用好了2008年夏奧會的眾多奧運遺產。冬奧會北京賽區共有29個競賽和非競賽場館，其中17個為2008夏奧會遺產，這些2008年奧運場館中的競賽和訓練場館，經冬奧會既有場館再改造后，功能得到了更加充分的拓展（表1）。

表1 “雙奧之城”場館再利用案例

在場館改造中，國家游泳中心“水立方”通過架空結構的轉換成為世界首個“冰水轉換”的場館。首先在系統底部架設保溫層、盤管層（混凝土等），進一步制底冰完成冰面，通過噴冰漆與修整平面，最后鋪上地毯后完成冰面，將原有游泳池區域變成冰壺場地，達到國際冬奧會冰壺場地設計標準。

此外，國家體育館將原有玻璃幕墻改造成為仿冰玻璃磚，充分引入天然采光，減少照明能耗（圖1）。五棵松體育中心采用“冰被”的轉換方式，可實現6小時冰場和籃球場的快速轉換，達到國際一流水平（圖2）。這些例子完美體現和詮釋了2022北京冬奧會在資源節約和遺產可持續利用方面的理念。

圖1 國家體育館仿冰玻璃磚，引自參考文獻[7]

圖2 五棵松體育館籃球場改造，引自參考文獻[8]

3 可持續冬奧場館設計方法

針對新建場館與賽區，可持續場館規劃設計、重視生態環境保護是實現冬奧場館與賽區的可持續發展的重要路徑。在延慶賽區的規劃設計中，秉承“山林場館、生態奧運”的核心設計理念，高度重視資源節約、環保節能和可持續利用等工作。在滑雪季的設計中，以打造國際頂級雪上賽道和訓練基地、承擔FIS世界高山滑雪競標賽、世界杯以及IBSF/FLI世錦賽等國際重大賽事為目標，充分利用山林場館地勢特征，在不影響場地原有生態的基礎上，配備約75hm2雪道面積、11條纜車線路。同時兼顧非賽季的滑雪資源利用，設計了山頂餐廳、訓練基地、滑雪學校等，配備約2000個酒店床位，供大眾滑雪、旅游參觀、冰雪藝術節開展等，充分延伸山林場館建設的價值。此外，延慶賽區的設計兼顧了非滑雪季的資源利用，充分體現“生態冬奧”的內涵，包括度假、休閑娛樂、商業、會議等多種模式，實現賽區場館可持續發展的最大化。

此外，一些高性能設計手段也應用在了冬奧場館的設計中，以實現賽區資源節約、環保節能和可持續利用。一些賽區場館在進行規劃與建筑設計時采用三維空間信息模型和BIM等設計技術深入解析場地地形地貌[1]，優化場館和市政設施設計，降低土方開挖量，減少渣土外運，同時充分考慮低能耗建筑與綠色認證，在設計初期將理念圖形成整體模型，結合能耗分析與技術優化，確保落實綠色建筑各項技術措施；利用山地地形安全監測與泛場景建模技術，對山地設施建設進行重點景觀生態修復設計。在“雪游龍”專業級雪車雪橇場館的設計建設中，開創性提出了“地形氣候保護系統”（TWPS）的設計理念[2]，強調了地形條件對低角度太陽輻射的遮蔽作用，通過在賽道周邊設置可供使用的構筑物、堆填人工地形，結合賽道的屋頂遮陽、構件遮陽、賽道自身遮陽等條件，盡可能阻擋太陽輻射，形成了世界上唯一設置在南坡的雪車雪橇賽場（圖3）。

圖3 高性能場館及賽區設計手段，引自參考文獻[9]

4 綠色冬奧場館建設

在建設過程中，全階段、全方位展開生態保護與修復。建設初期，因地制宜、綜合考慮建設環境特點與可持續發展，規劃設計合理的建設方案與路徑；建設中有效利用廢固資源，保障建設過程中的綠色、可持續最大化。以延慶賽區的建設為例[3]，雖然延慶賽區海拔高、作業面廣、地勢陡峭、氣候寒冷，施工難度極大，可利用施工周期短，但是在建設初期，首先制定與環境相協調的可持續建設方案，充分考慮建設過程中的動植物全方位保護措施。建設中，采取全范圍表土剝離；采用就地保護小區、近地保護小區、遷地保護基地對植物進行全方位保護（圖4）；有效利用固廢資源，采取填方雪道，盡量消耗土石方，廢棄山石全部在賽區利用，廢棄樹木最大化在賽區利用；堅持做好生物入侵檢查、監測、預警和控制等工作；抓住植被修復有利時機，同步做好生態修復工程，如期實現邊建設邊修復的預定目標。建成后的延慶賽區是“國際頂級的滑雪競技中心，服務大眾的冰雪休閑度假勝地”，成為京張體育文化旅游帶的重要目的地，更是北京2022冬奧會最重要的遺產之一。

圖4 動植物全方位保護，引自參考文獻[9]

此外，在場館建設中，按照冬奧會可持續性工作的相關要求，原則上北京賽區、延慶賽區和張家口賽區內的新建場館應完成綠建認證工作，其中新建場館達到綠建三星標準或IOC認可的標準，鼓勵改造場館達到綠建二星標準。典型高性能綠色場館簡介如下：

（1）國家速滑館——三星級綠色建筑：創新使用了low-E玻璃曲面幕墻、低反射節能頂棚與鋁單元屋面，集結構、遮陽、照明和建筑效果一體化（圖5）。

圖5 國家速滑館綠色策略，引自參考文獻[12]

（2）五棵松冰上運動中心作為國際上最大超低能耗體育館，2018年入選了第一批評北京市超低能耗綠色建筑示范項目。該場館采用了大量創新的特殊節點設計，包括直立鎖邊屋面保溫和氣密性設計，清水混凝土建筑保溫節點設計，非透明玻璃幕墻保溫設計，包括利用30mm厚超薄真空絕熱保溫板（STP）包裹與外墻結構相連的樓板和隔墻，以減少冷熱橋的影響（圖6）；同時對非透明玻璃幕墻內襯150mm厚的巖棉（導熱系數≤0.04W/m·K），一方面降低窗墻比，一方面提高保溫效果。此外，五棵松冰上運動中心首次大面積采用傳熱系數低于1.0的高性能玻璃幕墻。在機電系統節能減碳方面，在冰場采用溶液除濕機組，代替傳統的電熱轉輪除濕；對冰場區域進行再保溫設計，平衡保溫和結露風險；采用磁懸浮冷水機組、大風量全熱回收空調機組；冰場區域采用滿足高清轉播需求的LED照明設計。由于采用了高性能的圍護結構和機電設備，使得供暖空調照明系統能效顯著降低，有效地減少了水、電等資源的消耗以及CO2等排放，經運行檢測，綜合余熱綜合利用、高效冰場除濕系統等先進技術/系統，節能率高達67%，年節約標煤1145t，折合CO2減排量可達2927t。2022年4月28日，北京市住房和城鄉建設委員會、北京市規劃和自然資源委員會、北京市財政局、海淀區住房和城鄉建設委員會以及專家組對其進行驗收。通過審閱資料、聽取匯報、現場查看，并經質詢、討論后，一致同意該項目通過北京市超低能耗建筑示范項目驗收。

圖6 五棵松冰上運動中心超低能耗綠色技術策略

5 冬奧場館建設標準創新

除了傳統規劃建設的可持續性創新，清華大學還與其他科研院所一起，創新性主編制定了《綠色雪上運動場館評價標準》[4]，一方面這是我國首部綠色雪上運動場館評價標準，填補了國內相關標準的空白；另一方面也是京津冀協調發展的一個實踐示例；同時，該標準也是一項重要的北京冬奧會在規劃建設領域中的奧運遺產，將在綠色標準方面對我國今后雪上場館建設具有先進的指導意義和指向作用。該標準主要適用于新建、改建、擴建雪上運動場館綠色設計、施工與運行的評價，旨在實現在雪上運動場館在其全壽命期內，節約資源、保護環境、減少污染，為人們提供適用、高效、健康的雪上運動空間及設施。

圖8 國家雪車雪橇中心

圖9 國家越野滑雪中心

圖10 國家冬季兩項中心

圖11 首鋼滑雪大跳臺

圖12 國家跳臺滑雪中心

《綠色雪上運動場館評價標準》在實際應用中成果顯著：2020年支撐完成了延慶賽區國家高山滑雪中心、國家雪車雪橇中心、首鋼大跳臺、高山越野和冬季兩項等6個新建雪上場館通過《綠色雪上運動場館評價標準》，達到三星綠色雪上運動場館標識認證（圖7-12）；實現了綠色雪上運動場館在奧運歷史上首次賽時所有場館100%綠色電力供應；堅持“生態優先”，成功修復了賽區185 萬m2的建設用地。

圖7 國家高山滑雪中心

6 綠色電網應用

依托張北柔性直流輸電示范工程，北京冬奧會實現了賽時賽區城市綠色電網全覆蓋，這在奧運歷史上尚屬首次[5]。張北±500KV柔性直流輸電示范工程是世界首個柔性直流電網工程，也是世界上電壓等級最高、輸送容量最大的柔性直流電網工程，是國家電網服務能源清潔低碳發展的重大工程（圖13）。這是世界首個輸送大規模風電、光伏、抽水蓄能等多種能源的四端柔性直流電網。作為集大規模可再生能源的友好接入、多種形態能源互補和靈活消納、直流電網構建等為一體的重大科技試驗示范項目，該工程不僅具備重大創新引領和示范意義，對于推動能源轉型與綠色發展、服務綠色辦奧、引領科技創新等具有顯著的綜合效益和戰略意義。

圖13 張北±500KV柔性直流電網工程

張北±500KV柔性直流輸電示范工程采用我國原創、領先世界的柔性直流電網新技術，攻克了組網技術空白、輸電能力受限、運行可靠性低三大世界性難題。該工程額定電壓±500KV，額定輸電能力4，500，000KW，輸電線路長度666km，分別在康保縣、張北縣、豐寧滿族自治縣和北京市各建設一座±500千伏送端柔性直流換流站。該工程可提供綠色電能的總量達到141億KWh，相當于北京市年用電量的1/10，能夠保證2022年北京冬奧會期間所有冬奧會場館實現100%綠電供應。該工程為冀北地區構建高比例大規模新能源安全智能外送、建立跨區域綠電交易機制提供了新路徑，可高質量服務于低碳奧運。冬奧場館使用綠色電力，是落實綠色辦奧理念、兌現申辦承諾的具體舉措，也是響應《奧林匹克2020議程》及《新規范》可持續要求的積極行動，對于推動我國清潔能源產業發展、服務生態文明建設，具有重要的促進作用。

7 新型環保制冷系統

北京冬奧會場館在建設中，一直非常注重綠色環保和可持續利用。如針對冰上比賽場館制冰需要使用制冷劑，考慮到原有制冷劑含有大量氟利昂，對大氣環境造成不利影響。為減少北京冬奧會的總體碳排放量，部分冬奧會場館創新使用了CO2制冷系統[6]，這也是CO2制冷系統首次在冬奧會上使用。

北京冬奧會在大型冰上場館中使用的是CO2跨臨界直接制冷系統。CO2制冷劑破壞臭氧層潛能值（ODP）為0，全球變暖潛能值（GWP）僅為1，使用相同數量的傳統制冷劑的碳排放量是CO2制冷劑的3985倍。CO2制冷產生的余熱回收后，可以提供70℃熱水用于生活熱水和除濕再生等用途。相比傳統制冷方式，國家速滑館“冰絲帶”采用CO2制冰能效提升30%、一年可節省約200萬度電。此外，傳統冰場通常會采用間接制冷的方式（例如使用氟利昂制冷劑、乙二醇載冷劑），而由于載冷劑常常不在固定溫度放熱，因而這樣的冰場冰溫溫差一般都高達1.5～2℃。相比之下，“冰絲帶”采用CO2直冷制冰系統，不僅系統換熱效率更高，而且冰溫均勻，其冰面溫差基本可以控制在0.5℃以內，有助于為頂級賽事打造“最快的冰”。

北京2022年冬奧會新建、改建了7座冰上場館共9塊冰面。應用場館包括北京冬奧會速度滑冰、花樣滑冰、短道速滑比賽場地，以及短道速滑和冰球訓練場地（圖14）。這些場館均使用了環保型制冷系統和制冷劑，其中5塊冰面使用了CO2（R744）跨臨界直接制冷系統，4塊冰面使用了R449A制冷劑。其他新型綠色系統如氨制冷系統也成功應用在了國家雪車雪橇中心，不僅如此，該系統還設置了廢熱回收系統，賽道運營時將通過氨熱泵回收冷凝熱，該熱量可用于賽區內約10，000m2的室內供暖。

圖14 CO2制冷技術可滿足不同冰面溫度需求，引自參考文獻[11]

相較于傳統制冷劑選擇，R449A可替代現階段全球范圍內普遍使用的R507。R449A的GWP值為1282，較R507降低了68%。綠色環保制冷劑的選擇，為世界做出了環保和可持續性的示范，使北京冬奧會成為冬奧會歷史上冰上場館制冷劑GWP值最低的一屆冬奧會。

8 總結

從申辦冬奧成功伊始，“科技冬奧”就成為冬奧籌辦工作的關鍵詞之一。冬奧會作為展示國家形象與創新實力的重要載體，“科技冬奧”肩負著重要的歷史使命。由于我國在歷史上開展冰雪運動面臨很多不利因素，因而冰雪運動的基礎相對薄弱，備戰經驗也較為缺乏，進一步地相關賽區、場館與平臺建設存在一定空白。雖然冰雪運動場館設計建造與運維中的很多關鍵技術被國外一些大企業壟斷，但是在“科技冬奧”重點研發專項支持下，經過大量相關工作者的不懈努力，調集全國優勢力量克服冬奧場館建設中的共性技術難點，中國完成了大量不同類型雪上場館、賽區建設的從零到一，相關技術躋身世界前列，并培養了一批冰雪建筑從業人員。不僅如此，綠色冬奧的科技創新價值還體現在“應用”和“帶動”效應上，成為助推我國高新技術產業化發展的重要契機。