二氧化碳快速“造冰”技術打造“最快冰面”

走進冬奧·黑科技

北京冬奧會已拉開大幕，美麗低碳的冬奧場館也吸引了越來越多關注的目光。為了給參賽運動員良好的冰面體驗，幫助他們發(fā)揮出最佳的競技水平，天津大學馬一太、田華教授團隊在國家重點研發(fā)計劃——科技冬奧專項支持下，通過校企合作，研發(fā)了國際先進的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術，為各國運動員支撐建造了“最美、最快的冰面”。

花樣滑冰和短道速滑兩個項目在首都體育館舉行。對于這兩個項目而言，優(yōu)質的冰面有助于運動員取得更好成績，而獲得優(yōu)質冰面除了制冰師高超技藝外，制冰系統(tǒng)所決定的冰面溫差均勻性和軟硬度均勻性則是關鍵性基礎。

制冰機是人工冰場建設的關鍵核心，從歷屆冬奧會冰場制冰機來看，主要采用氟利昂等人工合成制冷劑技術或者氨制冷技術，前者具有嚴重的溫室效應問題、后者具有安全隱患。

以二氧化碳為制冷劑、冰面下直接蒸發(fā)的制冰機技術被認為是一種綠色低碳、高效節(jié)能的方案，但其技術一直掌握在歐美等國家企業(yè)手中。此次以綠色、科技冬奧為契機，通過產學研協(xié)同攻關，歐悅冰雪投資管理（北京）有限公司、天津大學和艾斯特制冷與太陽能技術（北京）有限公司等8家單位聯(lián)合研發(fā)、設計和建造了具有自主知識產權的二氧化碳跨臨界直冷制冰機組，在首都體育館冰場進行示范應用，服務冬奧會和國家冰雪戰(zhàn)略。

田華介紹，該方案從二氧化碳制冰系統(tǒng)壓縮、冷卻、節(jié)流和蒸發(fā)四個過程進行節(jié)能設計：針對壓縮過程采用雙級壓縮讓源頭耗能實現(xiàn)“事半功倍”；針對冷卻過程設計全顯熱回收對冷卻熱量進行回收，實現(xiàn)冰場澆冰、融雪等不同溫度熱水需求；針對蒸發(fā)過程采用在冰面下直接蒸發(fā)吸熱為冰場提供穩(wěn)定的冷量供應，并優(yōu)化設計冰下蒸發(fā)盤管和土建保障冰面溫度均勻。

值得一提的是，本方案制冰機從關鍵部件到整機集成，均實現(xiàn)國內設計、加工、組裝和運行，尤其是水冷式氣冷器是國際上首次應用，有效解決了首體冷卻回路長的工程問題。

“方案的系統(tǒng)綜合節(jié)能達到50%以上，冰面溫差控制在0.3—0.4℃以內，無論是綜合能效還是冰面溫差均達到國際先進水平，從而為運動員提供一個軟硬度均勻穩(wěn)定的優(yōu)質冰面?！碧锶A說。

此外，由于首都體育館同時承辦花樣滑冰和短道速滑兩個項目，兩者對冰面的冰層厚度和冰面溫度有不同的嚴格要求，需要根據(jù)賽程不斷進行兩塊冰的快速轉換。

項目組也充分利用了二氧化碳制冰溫度均勻的特點，結合精準控制系統(tǒng)和線性降溫策略，實現(xiàn)2小時內的快速、高效冰面轉換，遠遠小于國際奧委會3小時冰面轉換的要求。

天津大學是國內最早開展二氧化碳跨臨界制冷熱泵技術研究的團隊之一。設備所采用的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術是國家重點研發(fā)計劃科技冬奧專項“制冰機研發(fā)及應用示范”項目的核心成果，田華教授為項目負責人。