二氧化碳快速“造冰”技術(shù)打造“最快冰面”

走進(jìn)冬奧·黑科技

北京冬奧會(huì)已拉開大幕，美麗低碳的冬奧場(chǎng)館也吸引了越來越多關(guān)注的目光。為了給參賽運(yùn)動(dòng)員良好的冰面體驗(yàn)，幫助他們發(fā)揮出最佳的競(jìng)技水平，天津大學(xué)馬一太、田華教授團(tuán)隊(duì)在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——科技冬奧專項(xiàng)支持下，通過校企合作，研發(fā)了國際先進(jìn)的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)，為各國運(yùn)動(dòng)員支撐建造了“最美、最快的冰面”。

花樣滑冰和短道速滑兩個(gè)項(xiàng)目在首都體育館舉行。對(duì)于這兩個(gè)項(xiàng)目而言，優(yōu)質(zhì)的冰面有助于運(yùn)動(dòng)員取得更好成績，而獲得優(yōu)質(zhì)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(guān)鍵性基礎(chǔ)。

制冰機(jī)是人工冰場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵核心，從歷屆冬奧會(huì)冰場(chǎng)制冰機(jī)來看，主要采用氟利昂等人工合成制冷劑技術(shù)或者氨制冷技術(shù)，前者具有嚴(yán)重的溫室效應(yīng)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(jī)技術(shù)被認(rèn)為是一種綠色低碳、高效節(jié)能的方案，但其技術(shù)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(jī)，通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，歐悅冰雪投資管理（北京）有限公司、天津大學(xué)和艾斯特制冷與太陽能技術(shù)（北京）有限公司等8家單位聯(lián)合研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二氧化碳跨臨界直冷制冰機(jī)組，在首都體育館冰場(chǎng)進(jìn)行示范應(yīng)用，服務(wù)冬奧會(huì)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(gè)過程進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)：針對(duì)壓縮過程采用雙級(jí)壓縮讓源頭耗能實(shí)現(xiàn)“事半功倍”；針對(duì)冷卻過程設(shè)計(jì)全顯熱回收對(duì)冷卻熱量進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)冰場(chǎng)澆冰、融雪等不同溫度熱水需求；針對(duì)蒸發(fā)過程采用在冰面下直接蒸發(fā)吸熱為冰場(chǎng)提供穩(wěn)定的冷量供應(yīng)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)從關(guān)鍵部件到整機(jī)集成，均實(shí)現(xiàn)國內(nèi)設(shè)計(jì)、加工、組裝和運(yùn)行，尤其是水冷式氣冷器是國際上首次應(yīng)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(dá)到50%以上，冰面溫差控制在0.3—0.4℃以內(nèi)，無論是綜合能效還是冰面溫差均達(dá)到國際先進(jìn)水平，從而為運(yùn)動(dòng)員提供一個(gè)軟硬度均勻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)冰面。”田華說。

此外，由于首都體育館同時(shí)承辦花樣滑冰和短道速滑兩個(gè)項(xiàng)目，兩者對(duì)冰面的冰層厚度和冰面溫度有不同的嚴(yán)格要求，需要根據(jù)賽程不斷進(jìn)行兩塊冰的快速轉(zhuǎn)換。

項(xiàng)目組也充分利用了二氧化碳制冰溫度均勻的特點(diǎn)，結(jié)合精準(zhǔn)控制系統(tǒng)和線性降溫策略，實(shí)現(xiàn)2小時(shí)內(nèi)的快速、高效冰面轉(zhuǎn)換，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國際奧委會(huì)3小時(shí)冰面轉(zhuǎn)換的要求。

天津大學(xué)是國內(nèi)最早開展二氧化碳跨臨界制冷熱泵技術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)之一。設(shè)備所采用的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技冬奧專項(xiàng)“制冰機(jī)研發(fā)及應(yīng)用示范”項(xiàng)目的核心成果，田華教授為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。