冬奥幕后丨制冷“国家队”造“最快的冰”,温差控制在0.5℃内

2022-02-17

2月11日,“雪游龙”国家雪车雪橇中心举行的北京2022年冬奥会男子钢架雪车比赛中,闫文港夺得铜牌,这是中国选手首次登上该项目的冬奥领奖台。

2月12日,“冰丝带”国家速滑馆内,中国选手高亭宇摘得速度滑冰男子500米赛金牌并打破奥运会纪录,续写了这个场馆内不断刷新奥运纪录的奇迹。

据媒体报道,截至2月13日,仅在“冰丝带”内已举行的8项赛事中,就有7项赛事的夺冠成绩打破奥运会纪录。成绩背后,离不开北京冬奥场馆“最快的冰”及其背后的制冷“国家队”。


“雪游龙”其实是冰骨架

在2月11日闫文港夺得男子钢架雪车铜牌的现场,中粮工科冰雪团队总监、雪车雪橇道项目制冰保障团队负责人王鹏成为第一时间见证历史的人。

雪车雪橇比赛被誉为冬奥会“冰上F1”,滑行最高时速超过130公里。位于延庆赛区的国家雪车雪橇中心赛道全长近2公里,最大坡度18度,整个赛道高差达121米。主赛道包含16个弯道及54条形状各异的赛道段,是亚洲唯一一条具备360度回旋弯的赛道。

这条赛道的昵称为“雪游龙”,但在实际比赛中,钢架雪车滑过的却是结实的冰面,整个主赛道冰面面积达1万多平方米。如何让盘踞在室外的这条“雪游龙”保持冰面稳定,是比赛期间王鹏和18位同事每天的工作重点。

“‘雪游龙’虽然在室外,但环境温度并不是那么低,需要人工制冰。这2公里赛道,每一个弯道、每一个区域都有着细微不同的温控要求。”据王鹏介绍,国家雪车雪橇中心是冬奥会唯一在室外进行的冰上比赛场馆,每条赛道段通过设置远程传感设备,可实时监测赛道混凝土温度并调整制冷负荷,满足雪车雪橇项目在环境温度更高时正常运行。

“我们在2021年夏季室外温度超过25℃时,就进行过全赛道结霜及满负荷运行试验,以确保这套制冷制冰系统稳定运行。”王鹏说,他们最担心比赛期间设备突发故障,为此团队对制冷设备进行了长达1年的系统运行监测,在冬奥会前经过多次测试赛考验,并在2021年11月对整个制冰系统进行了详细故障排查和设备维保。

国家雪车雪橇中心位于延庆山区,夜间最低温度可达到-15℃。为保障运动员白天的训练,王鹏和同事们每天清晨5时就开始对赛道多次巡检,每次巡检来回要走4公里,赛道最低点到最高点高度差有120多米,“下来时浑身已被汗水湿透,睫毛上也会结霜。”

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王鹏和同事冬奥保障期间在国家雪车雪橇中心进行冰面检查。


2022年2月9日,国际奥委会执委、国际雪车联合会主席伊沃·费里亚尼为国家雪车雪橇中心颁发雪车和钢架雪车的赛道认证证书。他称赞“延庆国家雪车雪橇中心是世界上最好的场馆,在雪车和钢架雪车场馆的历史上,是无与伦比的。”


“最快的冰”冰面温差控制在0.5℃内

奇迹不仅发生在国家雪车雪橇中心。2月12日,中国选手高亭宇在“冰丝带”国家速滑馆摘得北京冬奥会速度滑冰男子500米比赛冠军,打破奥运纪录。而在这场比赛之前,这里已决出金牌的6个小项比赛中,冠军成绩全部刷新奥运纪录,“冰丝带”竞赛场地也因此被誉为“最快的冰”。

“个别比赛刷新纪录可能是偶然,但7项比赛全部刷新奥运纪录,这与冰面质量应该有很大关系。” 中粮工科冬奥项目总负责人、冰雪团队创始人王斌说。

与“雪游龙”一样,本届冬奥会“冰丝带”场馆内的制冰设计和技术保障也主要由中粮工科冰雪团队承担。据王斌介绍,冰雪团队隶属于中粮工科北京事业部,其前身为商业部设计院,从1954年起便从事食品冷链的设计和研究工作,工业制冷技术在国内处于一流水平,被业内誉为制冷“国家队”。

2015年年初,北京申办冬奥会成功。同年年底,王斌带领团队承担了一个室内冰雪场馆的设计工作。正是通过这个项目,王斌了解到冰雪场馆制冷领域缺乏国内专业团队。“我当时觉得冰雪产业前景不错,且我们有人员和技术储备,于是就筹备成立了冰雪团队。”

从2017年年初开始,中粮工科冰雪团队就参与到国家速滑馆、国家雪车雪橇中心、国家高山滑雪中心等五大冬奥核心场馆制冰造雪系统的设计和建造中。王斌坦言,压力一直存在,不到赛事全部结束丝毫不敢松懈。

王斌的压力不仅来自这些项目的重要程度,更多的是这些项目大多数是国内或全球第一个,没有多少经验可以参考借鉴。如国家雪车雪橇中心是国内第一条赛道,国家速滑馆是全球首个二氧化碳跨临界制冰的冬奥场馆,国家高山滑雪中心是国内唯一一个符合冬奥会标准的赛道。如何让冰雪团队从开始学习新技术到完成项目的设计,从单纯的设计思路到按照时间节点高质量地完成项目施工,并在比赛期间保障系统顺利工作,是他作为中粮工科冬奥项目总负责人从一开始接触这些项目到现在为止还都需要不断思考的。

“冰面的质量受多重因素影响,最核心因素是制冰温度的高低和温度的均匀性。相比传统氟利昂制冷+乙二醇载冷的制冰技术,‘冰丝带’里创新性地采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术,二氧化碳作为制冷剂有着非常优异的热物理性质,其高效换热特性以及由相变换热而带来的均匀的制冰盘管蒸发温度是非常有利于打造优质冰面的。”王斌称。经过各方团队的共同努力,最终, “冰丝带”的冰面温差控制在0.5℃以内,低于北京冬奥组委要求的1.5℃,让场馆具备了成为“最快的冰”的硬件条件。

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“冰丝带”制冰现场。


制冰技术论证了18个月

据了解,制冰系统原理类似于家庭“地热采暖”,冰面下安置若干制冷管道,通过制冷剂在其中流动换热使冰面降温。由于前几届冬奥会场馆普遍采用氟利昂制冷+乙二醇载冷的制冰系统,因此在最初讨论国家速滑馆制冰方案时,这项技术的呼声也最高。

“这个方案无论从技术成熟性还是实施难度方面,都没有问题。但瑕疵是采用氟利昂制冷剂,其全球变暖潜值较大,环保性欠佳,且载冷剂制冷二次换热所带来的能耗也较大,因此这个方案虽好,但还不是最完美的。”王斌说。

绿色和可持续发展,是北京冬奥场馆建设的一个主旨,传统氟利昂制冷技术显然并不完全符合“绿色冬奥”理念。2017年年底,王斌团队开始接触“冰丝带”场馆项目前期技术讨论工作,光是论证“冰丝带”采用什么样的制冷工质及制冷技术,就用了18个月,最终确定采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术。

“从这一漫长的过程可以看出奥运场馆建设的严谨性和高标准,所有的付出都是为了保障冬奥场馆建设万无一失。”王斌说,“选择制冷工质的这18个月,所有人在方案论证和决策过程中的认真和负责的态度是最让我难忘的。有时选择一个正确的方向比选择后走完这段路还要重要,过程可能也更艰辛”。

王斌称,二氧化碳跨临界制冰技术路线刚一确定,立刻在业内引起反响,并在2019年作为“绿色冬奥”的代表性技术,在第25届联合国气候变化大会上向世界展示了中国的绿色冬奥理念。“并且,在国家速滑馆选择了二氧化碳跨临界直冷制冰技术后,很多冬奥会的其他场馆也都参照国家速滑馆的经验,采用类似技术进行制冰系统设计。”王斌补充道。

提到具体技术,王斌解释称, 二氧化碳制冷系统在制冰过程中会带走冰层下的热量,实现冰场迅速降温,这部分余热在常规系统中由于品位较低一般会直接排到室外环境中,“如果我们加以利用,会大大提高整个制冷系统能效。”

为此,国家速滑馆制冷系统设计团队应用冷热联供一体化技术,将二氧化碳制冷所产生的高品位热能储存于水箱里,用于冰面维护浇冰、场馆生活热水等,降低了场馆运营能耗。国家雪车雪橇中心也采用类似的氨热泵冷热联供技术,将余热进行能级提升并应用于场馆冬季采暖,实现制冷系统的低碳运行,践行绿色冬奥理念。

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王斌(右二)和同事在国家雪车雪橇中心制冷机房内巡检。


“绿色低碳制冷技术在北京冬奥会的成功应用,更加坚定了我们对于自然工质制冷,冷热联供技术路线和方向的坚持。”王斌说。


文章来源:新京报




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