2022年2月5日下午
國家速滑館“首金”誕生來自荷蘭的選手伊雷妮·斯豪滕獲得速度滑冰女子3000米決賽冠軍
臻于完美的冰雪場地背后
隱藏著硬核新科技
天然工質(zhì)二氧化碳技術(shù)
作為北京冬奧冰雪世界的堅實保障
綠色，安全，高效
成功挑戰(zhàn)冰面溫差和造雪溫度的極限
北京大學工學院教授張信榮讓溫室氣體化身高效資源在賽場上實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能最大化助力打造了
“冬奧歷史上最快的一塊冰”
在國家速滑館“冰絲帶”中，1.2萬平方米晶瑩剔透的冰面，將為世界觀眾展現(xiàn)冰上運動的頂尖較量。這塊玲瓏剔透的“運動舞臺”制冰所使用跨臨界二氧化碳技術(shù)，碳排放幾乎為零，堪稱美感和科技感的結(jié)合。
2月5日下午，北京冬奧會速度滑冰女子3000米決賽在國家速滑館“冰絲帶”進行，荷蘭名將伊雷妮·斯豪滕發(fā)揮出色，以3分56秒93的成績奪得冠軍，同時打破了塵封20年的奧運會紀錄。這是北京冬奧會首枚速度滑冰金牌。
經(jīng)過研究與設(shè)計團隊的努力，國家速滑館“冰絲帶”的冰面溫差最終得以控制在0.5℃，低于奧組委提出的1.5℃標準。溫差越小，冰面的平整度和硬度越均勻，滑行速度就能越快，這有利于運動員創(chuàng)造出好成績。
讓我們一起走近制冰技術(shù)幕后的
科學家張信榮教授看二氧化碳如何在北京冬奧會中實現(xiàn)“華麗轉(zhuǎn)身”
張信榮教授在國家速滑館
張信榮教授成長于醫(yī)生家庭，父母都是醫(yī)生，父親是醫(yī)院急救部主任，常年凌晨一兩點上班搶救病人，清晨才回到家中，因為工作性質(zhì)特殊，120急救電話甚至直接轉(zhuǎn)到了家里的座機。張信榮老師從小目睹了父親作為醫(yī)生救死扶傷，心里十分崇敬，于是默默立志——長大后也一定要解決些實際問題，為社會做出貢獻、創(chuàng)造價值。
結(jié)緣冬奧
用二氧化碳制冰實現(xiàn)綠色冬奧
2016年，一個越洋電話，讓正在海外開會的張信榮教授即刻動身返回北京。電話的另一端，是北京冬奧組委執(zhí)行副主席張建東，他邀請張教授介紹自己在天然工質(zhì)二氧化碳制冰方面的研究成果。
時間退回到2015年7月31日，國際奧委會主席宣布北京獲得2022年冬奧會舉辦權(quán)，舉國上下為之沸騰。而在當時，中國在制冰造雪方面經(jīng)驗與發(fā)達國家相比尚存差距。如何確保冬奧會場地既有優(yōu)質(zhì)冰雪供比賽使用，還要滿足節(jié)能環(huán)保要求，一時間成為技術(shù)難題。
就此，中國奧組委向國際滑雪聯(lián)合會的秘書長咨詢，得知北大張信榮教授研究的制冰方法是最為環(huán)保節(jié)能的，因此邀請他幫助解決冬奧制冰問題。張教授與秘書長并不熟識，對于這份邀請，他坦言“當時也是一頭霧水”。原來，這背后是一個國際學術(shù)交流的故事：一位著名挪威學者曾在學術(shù)合作中被張教授應用二氧化碳的科學研究所吸引，而他又恰好和國際滑雪聯(lián)合會秘書長是好友，時常提起張教授的成果，給秘書長留下了深刻的印象。對溫室氣體的共同關(guān)注，讓分處大洋彼岸的二人產(chǎn)生了聯(lián)結(jié)。
2016 年9月9日，中國奧組委各部門官員云集首鋼奧組委辦公區(qū)，一場關(guān)于北京冬奧會冰場制冰問題的會議如火如荼地展開。會上，張教授亮明了自己的觀點：“我們的冰場再也不能用氟利昂去制冰了”。傳統(tǒng)制冷劑氟利昂環(huán)境破壞嚴重，安全性差；同時氨具有一定爆炸和毒性危險；因此他主張將更為環(huán)保的二氧化碳制冰技術(shù)應用于北京冬奧。這一新穎的提議贏得了支持，天然工質(zhì)二氧化碳制冰的論證工作正式啟動。
最初的二氧化碳冷熱一體化機組應用示意圖（冬奧國家速滑館）
論證工作并非一帆風順。幾年時間里，奧組委的同仁們也走遍江南塞北，尋訪大洋彼岸，張教授也出席了幾次關(guān)鍵的論證會，最終才通過了這份方案。借助天然工質(zhì)二氧化碳制冰技術(shù)，中國在人類冬奧會歷史上率先實現(xiàn)了替代氟利昂制冰，用綠色冬奧的底色展現(xiàn)大國責任擔當。
在造雪方面，以往的制冷工藝一般是制取成冰屑或冰漿的形式，硬度、密度調(diào)節(jié)范圍小，而此次冬奧會的零度以上人造雪與天然雪很接近，并可根據(jù)不同的比賽需求調(diào)節(jié)雪的濕度，最多能調(diào)節(jié)出9種性狀不同的雪花。他們還發(fā)明了魚骨式造雪法，在延慶高山滑雪中心21公里的賽道上可設(shè)置多個造雪點，能隨時補雪。張信榮教授的團隊提出的零度以上的人工造雪和儲雪一體化技術(shù)，成功實現(xiàn)在0～15℃甚至20～25℃的人工造雪，形成北京冬奧會零上人工造雪的解決方案之一。這將有效解決某些高溫地區(qū)不宜修建冰場、雪場的難題，助力后冬奧時代冰雪運動的可持續(xù)發(fā)展。
二氧化碳的“逆襲”
打造人類冬奧歷史上最快的一塊冰
二氧化碳算得上是張信榮教授的“老朋友”了。一種讓大眾談之色變的溫室氣體，在他眼中卻是大有妙用的資源：“我們這么多年做研究都沒有把二氧化碳看成廢品”。
張信榮教授主要研究冷、熱、電這三大應用背景下的熱力學問題，并且擅長從日常生活中尋找靈感。他小時候就愛思考，過冬時蘿卜和大白菜怎么儲藏最好？為什么同在室外的金屬和塑料，手碰到金屬會更冷？他在日本時也觀察到，現(xiàn)在的科技日新月異，人們的取暖方式卻依然較為落后——燃料燃燒上千度，僅僅是為了滿足室內(nèi)二十來度的供暖，這顯然不合理，存在嚴重的浪費和污染問題。因此他結(jié)合自己的專業(yè)，開始探索熱力學應用新思路：一向“讓人頭疼”的溫室氣體二氧化碳，能否作為資源被加以利用呢？
2003年，還在日本工作的張教授，最早提出了二氧化碳跨臨界發(fā)電的熱力學循環(huán)，并開始從事二氧化碳制冷與熱泵的研究和開發(fā)。2007年，他回到祖國，在國家自然科學基金等項目的支持下，從事超臨界二氧化碳基礎(chǔ)理論研究多年。2013年，他參與研究和開發(fā)的跨臨界二氧化碳大型冷熱一體化機組技術(shù)在非金屬材料加工業(yè)應用取得重大突破，沒想到這項技術(shù)與之后的冬奧會制冰技術(shù)也有著異曲同工之妙。
同時供應-80度冷和80度熱的二氧化碳一體化機組
傳統(tǒng)的制冰技術(shù)使用氨或氟利昂。前者安全性難以控制，后者則是臭氧層空洞和地球溫暖化的元兇，兩種物質(zhì)都無法與天然的二氧化碳比肩。加上在當時，傳統(tǒng)制冷劑設(shè)備配件全部來自于美國等西方國家，我國自主產(chǎn)品仍是空白。采用二氧化碳制冰技術(shù)，成為北京冬奧會的最優(yōu)解。張信榮教授介紹道，二氧化碳循環(huán)原理是一個物理過程，通過液態(tài)二氧化碳吸熱制冰，再將吸收熱量的二氧化碳放到高溫高壓下冷凝釋放能量。釋放出的能量也不會被浪費，而是用于冰面下地基防凍、冰面平整和場館供暖，梯級利用，可謂一舉多得。
張信榮教授在國家速滑館指導跨臨界二氧化碳制冰機組裝備運行
在被稱為“冰絲帶”的國家速滑館中，1.2萬平方米的冰面就是二氧化碳制冰技術(shù)的杰作。如果應用傳統(tǒng)制冰技術(shù)，冰面不同區(qū)域的溫差很大，會導致冰面軟硬不均，影響參賽選手成績。而二氧化碳制冰技術(shù)能將“冰絲帶”的冰面溫差控制在0.5攝氏度之內(nèi)，硬度均勻，一任運動員們馳騁其上。去年10月份結(jié)束的國際測試賽上，6名運動員中有5位在這塊冰面上創(chuàng)造了個人最好成績，這讓即將到來的冬奧會更受期待。張教授笑言，他們“打造了人類冬奧歷史上最快的一塊冰”。
為確保新技術(shù)順利落地，2019年3月，張教授還根據(jù)實際工作中發(fā)現(xiàn)的問題，向北京冬奧會奧組委提出，冬奧場館設(shè)施建設(shè)要將研究與設(shè)計緊密結(jié)合起來。他發(fā)現(xiàn)，如果研究人員與設(shè)計人員各起爐灶，有了新技術(shù)時，研究人員無法在設(shè)計中發(fā)揮作用：“設(shè)計者是按照標準來設(shè)計，但是當新的問題出現(xiàn)的時候，那就得研究的人參與了。”北京冬奧組委主席十分重視這份建議，還對此專門作出過批示。
科技助力
春風暖陽中躍然雪上不再是夢
北京承辦2022年冬奧會，成為歷史上首個同時舉辦夏季和冬季奧運會的城市。“雙奧之城”的桂冠背后，是一場科學家與技術(shù)挑戰(zhàn)的博弈。
相較于其他只舉辦冬奧會的城市，北京冬季溫度高，降雪偏少，造雪技術(shù)的運用對賽會成功舉辦至關(guān)重要。特別是到了冬殘奧會舉辦的三月份，北京的平均氣溫可以達到八攝氏度，而目前國內(nèi)外造雪機普遍工作溫度是零度以下，造雪極限溫度不能超過兩度。這為北京冬奧會出了一個難題。
張信榮教授提出以二氧化碳技術(shù)作為解決思路。目前國際上雖然已經(jīng)有零上人工造雪技術(shù)的應用，但往往是先制冰，再將冰碾碎，索契和平昌舉辦冬奧會時采用的便是這種方法。這種“雪”硬度很大，會讓高山滑雪運動員的膝蓋承受較大壓力，影響成績。張教授首先主張將二氧化碳技術(shù)運用在人工造雪領(lǐng)域，直接造出與天然雪最接近的人工雪：“我們是全世界第一個提出用這個大膽設(shè)想的，在國際上沒有的設(shè)計”。
張信榮老師團隊在國家速滑館工作照
在有關(guān)機構(gòu)的支持下，張教授的團隊在延慶小海陀山冬奧賽場做了示范，取得圓滿成功。二氧化碳零上人工造雪技術(shù)，成為北京冬奧會方案之一，使在春風暖陽中躍然雪上不再是夢。
一起向未來
讓更多的理想變?yōu)楝F(xiàn)實
冰清玉潔，白雪皚皚，二氧化碳制冷循環(huán)技術(shù)在冬奧會中的應用，打造出一個冰雪運動的童話世界。走出冬奧賽場，這一技術(shù)的應用場景也豐富多彩，將在未來走進各行各業(yè)、千家萬戶。
張信榮教授在國家速滑館核心主控機房指導冬奧制冰運營團隊
傳統(tǒng)的化石能源都是能量的單向使用，彼此之間缺乏聯(lián)動，會造成能量利用效率低下。張教授說，這就好比“夏天的房間需要制冷，其實是把這個房間的能量扔到外面去了”，卻沒有供給需要熱量的地方。而使用二氧化碳高效冷熱供應技術(shù)，被“扔掉”的熱量就能得到再利用。比如，學校超算平臺散熱所用的冷凝水吸收熱能后，可以作為洗澡用水提供給師生，既實用又節(jié)能。這種構(gòu)思伴隨對二氧化碳高效冷熱供應技術(shù)研究的深入，正逐漸從理想變?yōu)楝F(xiàn)實。
國際上第一部跨臨界二氧化碳制冷與熱泵的英文原著（張信榮教授著作）
近期，受北京市發(fā)改委委托，張信榮教授開展了“二氧化碳高效冷熱供應技術(shù)應用研究”，旨在基于跨臨界二氧化碳制冰技術(shù)在冬奧會的成功案例，促進該技術(shù)在其他領(lǐng)域應用推廣。
結(jié)語：
玲瓏世界，浮玉飛瓊。孜孜不倦，辛勤耕耘。北京冬奧場館的夢幻冰雪中，凝結(jié)著北大教授張信榮和眾多科研工作者的心血。
“節(jié)能”、“環(huán)保”、“高質(zhì)量”的關(guān)鍵詞詮釋了天然工質(zhì)二氧化碳制冰造雪技術(shù)。在未來，二氧化碳高效冷熱供應技術(shù)還將飛入尋常百姓家，在生產(chǎn)生活的更多領(lǐng)域煥發(fā)光彩，帶給我們無限驚喜。
