参数控制|“冬奥史上最快的冰”是如何“炼”成的热力学循环|最优解|比赛|人工

速度滑冰比赛女子3000米、速度滑冰比赛男子5000米、速度滑冰比赛女子1500米、速度滑冰比赛男子1500米……北京冬奥会开赛以来，国家速滑馆“冰丝带”四天六刷奥运会纪录。实际上，除了新的纪录和夺冠的运动员，这里还有一块“冬奥历史上最快的一块冰” 。在这个臻于完美的冰雪场地背后，隐藏着硬核新科技——天然工质二氧化碳技术。
北京大学工学院教授张信荣率先挑战与攻克了大型跨临界二氧化碳制冷核心技术与装备。这项技术作为北京冬奥会冰雪世界的坚实保障，并将成功用于打造造雪温度和冰面温差的极限，让温室气体化身高效资源在赛场上实现环保节能最大化，助力打造了“冬奥历史上最快的一块冰” 。
国家速滑馆是北京冬奥会唯一新建的冰上竞赛场馆，从开始建设到正式比赛，这块1.2万平方米的超大冰面一直是外界瞩目的焦点。在百年冬奥历史上，它第一次使用了二氧化碳作为制冷剂。
时间退回到2016年9月9日，北京冬奥组委各部门云集首钢冬奥组委办公区。关于北京冬奥会冰场制冰问题的会议上，张信荣亮明了自己的观点：“我们的冰场再也不能用氟利昂制冰了。”
据了解，传统的制冰技术使用氨或氟利昂。氟利昂严重破坏环境，安全性差；同时氨具有一定爆炸和毒性危险。因此他主张将更为环保的二氧化碳制冰技术应用于北京冬奥会。这一新颖的提议赢得了支持，天然工质二氧化碳制冰的论证工作正式启动。
论证工作并非一帆风顺。几年时间里，北京冬奥组委派人走遍江南塞北，寻访大洋彼岸，最终才通过了这份方案。
“氨安全性难以控制，氟利昂则是臭氧层空洞和地球温暖化的元凶，两种物质都无法与天然的二氧化碳比肩。加上在当时，传统制冷剂设备配件全部来自美国等西方国家，我国自主产品仍是空白。因此，二氧化碳制冰成为了最优解。”张信荣说。
张信荣教授介绍道，二氧化碳热力学循环是一个物理过程，通过液态二氧化碳吸热制冰，再将吸收热量的二氧化碳提升到高温高压状态下冷凝释放能量。释放出的能量也不会被浪费，而是用于冰面下地基防冻、冰面平整和场馆供暖，梯级利用，一举多得。
在被称为“冰丝带”的国家速滑馆中，1.2万平方米的冰面就是二氧化碳制冰技术的杰作。如果应用传统制冰技术，冰面不同区域的温差较大，会导致冰面软硬不均，影响参赛选手成绩。而二氧化碳制冰技术能将“冰丝带”的冰面温差控制在0.5℃之内，硬度均匀，任运动员驰骋其上。
“‘冰丝带’连续多天诞生新的速度滑冰奥运会纪录，可见冰的质量是不错的。比赛是一个动态的过程，经过几天的运行，这可以看出此技术非常稳定，足够保证赛事的需要。”张信荣告诉中青报·中青网采访人员，去年10月结束的国际测试赛上，6名运动员中有5位在这块冰面上创造了个人最好成绩。他笑言，这一技术“打造了人类冬奥历史上最快的一块冰” 。
事实上，“冰丝带”的超大冰面会给制冰技术带来很多挑战。
“这个巨大的冰面就相当于一个巨大的二氧化碳蒸发器，如何制作设计如此庞大的制冰系统是一个难题。另外冰面大了以后，如何保证硬度的均匀，达到运动员进行比赛的标准也是一个难题。”张信荣说。
因此，整个冬奥团队设计了超大型的二氧化碳蒸发器，并优化了二氧化碳跨临界循环系统，通过参数控制、动态调整等方式进行优化调控，成功解决了这些难题。
相较于其他举办冬奥会的城市，北京冬季温度高，降雪偏少，造雪技术的运用对赛会成功举办至关重要。特别是到了冬残奥会举办的3月，北京的平均气温可以达到8℃，而目前国内外造雪机普遍工作温度是零摄氏度以下，造雪极限温度不能超过2℃ 。这为北京冬奥会出了又一个难题。

参数控制|“冬奥史上最快的冰”是如何“炼”成的

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