绿色冬奥！“冰丝带”首用二氧化碳制冷，长期运行中实现低能耗

北京2022冬奥会标志性场馆——国家速滑馆（冰丝带），在冬奥会期间将承担速度滑冰项目的比赛和训练；冬奥会后，该馆将向公众开放，成为能够举办滑冰、冰球和冰壶等赛事及大众冰上活动的多功能场馆。冰丝带超过12000平方米冰面制作，一直是公众感兴趣的问题。日前，中粮集团华商国际工程有限公司工业设计研究院院长王斌告诉记者，包括国家速滑馆在内的几个北京冬奥会场馆，将采用二氧化碳跨临界直接制冷方式制冰。

 

 

“冰丝带”和蓝天白云交相辉映

 

“建成后，国家速滑馆将是全球首个采用二氧化碳跨临界制冷的冬奥大道速滑场馆，也是目前中国最大的二氧化碳跨临界制冷系统。事实上，国家速滑馆已成为未来同类项目的标杆，在国家速滑馆确定采用二氧化碳跨临界制冷系统后，大多数的北京冬奥会其他场馆的冰场都采用这一系统。”王斌说。

 

作为这套制冷系统的设计团队负责人，王斌表示，根据北京冬奥组委可持续性工作的总体要求，秉承“绿色办奥”理念，此次所有冬奥会场馆都严格按照绿色建筑标准进行建设。国家速滑馆的建设使用了大量的绿色技术，如核心的制冷制冰系统，不仅制冷剂体现了绿色环保理念，整个制冷系统也体现了绿色节能要求，将在长期运行中实现低能耗。

 

据了解，在设计国家速滑馆制冷系统之前，设计团队梳理了从1988年加拿大卡里加里冬奥会到2018年韩国平昌冬奥会之间8届冬奥会速滑馆所采用的制冷剂，一半为氨，一半为氟利昂；制冷方案除了1988年卡里加里采用氨直接蒸发系统，其余的项目几乎都通过二次换热，采用乙二醇或盐水作为载冷剂。

 

 

“冰丝带”制冷施工进行中

 

国家速滑馆选择制冷剂经过了一个非常漫长的过程，从2017年底开始，经过将近18个月的比选，研究了历届冬奥会的速滑馆制冷系统，对比了目前常见的各种不同的制冷剂，最终确定采用二氧化碳跨临界直接制冷方式。

 

在冬奥场馆使用二氧化碳跨临界直接制冷方式有什么好处？王斌认为此举主要是基于几点考虑。

 

首要的考虑当然是绿色办奥的理念，二氧化碳是天然工质，环境友好，其臭氧消耗潜值（ODP）为零，全球变暖潜值（GWP）为1。相比之下目前常用的氟利昂类制冷剂如R404A的GWP值为3850，R448A的GWP值为1273，R134A的GWP值为1300。因此，采用二氧化碳制冷剂很大程度提升了冰丝带项目的绿色品质。

 

其次，从冰面质量的角度进行了考虑。速滑馆的业主对冰面质量提出了很高的要求，而二氧化碳会比乙二醇系统对冰面质量的把控更有优势。经模拟分析，采用二氧化碳制冷，冰表面温差不超过0.26℃，对比常规乙二醇载冷系统的1.5-2℃的温差， 二氧化碳制冷的冰面整体效果更好。而且采用二氧化碳制冷系统后，其制冷工质输送泵的功率也仅有采用乙二醇载冷系统输送泵功率的十分之一左右，极大地节约了能源。

 

此外，考虑到二氧化碳系统未来的长期运行能耗优势：采用直冷系统，避免载冷剂系统的二次换热，系统蒸发温度高，系统能效提高。

 

 

虽然采用二氧化碳跨临界系统投资增加，但二氧化碳系统的综合COP(能效比)相比较传统系统更高效，而且制冷过程中产生大量高品质余热通过冷热联供一体化设计可进行回收利用，用于场馆的热水、浇冰、除湿等场景，国家速滑馆项目经过了大量的数据对比和理论模拟，相比较传统氟利昂/乙二醇系统，现有二氧化碳系统可以有30%以上的能效提升。项目前期建设增加的投资在未来的运行中很快会从能耗的减少中得到补偿。

 

王斌介绍，目前国家速滑馆的制冷系统设计工作已经基本完成，整个场馆的主体结构也已经基本完成，制冷系统也会在今年年底前完成。

 

制冷剂的前世今生

 

制冷技术从诞生到现在将近200年的时间，其发展经过了几次大的变化。从1834年发明制冷技术后的将近100年，制冷剂以天然工质如氨、二氧化碳，甚至于水为主。直到1931年美国杜邦公司将氟利昂R12制冷剂工业化，氟利昂以其安全，耐久性的优势迅速替代了除氨以外绝大多数的天然制冷工质。但在上世纪七八十年代人类发现氟利昂制冷剂对环境的巨大影响，因此在1987年，《蒙特利尔议定书》对氟利昂的使用进行了限制，并且这种限制在接下来的几十年通过不断修订，越来越严格。总体而言，从上世纪八十年代到现在以及未来，制冷剂一直是朝着零臭氧消耗潜值、、低全球变暖潜值、高效和安全的方向发展。

 

目前，在全球和中国工业制冷领域最常用的制冷剂主要有HFCs（氢氟烃类）、氨和近些年发展迅速的二氧化碳。

 

HFCs（氢氟烃类）主要包括R134A、R507、R410A等，这类制冷剂ODP为零，是良好的CFC，HCFC类制冷剂的替代品，在中小型工业制冷系统中有着大量的应用，但HFC类制冷剂存在GWP值较高的缺点，在京都议定书中限定为受控温室气体。

 

氨是从制冷发明到现在一直在工业制冷领域大量应用的制冷剂，有着优异的热力学性能和良好的环保特性。但是氨存在毒性以及爆炸风险，在人员密集区域限制使用，无论是在欧洲还是中国，氨的使用都是有一定的限制。

 

另一个主要的制冷剂二氧化碳，一百多年前曾经大量的应用，近些年随着氟利昂的环保问题而逐步得到重新的重视并有了越来越多的应用。二氧化碳有着优异的热力学性能，良好的环保特性 ODP=0；GWP=1，并且无毒，不可燃，便宜易得，应用场合基本不受限。

 

臭氧消耗潜势英文缩写ODP（Ozone Depletion Potential），又称臭氧损耗潜势或臭氧消耗潜势值，指的是单位质量的某种气体在大气中引起的臭氧总量变化量相对于单位质量的三氯氟甲烷在大气中引起的臭氧总量变化量的比值。该比值测量的是某种气体对大气的长期效应，且该比值不随时间变化。

 

全球变暖潜值（Global Warming Potential，简称GWP）指温室气体影响全球气候变暖的能力，以二氧化碳为基准，1单位二氧化碳使地球变暖能力为1，其他气体均以其相对数值来表示。