速度与激情!北大教授带你体验国家速滑馆

炎炎夏日,国家速滑馆“冰丝带”内清凉十足,游客们在冰面上尽情飞驰,感受运动的魅力。据国家速滑馆常务副总经理朱景明介绍,开馆第一天,游客人数就超过3000人。他们中有滑冰初学者、资深爱好者、退役运动员以及“重温北京冬奥”的赛时志愿者等,有的游客甚至早上6点从郊区赶来等候入场。

7月10日,“最快冰面”迎来两位“重量级”参观者——北京大学李兆基讲席教授、理学部主任谢晓亮和北京大学工学院教授、博士生导师张信荣。他们察看了冰面状况和制冰系统运行情况,对场馆建设运行提出了指导意见。让我们跟随张信荣的讲述和谢晓亮的滑行体验,共同走进这座有着奥运历史上最快、最环保冰面的场馆。

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,这块近12000平方米的超大冰面一直是外界瞩目的焦点,因为在百年冬奥的历史上,它第一次使用了二氧化碳作为制冷剂,而这项技术背后,张信荣的团队功不可没。

张信荣是天然工质热力学循环及其传热传质领域著名的研究者,也是多项国际天然工质CO2发电、制冷和制热热力学循环的创始人。他告诉记者,历年冬奥会冰上场馆最常采用也是技术上最成熟的制冷剂是氟利昂,但传统氟利昂会对人类赖以生存的臭氧层造成破坏,并具有强烈的温室效应。其他的制冷剂也存在着排放强烈的温室效应及爆炸的危险,有些还具有毒性。但二氧化碳制冷更安全绿色环保,相比传统制冷方式,二氧化碳制冰能效提升30%,一年可节省约200万度电。冷热一体化系统还能将制冷产生的余热回收,用于热水供应、供暖、除湿和融冰等用途。

2003年底,张信荣在国际上第一个提出二氧化碳跨临界热力学循环发电的想法,不过由于当时水蒸气、氟利昂发电的主导地位难以撼动,他的创新性观点也遭受到种种质疑。

张信荣没有放弃,带领团队参与某非金属材料加工企业的项目,使跨临界CO2大型机组能源技术首次投入应用。该企业过去需要热水时烧锅炉、需要冷量时开空调,两套独立设备能耗成本高昂,而以二氧化碳为核心的新系统可以高效实现冷热一体化,通过能量搬运替代了锅炉和空调,实现了环保和节能的目标。通过这一项目,张信荣的团队积累了大量的跨临界CO2冷热能源转换技术的实际应用经验。

2015年北京冬奥会申办成功后,国家高度重视绿色办奥,张信荣也不断呼吁扩大二氧化碳制冷技术的使用。他的系列成果引起国际奥组委和国家奥组委的关注。2017年起,张信荣先后受邀成为“北京市2022年冬奥会工程建设领域专家”“国家速滑馆CO2跨临界制冷系统专家”和“国家速滑馆智慧场馆建设和应用关键技术研究与示范应用专家”。从此,张信荣开启了自己的冬奥情缘。

谢晓亮是资深“冰迷”,自幼热爱冰嬉的他体验过世界上多个室内冰场。在“冰丝带”上试滑了几圈后,他连连赞叹,和自己之前滑过的冰面相比,这个冰面很“丝滑”,滑着非常舒服。高质量冰面的背后是参与设计的张信荣团队日以继夜的艰辛探索与攻关。

在2017年张信荣刚刚被聘为北京冬奥会工程建设领域专家时,由于种种原因,国内应用二氧化碳制冰还更多停留在理论和实验层面。而放眼全球,即便是最早探索二氧化碳制冰的北欧国家,也是近年来才在相对较小的1800平方米的标准冰场上使用这项技术。将二氧化碳作为制冷剂应用于12000平方米的“冰丝带”冰面绝非易事。

“当时很多人对我们的设想有疑问,质疑我们是不是只是在理论上做了一些演算,是否真正能够用到这么重要且规模巨大的奥运赛场上。”

到底使用氟利昂还是二氧化碳?在冬奥会筹备的数年时间里,北京冬奥组委和国家速滑馆进行了专业而漫长的调研论证工作。经过多次专家论证会、综合考虑各种因素后,2019年,国家速滑馆最终选择了张信荣最早提出的建议,使用二氧化碳作为制冷剂,采用跨临界二氧化碳直冷制冰技术——这也是张信荣团队多年以来一直研究的课题。

“‘冰丝带’是12000平方米的超大型冰面,面积越大,越难保证冰面温度的均匀性。如果用过去使用防冻液间接制冷的话,防冻液本身铺开后各个区域温度不同,会导致冰面硬度不均匀。二氧化碳在相变过程中温度不变,效率又非常高,同时还非常环保。”

前沿技术的使用并非一帆风顺。比如,跨临界二氧化碳压缩过程目前还离不开润滑油,润滑油会一直随着二氧化碳在系统里流动,特别是压缩完之后,超临界二氧化碳和油是完全互溶的,较难分辨。“如何能在液态二氧化碳进到冰面下之前,把油全部分离出来,成为一项棘手的工作。”

有一次,张信荣在检查CO2能源装备时不见了油的踪迹,他带着团队在现场持续“蹲守”排查问题。最终发现,大部分油留在了气液分离罐中。“当时,我把阀门一打开,油全都喷出来了,喷得我全身是油。”张信荣笑着回忆到。二氧化碳气液分离的时候,油的比重比较大,就沉在下面了。有了这次经验,问题解决向前迈进很大一步。张信荣带着团队改进了二氧化碳制冷系统设计,确保了二氧化碳和润滑油完美地分离开来,保持了系统正常工作。

尽管研究充满着艰辛,但最终成果还是可喜的——国家速滑馆“冰丝带”的冰面温差最终得以控制在±0.5℃,远高于奥组委提出的±1.5℃标准。冰面温差越小,冰面的平整度和硬度越均匀,滑行速度就能越快,这也成为了“冰丝带”助力奥运纪录“扎堆”的“神秘武器”,优质的冰面和节能环保的先进理念受到了国内外选手的一致好评。

张信荣团队也充分考虑到复杂工况下冰面质量的保障以及冰面的可持续使用问题。他们首次运用了可调节二氧化碳喷射技术,不同的喷射压力适用于不同的环境温度。

“这样制冰的过程就不受气候条件制约,无论是冬季还是夏季,一样可以制冰;无论游客数量多少,冰面温度也不会产生大的波动,实现高效率可持续运行。”

北京冬奥会期间,谢晓亮在他的课程“分子和细胞生物学中的物理化学”中运用了张信荣团队二氧化碳制冰技术作为案例讲述热力学第二定律。“我一直想亲眼看看冰场,这次来到现场感到非常振奋,张信荣老师多年甘坐‘冷板凳’,潜心致力于国家所需,为我国绿色办奥、碳达峰碳中和目标以及世界生态安全作出了贡献,其成果体现了北大学者为国担当的精神,也体现了北大在工程技术领域的创新活力。”谢晓亮说,“我希望北大师生以张老师为榜样,以科学研究服务国家需求、造福百姓,传承北大精神。”

北京冬奥会结束了,但张信荣探索的脚步并未止步。制冰技术同样可以用于造雪。国家速滑馆外空地上,已经规划好一条蜿蜒的跑道。今年冬天,这里即将成为一条长度为1.5公里的滑雪道,并计划应用张信荣团队的二氧化碳造雪技术。

传统造雪技术对环境温度要求较为苛刻,需要在零摄氏度以下的条件进行。二氧化碳造雪技术可以实现零摄氏度以上造雪,造出的雪接近天然雪的品质,能耗也较低。“传统造雪1米立方米消耗30度电左右,而二氧化碳造雪只消耗9-22度电,节约能源30%到50%。”张信荣说。

“实现零上造雪最重要的意义在于扩大了造雪的应用范围。”张信荣团队参与了诸如上海等地滑雪场造雪技术的设计等工作,在南方城市推广冰雪设施建设条件已经成熟。而这次“冰丝带”在冬奥会后近半年时间在北京的成功运转,也为在南方城市推广二氧化碳冰雪制造技术积累了实际经验。

今年1月4日,习总书记在考察国家速滑馆时强调,“要发挥好这一项目的技术集成示范效应,加大技术转化和推广应用力度,为推动经济社会发展全面绿色转型、实现碳达峰碳中和作出贡献。”

这次北京冬奥会所秉持的“科技奥运”的理念正是一次非常好的推动科技创新的契机。张信荣告诉记者,多年来,他一直探索研究如何把二氧化碳作为一种资源加以利用,在“双碳”的目标下,张信荣希望北京冬奥会能够成为一个起点。未来,大到食品、石油、化工、机械、航空航天等领域,小到家庭里的空调、热水器,只要涉及到冷、热、电、动力的应用场景,二氧化碳都能在各行各业的能源替代上发挥很好的作用。

采访结束的第二周,张信荣将前往鄂尔多斯的煤化工产业调研,计划将传统能源系统改造为二氧化碳冷热一体化系统。“煤化工工厂一方面要烧锅炉,另一方面还需要制冷,使用二氧化碳冷却系统既解决制冷问题,也不必烧煤,资源与成本的节约还是很可观的。”

“虽然已不是第一次来到这个场地,但是每次都有心潮澎湃、激动不已的感觉,”张信荣表示:

“看到多年的研究成果对国家有一点贡献,自己深感欣慰。面对国家重大需求,我们责无旁贷,理应做好力所能及的事情。”

Leave a Comment