年冬奥会日益临近，自10月5日起至12月底，“相约北京”系列冬季体育赛事将陆续在北京、延庆、张家口三大赛区展开，10月10日，为期三天的“相约北京”速度滑冰中国公开赛在国家速滑馆“冰丝带”落下帷幕。

“冰丝带”首次迎来外国运动员参赛（图片来源：北京日报）

在北京冬奥会里，我们不仅有“最美的冰”，还有“最快的冰”。“最快的冰”来自国家速滑馆，也就是“冰丝带”，这里将承担速度滑冰项目的比赛。

“冰丝带”（图片来源：北京日报）

“冰丝带”中采用的二氧化碳跨临界直冷制冰技术是当前冬季运动场馆最先进的制冰技术之一，将在北京冬奥会进行大规模应用。

冰丝带的冰面，采用最新的二氧化碳制冷，全球尚属首例（视频来源：BTV冬奥纪实）

制冷剂二氧化碳的应用历程是什么样的呢？二氧化碳跨临界直冷制冰技术到底有多先进？相比其他制冰技术，它又有哪些优势，工作原理是什么呢？

冰雪运动与制冷技术

据记载，人类很早就开展了冰雪运动。年，英国成立了世界上最早的滑冰俱乐部。年英国出版了世界上最早的有关滑冰的书籍。年，最早的滑冰比赛在英国举行。年，钢制冰刀问世，滑冰运动开始得到飞速的发展，产生了以竞速为目的的速度滑冰比赛。早年的冰场是利用天然冰面的自然冷源，随着制冷技术的发展，人类开始研究人造冰，人造冰的制取包括制冰方式、制冰装置和冰的形状三方面内容。

冰雪运动（图片来源：新华社）

年，人类利用制冰技术在英国伦敦建成了世界上第一座人工冰场。人工冰场的建立促进了冰上运动的发展，美国、瑞典和加拿大等国家相继建成了多所人工冰场，截至年，美国和加拿大有超过座人工冰场，数量全球最多。

我国自古以来也有利用天然冰雪的运输或娱乐活动。滑雪或马拉爬犁有着非常悠久的历史。作为现代体育运动，我国到年出现了人工冰场，于年首次参加冬季奥运会。

年普莱西德湖冬奥会（图片来源：新浪体育）

年，北京和河北张家口成功申办年冬奥会。年北京、张家口冬奥会将设7个大项和个小项。北京将承办所有冰上项目，建设“冰丝带”国家速滑馆，共平方米的冰场，包括大道速滑、短道速滑和冰球赛场等6个分区，将采用先进的二氧化碳跨（亚）临界制冷系统，这在奥运史上是第一次。

制冷剂二氧化碳的应用历程

年，亚历山大·特文宁在所申请的英国专利中首次推荐将二氧化碳用于蒸气压缩系统。随后，撒迪厄斯·S·C·劳不仅将二氧化碳成功用于军用气球，而且发现了可以将其用作制冷剂。他便建造了以二氧化碳为制冷剂的制冷设备生产厂并于年获得了英国号专利，随后于年建造了制冰机。他还建造了船用制冷机器，以便在墨西哥湾运送冷冻肉。年，卡尔·林德为德国埃森市克虏伯公司设计了二氧化碳制冷机。年W·瑞德凭借二氧化碳压缩制冰系统获得了英国号专利。年，J·哈里森凭借着设计的二氧化碳制冷设备，获得了英国号专利。年，德国弗朗茨设计了二氧化碳压缩机并获得了英国号专利，这一成果极大地促进了二氧化碳制冷剂的应用进程。19世纪90年代前后，J＆EHall公司收购了弗朗茨的专利，予以改进后开始进行生产，Hall公司的二氧化碳压缩机在船舶上得以普遍应用，替换了先前使用的空气压缩机。20世纪40年代英国船舶几乎全部在使用二氧化碳压缩机。直到19世纪90年代，美国才将二氧化碳用于制冷。年，KroeschellBros锅炉公司在芝加哥建立了KroeschellBros制冰机公司，来生产二氧化碳压缩机。Kroeschell车间制造二氧化碳制冷压缩机、冷凝器、水和卤水冷却器、高压二氧化碳、阀件以及冷藏系统的配件。年，Kroeschell锅炉公司与Brunswick制冷公司合并成NJ公司，生产氨压缩机及其配件。年，FredWittenmeier从Kroeschell公司制冷部门辞职后，成立了芝加哥的另一家二氧化碳制冷机械公司。

氯氟烃结构图（图片来源：百度百科）

20世纪40年代，人们称为“安全制冷剂”的氯氟烃逐步取代了二氧化碳，成为了普遍使用的制冷剂。然而，随着对制冷剂认识的逐步深入，科学家渐渐发现氯氟烃会破坏臭氧层。这一发现掀起了全球范围内对氯氟烃替代物的火热研究。由于氢氟烃不会消耗臭氧层，它便成为取代氯氟烃的首选工质。但氢氟烃有相当高的全球变暖潜能值，它不仅是限制排放的温室气体，而且是人工合成物质，本非大自然所有，一旦泄露进入大气中，会对环境造成不良影响。因此，学者普遍认为应当首选自然界中已有的物质作为制冷剂。GustavLorentzen和JosteinPettersen提出，传统制冷剂二氧化碳可以很好地解决由于制冷剂的使用而带来的环境问题。

二氧化碳的性质近代以来，二氧化碳倍受大众的青睐与其优良的性质是分不开的。首先，二氧化碳沸点较低，单位容积制冷能力较强，对于一定的负荷而言，通过系统的体积流量较小，从而便于减小压缩机的尺寸。其次，二氧化碳无毒、不可燃、不易爆，可与各种润滑油配合使用；对合金等材料无腐蚀作用，相容性好。再次，二氧化碳的黏度和密度较小，能够减小流动阻力和系统管径，使系统进一步小型化，节省机房面积。另外，二氧化碳的热交换特性良好，能够减少蒸发器、气体冷却器的换热面积，使系统更加紧凑。最后，二氧化碳是大自然的组成成分之一，它的臭氧消耗潜值ODP(OzoneDepletionPotential)为0，全球变暖潜能值GWP(GlobalWarmingPotential)为1，而且二氧化碳本为工业副产品，将其用作制冷剂，则可以废物再利用。从而使这些废物免于排入大气，进而二氧化碳的GWP就应为0。

二氧化碳直接蒸发式冰场的兴起

人工冰场是用人工制冷的方式实现冰场的冻结，原则上不受气候和地域的限制。与人工冰场先后发展的，是冷库或大型制冰系统。区别在于，人工冰场要求的冰面是在室内的地面，短道速滑或冰球冰场的面积为1，平方米（60米×30米）标准冰面，最大的是米环型的大道速滑，通常是由两个平行滑道和两个圆弧弯道组成，分解每个区块，约为2，平方米左右。

人工冰场典型场地构造（图片来源：制冷技术）

在人工制冷的方式上有间接制冷即载冷剂（盐水或乙二醇）制冷和直接蒸发式制冷两种技术。载冷剂制冷也称间冷式冰场，其优点是安全，制冷剂的充注量较少，载冷剂的管道可用塑料管，并且不需要考虑大系统回油问题。其缺点也是显而易见的，除去要增加一次传热过程，盐水或乙二醇的黏性大，并且携带的是湿热，为保证冰场温度的一致性，载冷剂的流量很大，泵功率上升。直接蒸发式简称直冷式冰场，制冷剂直接在水平蒸发管内流动并沸腾吸热，冰场温度均匀，换热效率高，但要求蒸发管承压，对管道焊接工艺要求很高，工质充注量大，通过工质循环泵加大工质的循环量，特别要解决好制冷系统的回油等问题。无论间冷式还是直冷式，要求冰面温度均匀性相同，两者的差别主要体现在耗电量上。

在室内的滑冰场制冷剂的选择上，很早就有氨直冷式冰场和氨间冷式冰场，也有各种氟利昂直冷式或间冷式冰场。由于合成制冷剂进入了淘汰进程，对臭氧层有破坏和温室效应大的制冷剂将不再应用，氨在室内冰场有一定的危险性，今后可选的制冷剂只能是二氧化碳，实现跨（亚）临界直接蒸发式制冷系统。

二氧化碳跨临界直冷制冰原理

“冰丝带”中的冰面尺寸为31米×61米。制冰过程中，多台二氧化碳压缩机同时运作，冰板层里制冷管道内低温二氧化碳与冰板混凝土进行换热，冰板混凝土温度逐步降到零下十几摄氏度，制冷团队不停地在冰板上洒水作业，冻成每层几毫米的冰面，经过很多次这样的工序，厚度几十毫米的冰面才能冻结成功。

制冰师打造冰面精益求精（图片来源：北京日报）

小到家用冰箱，大到商业冷库，所有制冷活动的核心都是制冷机。制冷机主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器4个部分组成，其中的关键物质就是制冷剂，不同的制冷剂可以达到的最低温度也不同。

典型二氧化碳跨（亚）临界制冷直接蒸发式制冷系统（图片来源：制冷技术）

制冷机的工作原理，首先是气态制冷剂进入压缩机，通过压缩机的压缩，制冷剂温度升高；然后，这种温度较高、压强较大的制冷剂蒸气进入冷凝器，在这里高压蒸气放热变成高压液体，热量在这一环节通过冷凝器排到外界或进行余热利用；接着高压液体通过膨胀阀的降压，变成低压蒸气加液体的混合物进入蒸发器；最后，液态制冷剂在由于压缩机的抽吸作用而保持很低压强的蒸发器中迅速蒸发变成气体，吸收热量，温度降低，此时如果周围有水就会冻结成冰。最后变成气体的制冷剂又被吸入压缩机，进入下一个循环。

二氧化碳可以像氟利昂或氨一样作为制冷剂，它的制冷循环原理与普通制冷剂基本相同，都是蒸气压缩制冷（或热泵）循环，但是在细节上又有所不同。通常二氧化碳液体罐中储存有较多的液体二氧化碳，通过二氧化碳泵，以制冷需求量的1.5—2.5倍供液，可以保证冰场各处的温度更均匀；压缩机多为数台，实际应用时可根据制冷量的变化控制开启台数；由电脑控制的电子膨胀阀可根据制冷量大小以及环境温度变化精确地控制二氧化碳蒸发温度。

资料来源：

1.《冰雪之最》.当代体育

2.《我国制冰设备概述》.制冷技术

3.《我国人工制冷冰场的现状与未来》.制冷学报

4.《CO2跨（亚）临界制冷人工冰场的分析与研究》.制冷技术

5.《CO2制冷技术的研究发展》.节能

6.《“冰丝带”准备就绪迎接冬奥会》.光明网

7.《首场冬奥测试赛通过“测试”，“相约北京”速度滑冰中国公开赛落幕》.北京日报

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