冬奥会的冰雪是如何制造的

苏更林

截至发稿时，举世瞩目的北京冬奥会已经进入倒计时，一场冰雪之上的“激情对决”即将展开。北京冬奥会的冰雪项目共设7个大项、15个分项、109个小项。其中，冰上项目包括短道速滑、速度滑冰、花样滑冰、冰壶和冰球5个分项；雪上项目包括自由式滑雪、越野滑雪、跳台滑雪、高山滑雪、单板滑雪、冬季两项、北欧两项、无舵雪橇、有舵雪橇、钢架雪车10个分项。冬奥会最大的特色和背景无疑就在于冰雪，冰雪来自哪里？制冰造雪有哪些秘密？“绿色冰雪”是怎么回事？中国将向世界提供解决方案。

根据科技部会同有关部门制订的“科技冬奥”重点专项实施方案，对二氧化碳跨临界制冷机组、造雪机以及赛事用雪保障关键技术研究等提出了具体的量化要求。二氧化碳跨临界直冷冰场的制冰机组要能进行全显热回收，制冰系统的冷热综合能源利用效率等指标要达标，而且直冷冰场要能够满足6种以上冰上运动项目对冰质的要求。针对雪上项目，造雪机要能在不同的地域及气候条件下，实现温度0℃、湿度50%的常态出雪，且雪质符合国际雪联标准。压雪车的主要参数要达到国际同类产品水平。同时，不同气候条件下冰状雪赛道要能够满足相关国际比赛项目对赛道的质量要求。

把先进的二氧化碳制冷技术应用于北京冬奥会，无疑是实现“双碳”目标的重大举措，具有重要的“标杆”意义。二氧化碳的名字大家耳熟能详，这R744又是什么意思呢？其实，二氧化碳制冷剂的学名就叫R744。

按照国际公认的制冷剂命名规则，R代表制冷剂（Refrigerant），7代表无机化合物，44代表无机化合物分子量的整数部分。44正好是二氧化碳的分子量。

事实上，二氧化碳作为制冷剂已有130多年的历史了，但其制冷效率并不高。特别是当环境温度稍高时，二氧化碳的制冷能力会更低，并且功耗也会增加。以R12（二氯二氟甲烷）为代表的CFCS（氯氟烃）类制冷剂的诞生，让低效的二氧化碳制冷剂辉煌不再，于1950年彻底退出制冷舞台。当然，干冰制冷不在此列。

1992年，挪威科学家洛伦岑首次提出二氧化碳跨临界制冷循环理论，从而为二氧化碳制冷剂的复出拓宽了思路。30年来，二氧化碳跨临界制冷循环一度成为制冷界的研究热点，但尚没有应用于冬奥会的先例。

在21世纪的前20年，冬奥会制冰基本上采用的是氨或R507为制冷剂，乙二醇为载冷剂的间接制冷方案。氨的制冷剂代号为R717，是一种价格低廉的高效制冷剂。氨对环境安全，臭氧消耗潜能值（ODP）为 0，全球变暖潜能值（GWP）为 0。但氨制冷剂易燃、有毒，并且具有刺鼻气味和腐蚀作用。R507属于HFCS（氢氟烃）类制冷剂，是一种不含氯的环保型制冷剂，具有优异的传热性能和低毒性，臭氧消耗潜能值（ODP）为 0，但全球变暖潜能值（GWP）高达3985。乙二醇则是一种无色微黏的液体，对金属有腐蚀作用，对动物有毒性。

在北京冬奥会上，国家速滑馆、首都体育馆、首体短道速滑训练馆、五棵松冰上运动训练中心4个场馆，在世界冬奥会制冰史上首次使用二氧化碳跨临界直冷制冰技术。R744为天然制冷剂，对环境的安全性远远高于R507。臭氧消耗潜能值（ODP）为 0，全球变暖潜能值（GWP）为1。并且，R744无异味、不可燃、不助燃，是环保性和可持续性最好的制冷剂之一。因此，R744可谓是冬奥会制冰史上的绿色“新秀”。

为什么“跨临界”如此重要？要回答这个问题，我们先得把概念搞清楚，并且是从“临界”开始。

每一种制冷剂都有自己的临界点，这是一个关于气液两相平衡的点。这个平衡点对应的温度和压力分别叫作临界温度和临界压力。

临界温度的意义为制冷剂工质液化的温度“天花板”，超过这一温度时，即使为工质加多大的压力也不能使其液化。为什么会是这样？原来，制冷剂工质在临界点之上是以超临界状态存在的。所谓超临界状态，是一种介于气态和液态之间的物态，但它既不是气态也不是液态。以二氧化碳为例，其临界温度为31.1℃，也就是说达到或超过31.1℃，无论怎么加压，二氧化碳也不能液化了。

其他常用制冷剂的临界温度要比二氧化碳高出许多。如前面提到的R12制冷剂临界温度为112.0℃，R507制冷剂临界温度为70.6℃，应用广泛的新型氢氟烃类制冷剂R134a临界温度为101.1℃。

要知道，制冷的核心在于热量的移除，只有把吸来的热量散发出去才能“轻装上阵”。按照常规的制冷循环，31℃就是二氧化碳制冷循环高温侧温度的一堵“墙”。如果环境温度接近30℃，工质与冷却媒介的温差就会小得可怜，那热量卸载就失去了“驱动力”。

在早期的制冷应用中，二氧化碳制冷循环是工作在临界温度之下的，与其他常规制冷剂并无二样，我们称之为亚临界制冷循環。既然二氧化碳具有临界温度低的先天不足，那么低效就成了二氧化碳退出制冷江湖的主要原因。如今，二氧化碳制冷重出江湖，那跨临界就是其起死回生的“还魂术”。所谓跨临界，说的是二氧化碳制冷循环工作在亚临界和超临界两个区域，制冷循环的吸热过程发生在临界温度之下，而放热过程发生在临界温度之上。

制冷机一般都是由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四大部分组成的。但对于二氧化碳跨临界制冰过程来说，对于吸热过程，与常规的制冷循环无异，换热以潜热为主；而对于放热过程，就与常规的制冷循环不同了，换热以显热形式进行。由于超临界流体区域不存在气体液化之实，因此气体冷却器取代常规的冷凝器，来负责二氧化碳工质的冷却。

二氧化碳跨临界直冷制冰，由于高温侧与环境的温差加大，提高了热量回收的可操作性。因此可以把制冰过程中产生的热量利用起来，从而为运动员淋浴、场地冰面维护以及融冰池融冰等环节提供宝贵的热能。

二氧化碳跨临界直冷制冰系统代表了制冰技术的最高水平，其中的“直冷制冰”含义为“直接蒸发式制冷”。也就是说，二氧化碳制冷工质通过制冷系统直接被送至制冷管路进行蒸发，以实现冰面温度的调节。直冷制冰的优势是十分明显的。

近20年来的冬奥会制冰方案全部都是间接制冰方式。如2002年美国盐湖城冬奥会采用的是“氨+乙二醇载冷剂”制冰方式；2006年意大利都灵冬奥会采用的是“R507+乙二醇载冷剂”制冰方式；2010年加拿大温哥华冬奥会采用的是“氨+乙二醇载冷剂”制冰方式；2014年俄罗斯索契冬奥会采用的是“R507+乙二醇载冷剂”制冰方式；2018年韩国平昌冬奥会采用的同样是“R507+乙二醇载冷剂”制冰方式。

在上述案例中，乙二醇充当的角色是载冷剂。所谓载冷剂，是指在间接冷却的制冷装置中，把被冷却系统（物体或空间）的热量传递给制冷剂的中间冷却介质。制冰机组通过蒸发器先将冷量传递给载冷剂，再将载冷剂泵送至冰面工艺层下面的制冷管路进行冷热交换，从而进行冰面温度的调节。在这个过程中，制冷剂（如氨、 R507）与载冷剂（乙二醇）的冷热交换，势必会造成部分冷量的损失，并且泵送载冷剂也会增加一定的能耗。因此，间接制冷的能耗较高，效率较低。间接制冷还具有制冷速度慢、制冷效果和冰面质量一般的特点。

二氧化碳直接制冷因为省去了载冷剂的中间环节，因此不存在制冷剂与载冷剂的换热损失以及泵送载冷剂导致的额外能耗，从而可以降低冰场制冰的能耗。

二氧化碳制冷管路以排管形式预埋在人工冰面的下面，制冷管路下面是防冻混凝土层和保温层，以保证二氧化碳制冷管路对下绝热。二氧化碳直冷制冰可将二氧化碳制冷剂直接输送到制冷排管中进行热交换，这样换热效率更高，冰面温度更准，冰面质量更优。如用二氧化碳直冷制冰可使冰面温差不超过0.5℃，这对于运动员水平的发挥是至关重要的。

在制冰过程中，多台二氧化碳压缩机可以同时工作。当冰板混凝土温度逐步降到零下十几摄氏度时，还需要在冰板上不停地洒水。这里的细节操作非常关键，反复进行这样的工序才能完成冰面的冻结。

考虑二氧化碳跨临界直冷制冰系统热能的回收利用以及直冷制冰的效率提升和能源节约，整个制冰系统的能源利用效率会大幅提升，使得整个系统的碳排放趋近于零。

滑雪运动需要拥有宽阔的滑雪场地，并且在场地上覆盖有一定厚度的积雪。对于冬天足够寒冷的部分地区来说，天然雪有可能成为滑雪运动的宝贵资源。对于绝大多数的地区来说，人工造雪才是开展滑雪运动的现实选择。

天然雪的形成是一个动态成长的过程，首先是在大气中形成细小的冰晶，然后这些小冰晶在下落过程中互相吸引进一步凝结成雪花。这里的小冰晶是雪花形成的必要条件，那么这些小冰晶是怎么形成的呢？原来，冰晶是水汽在晶核上凝华而形成的。这里的晶核也叫凝结核，主要来源于自然活动和人类活动，如沙尘粒子、矿物尘埃、火山灰和流星尘埃等。如果大气中没有凝结核，那么能形成雪花吗？答案是肯定的，但同质核化过程需要更低的温度，才能使水汽液化和凝华而形成晶核，并进一步成长为雪花。这也是纯净水在冰点时不冻结（过冷）的原因。

雪炮是人工造雪的重要装备之一，因此也被称为“造雪机”。雪炮适合于大面积造雪，其原理是快速把大量液态水转化为高压雾化的晶核。雪炮分为带压缩空气雪炮和风扇型雪炮两种形式，其原理大体一致。

带压缩空气雪炮用管子分别与压缩空气和高压水相连，高压雾化水在核子发生器的喷嘴处被压缩空气喷出去。在这个过程中，压缩空气的作用主要为：一是形成扰动的气流而把高压水雾化为微小的水滴，必要时可在喷洒的水滴中添加成核剂；二是通过空气和水滴的充分接触，高压空气迅速膨胀吸热造成的冷环境，可使得雾滴凝结成细小的晶核而被抛撒到空气中。接下来的事情就交给大自然了。这些细小的晶核还要在空中飘荡一段时间，利用大气环境中的寒冷和水汽等条件继续成长，以保证其在降落地面之前形成完整的雪花。

风扇型雪炮也被称为无压缩空气雪炮，与带压缩空气的雪炮不同的是，其利用大功率高速风扇来冷却雾化水。微小的水滴被高速风扇吹出后，会进一步变为细小的晶核。风扇型“造雪机”不需要空气压缩机，但高速风扇不如压缩空气膨胀产生的冷却效果好，因此要求环境温度更低一些才能奏效。

除了雪炮之外，还有一种枪式造雪机，由多个类似于枪头的喷雪器组成。枪式造雪机也有喷嘴和成核器，喷出的晶核可以利用自然高度的落差，在空气中降落的过程中结晶成长。枪式造雪机的抛程比较短，一般用于具有精确目标的人工造雪。

雪花原本是大自然的杰作，人工造雪也只是对大自然造雪过程的部分模拟。那么，人工造雪也需要“看天”吗？

雪炮作为雪花的“播种机”，喷出的只是雪花的“种子”（晶核），而不是最终的雪花。从雪炮喷出的晶核需要在自然环境中不断成长才能形成完整的雪花。因此，天气状况直接影响人工造雪的成败。

人工造雪是一门十分复杂的科学，需要技术和环境的协调才能造出低成本、高品质的雪。那么，“看天”应当看什么？首先，在滑雪场选址时就要充分了解该地区的降雪规律及其气候特征，这对于提高人工造雪效率和降低造雪成本具有重要的意义。同时，也要根据天气状况科学制定人工造雪的规划。从造雪机喷出的水滴（晶核）在大气环境中的成长，涉及热量和水分的转移，统筹考虑影响造雪的变量因素是至关重要的。

通常，人工造雪的最佳天气是寒冷和干燥。寒冷指的是环境温度要低，这样才能加快晶核与环境的热量交换，因此对造雪过程是有益的。干燥指的是环境相对湿度要低，因为远离饱和状态的空气湿度条件，才有利于晶核水分的蒸发，因此带来的降温效果才会更明显。

在人工造雪领域，湿球温度是一个硬性指标。由于其受到环境温度和相对湿度的共同影响，代表了特定环境中仅通过水分蒸发所能获得的最低温度。

湿球温度作为一个重要的气象指标，我们可以很方便地获取该数据。如果自己测量的话，可以用湿纱布把普通温度计的感温部分包住，并将纱布的下端浸于充水容器中，这样就成为湿球温度计了。将湿球温度计置于通风处，该温度计读数就为湿球温度。

一般地，濕球温度都要低于干燥时的环境温度，并且空气越干燥相同温度对应的湿球温度就越低。因此，越冷越干燥的天气越有利于人工造雪。据此可以选定适宜的时间窗口进行人工造雪，以提高造雪的效率和质量。

冰雪运动的基础是冰雪。用中国智慧打造的冰雪舞台，凝聚了当代世界最先进的冰雪制造技术。北京冬奥会的绿色冰雪，将为运动员的“激情对决”提供坚强的支撑。