天津大学马一太、田华教授团队 研发直冷制冰技术 制造稳定优质冰面

撰文/刘晓艳 王懿霖

为了给北京冬奥会参赛运动员良好的冰面体验，帮助他们发挥出最佳的竞技水平，天津大学马一太、田华教授团队在国家重点研发计划“科技冬奥”专项支持下，通过校企合作，研发出国际先进的二氧化碳跨临界直冷制冰技术，为各国冰上运动员制造了“最美、最快的冰”。

据悉，改造后的首都体育馆将承办北京冬奥会花样滑冰和短道速滑两个项目的比赛。对于这两个项目而言，优质的冰面有助于冰上运动员取得更好成绩，而获得优质冰面除了要依靠制冰师的高超技艺，制冰系统所决定的冰面温差均匀性和软硬度均匀性则是关键性基础。制冰机是人工冰场建设的核心设备，从历届冬奥会冰场制冰机来看，主要采用氟利昂等人工合成制冷剂技术或者氨制冷技术，前者具有严重的温室效应问题，而后者具有安全隐患。以二氧化碳为制冷剂、冰面下直接蒸发的制冰技术被认为是一种绿色低碳、高效节能的方案，但其关键技术一直掌握在欧美等国家企业手中。

天津大学马一太、田华教授团队在国家重点研发计划“科技冬奥”专项支持下，通过产学研协同攻关，与欧悦冰雪投资管理（北京）有限公司和艾斯特制冷与太阳能技术（北京）有限公司等8 家单位联合研发、设计和建造了具有自主知识产权的二氧化碳跨临界直冷制冰机组，并在首都体育馆冰场成功进行示范应用，服务北京冬奥会和国家冰雪战略。

该方案从二氧化碳制冰系统压缩、冷却、节流和蒸发四个过程进行节能设计：在压缩过程采用双级压缩，让源头耗能实现“事半功倍”；在冷却过程对冷却热量进行全显热回收，实现冰场浇冰、融雪等不同温度热水需求；在蒸发过程采用在冰面下直接蒸发吸热，为冰场提供稳定的冷量供应，并优化设计冰下蒸发盘管和土建，保障冰面温度均匀。该制冰机从关键部件到整机集成，均实现国内设计、加工、组装和运行，尤其是水冷式气冷器是国际上首次应用，有效解决了首都体育官冷却回路长的工程问题。该制冰系统综合节能超过50%以上，冰面温差可控制在0.3—0.4℃以内，无论是综合能效还是冰面温差均达到国际先进水平，为冰上运动员提供一个软硬度均匀稳定的优质冰面。

此外，由于首都体育馆同时承办花样滑冰和短道速滑两个项目，两个项目对冰面的冰层厚度和冰面温度还有不同的严格要求，需要根据赛程不断进行两种冰面的快速转换。项目组充分利用二氧化碳制冰温度均匀的特点，结合精准控制系统和线性降温策略，实现2 小时内的快速、高效冰面转换，远小于国际奥委会3 小时冰面转换的要求。

天津大学是国内最早开展二氧化碳跨临界制冷热泵技术研究的团队之一。研发设备所采用的二氧化碳跨临界直冷制冰技术是国家重点研发计划“科技冬奥”专项“制冰机研发及应用示范”项目的核心成果，田华教授为该项目负责人。