技术“克隆”自然的冰雪奇缘

郑茂典 段永利

一支支中国冰雪制造“天团”，镌刻着冬奥会的“灵魂”，不仅要确保场馆每一寸冰面光洁平整、温度均衡，而且还要达到绿色低碳的环保效果，真正实现了绿色“用雪自由”。

冰雪是冬奥会的灵魂。

从远古洪荒鸿蒙初辟到当下人类追求绿色生活，在这一漫长历史过程中，人类文明大抵盘桓于溽热暖润的热带温带地区，而冰雪运动，也生动地体现出地理和经济条件对全民参与形成的决定性意义。

天遂人愿是一种祝福，天不遂人愿是每个人都需要面对的现实，一场被温度限定的奥运盛会，最大的问题莫过于想冷时太暖，愿热时太冷。

1980年之前，由于技术落后，冬奥会期间如遇突发情况影响比赛，人们只能望天长叹，但是到了1980年普莱西德湖冬奥会之后，这种情况就有了一定的改观。

1980年的普莱西德湖冬奥会由于降雪量不足，美国首次使用了人工造雪机，自此冬奥会完全“靠天吃饭”的局面有所缓解。1988年加拿大卡尔加里冬奥会又一次面临着冬季无雪的难题，该国花费近400万美元购得人工造雪机，并在所造的白雪中加入了一种类似酵母的细菌，使得人工造出来的雪花更白、更大、更结实，在暖风的吹拂下也能够保持原形。这届冬季奥运会也因此被称作“人工造雪冬奥会”;2014年的索契奥运会也面临无雪难题，俄罗斯在赛场附近修建了大型的储雪设施，储存了大量的雪花，光这一项就花费了将近4000多万人民币。

18个月  潜心谋划

造雪不难，但是造出好雪很难。

中国冰雪科研起步较晚，举办国际高水平冰雪赛事可供借鉴的经验也较少，赛道雪的参数标准一直掌握在国外技术团队手中。为此，一支支中国冰雪制造“天团”，镌刻着冬奥会的“灵魂”，不仅要确保场馆每一寸冰面光洁平整、温度均衡，而且还要达到绿色低碳的环保效果，真正实现了绿色“用雪自由”，这个任务难上加难。

“我们冰雪团队的工作就是为冬奥场馆制冰和造雪，承担了以国家速滑馆、国家雪车雪橇中心、国家高山滑雪中心为代表的5大冬奥核心场馆制冰造雪系统的设计工作”，中粮工科冬奥项目总负责人王斌介绍，在设计国家速滑馆制冷系统之前，大家就论证采用何种制冷工质和制冷技术话题。为此，设计团队梳理了从1988年加拿大卡尔加里冬奥会到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方案。

中粮工科有68年的历史，而他旗下的华商国际工程有限公司依托于优质平台和多年的技术积累，在冰雪制冷领域有较为丰富的经验，从2017年年初开始，王斌和团队就参与到五大冬奥核心场馆制冰造雪系统的设计和建造中。

一开始，很多人支持采用氟利昂制冷剂，因其技术成熟，实施难度可把控，但其环保性差，且能耗消耗较大。

经过将近18个月的比选，团队研究了历届冬奥会的场馆制冷系统的利弊，结合北京冬奥场馆建设秉持绿色和可持续发展的理念，又比对了目前市面上常见的各种制冷剂，经多方面综合考虑，最终在业主和专家的支持下确定采用二氧化碳跨临界直接制冷方式。

早在1869年，人类就建造出了用二氧化碳作为制冷剂的制冰机。20世纪40年代，“氟利昂”逐步取代了二氧化碳的制冷剂地位。近二三十年来，鉴于氟利昂会破坏臭氧层，导致全球变暖，二氧化碳开始重获青睐。

“项目的难点还在于国内外实行的标准不统一，需要组织国内外专家反复论证，在此过程中我们需要进行不断的科学论证、取长补短。”中粮工科冰雪团队副总监，国家雪车雪橇中心制冰系统设计负责人李坤说。

与前几届冬奥会场馆普遍采用氟利昂制冷+乙二醇载冷的制冰系统不同的是，2022年北京冬奥会要新建、改建7座冰上场馆、共9块冰面，均使用环保型制冷系统和制冷剂，最终决定其中5块冰面使用二氧化碳跨临界直接制冷系统。

1.2万平方米  锻造丝滑

国家速滑馆“冰丝带”拥有亚洲最大的全冰面设计，面积达1.2万平方米。2022年北京冬奥会期间，14块金牌在这里诞生。

速度滑冰，运动员的速度至少在每小时40公里以上，最快的速度可以达到每小时60公里甚至更高。冰面上若有一丝一毫瑕疵，都可能对运动员的发挥产生影响甚至伤害。这就要求每一寸冰面光洁平整、温度均衡。而要做到这点，背后的制冰系统就显得尤为关键。

在世界上首次应用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的“冰丝带”，表面晶莹剔透，其实整个制冰系统像“三明治”，冰面下还有钢筋混凝土层、保温层、防水层、夯填砂层等。这种设计不仅利于冰面下端的保温隔热，还能实时调节地面温度，保证冰层厚度与温度的一致性，助力运动员发挥出更佳水平。

在采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的过程中，“冰丝带”使用智能控制系统，让二氧化碳制冷剂在冰面下的合金钢管中昼夜不停地进行气液相变蒸发。多台二氧化碳压缩机同时工作，冰板层制冷管道内的低温二氧化碳与钢筋混凝土层进行换热，使温度逐步降到零下十几度。然后再不断向冰板上洒水，即可冻结成每层几毫米的冰面，最后经过多轮制冰工序，冷冻成厚度为30毫米的冰面，确保冰面良好的稳定性和温度的均匀性。

此外，“冰丝带”的冰面采用分模块控制单元，就像温度不一的“九宫格”，将冰面划分为若干区域，根据不同项目分区域、分标准进行制冰，可同时开展冰球、速度滑冰、花样滑冰、冰壶等多項冰上运动。

以冰温来说，花样滑冰一般要求冰面温度为-3.5℃，这样冰面比较软，运动员在空中旋转三周或四周后，落冰的冲击力不至于太大;短道速滑通常则要求冰面温度为-6.7℃至-7℃，冰面相对硬一些。太软，不利于冰刀抓地;太硬，冰面又比较脆。

二氧化碳跨临界直冷制冰技术同样应用在首都体育馆。由于承办两种不同的赛事，整个冬奥会期间，首都体育馆的冰场需要进行30次转换，以满足花样滑冰和短道速滑两种比赛项目的不同需求。最急迫时，两个赛事之间只有3个小时的转换时间。采用这项技术后，再结合精准控制系统和线性降温策略，可实现2小时内完成快速、高效的冰面转换。这个时间远远小于国际奥委会3小时冰面转换的时间要求。

0.65克  盖上“雪棉被”

高山滑雪项目被誉为“冬奥会皇冠上的明珠”，运动员赛程平均时速约为每小时130至140公里，最高滑行速度可达每小时248公里，因此赛道必须光滑而坚硬。而“冰状雪”的制造是铸造这一明珠的基石。

天然雪的雪质主要有冰状雪、粉状雪、浆状雪等，不同的温度和光照都会影响雪的质地。何谓“冰状雪”？清晨气温较低，雪的凝固程度高，水的密度较大，雪质偏硬，其表面有一层薄的硬冰壳，人站在上面就会打滑，这种雪质状态就是冰状雪。冰状雪铺就的赛道可以减少赛道表面与滑雪板之间的摩擦，很适合高速滑行——相当于高山滑雪比赛等项目的“高速公路”。

天然雪雪质难以控制，冰雪运动赛道不得不采用人工造雪的方式来搭建。冰状雪赛道分为两种，即竞速冰雪赛道和竞技冰雪赛道，两种冰雪赛道的制作过程都充满了挑战。北京属大陆季风性气候，冬春之交很可能出现沙尘暴、雨夹雪等极端天气，更增加了赛道制作的难度。2017年，在中国科学院院士、中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室名誉主任秦大河的带领下，中国正式组建北京冬奥会赛事用雪保障关键技术研究团队进行攻关。

造雪机造出来的雪密度通常在每立方厘米0.1克至0.4克，而冰状雪密度需要达到每立方厘米0.65克，若大于这个密度，雪就会变成冰。冰状雪的制作过程看似简单，但雪铺多厚、注水需间隔多长时间等具体参数都需要摸索。

过去，通常是依靠雪上巡视员观察来预测赛道雪质情况，这不仅耗时耗力而且还不够精确。为攻克这一难关，秦大河科研团队在北京冬奥会张家口赛区云顶滑雪公园建立起密集的气象观测网络，结合雪道雪质数据等关键参数，应用雪质监测和预报技术，构建起赛道雪质等级判别模型。

2019年至2021年，在北京冬奥会组委会协调下，经过成百上千次的现场试验，科研团队在分析大量数据的基础上，最终确定了最适合当地的冰状雪赛道制作方案。

经过不断技术攻关，团队不仅掌握了开展不同气候条件下属地化的冰状雪赛道制作技术，还研发了冰状雪赛道专业监测设备以及高效储雪技术。他们根据不同的气象条件，结合太阳光照射率等参数，通过反复试验后，选出经济性和实用性最好的方案为积雪“盖被子”，以应对突发天气变化。

5年多时间踏雪筑梦，科技工作者不仅成功研制出符合北京大陆性季风气候的“冰状雪赛道”，还研发出高效储雪技术，真正实现了绿色“用雪自由”。确保冬奥会用冰用雪实现“自力更生”，为参与北京冬奥会的国内外选手们呈现最完美的冰雪体验。

200万度电  绿色向未来

作为我国提出“双碳”目标之后举办的重大标志性活动，北京冬奥会将“绿色办奥”理念落实到筹办全过程，而这一过程，其实就是绿色技术不断进步的应用过程。

为落实“绿色办奥”理念，研究团队在设计冬奥场馆制冷系统时，除考虑制冷剂要绿色环保外，还需要考虑制冷系统长期运行的低能耗要求，兼顾环境友好、低碳节能和稳定可靠。

考虑到二氧化碳系统未来的长期运行能耗优势，中粮工科冰雪团队采用直冷系统，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。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进行回收后，可提供70℃热水用于场馆的生活热水、冰面维护浇冰、除湿等场景，通过数据比对，这一举措大大降低了场馆运营能耗。

国家速滑馆应用天然制冷剂打造绿色制冰技术，相比传统制冷技术，“冰丝带”在競技时可减少约900吨二氧化碳排放，有效缓解温室效应，综合能效可提升20%以上，场馆一年可节省电量约200万度，且能实现均匀冰面温度均匀，一举三得。在提升冬奥场馆绿色品质的同时，助力“碳达峰”目标的实现。

此外，研究团队采用智能化造雪系统，优先利用收集储存的天然降水、地表径流等作为水源。造雪用水主要来自延庆佛峪口水库，通过地下综合管廊，将造雪用水输送至赛区内的蓄水池蓄存，再由三级泵站将水注入雪道造雪系统。同时，国家高山滑雪中心还建设了完善的融雪水、雨水回收利用系统，雪融化后通过排水渠收集汇流，再流入佛峪口水库下游，实现水资源循环利用;并在局部区域设置防风栅栏，提高造雪用水利用率和造雪效率，最大程度节约水资源。

中国的二氧化碳制冰技术得到了国际奥委会和相关国际专家的充分认可，亚瑟·苏瑟兰德是国际奥委会制冰工程顾问，也是北京冬奥组委特聘专家，他认为相较于传统制冰剂，二氧化碳制冰剂是一种非常高效率的热转换制冰剂，且本身无毒无害;同时，这种制冰剂的热恢复能力潜质非常大，可以将整个冰场的热从一个地方传导到另外一个地方，使整个冰场各个区域的温度较为平均，从而也有利于运动员水平的发挥。苏瑟兰德认定二氧化碳制冰剂将成为未来更多国家的选择。

科技与美感兼具的冬奥场馆，无论在赛时还是赛后，年轮改变，角色不变，都将成为世人瞩目的技术名片和运动地标。