二氧化碳快速“造冰”技術打造“最快冰面”

2月4日，北京冬奧會將拉開大幕，美麗低碳的冬奧場館也吸引了越來越多關注的目光。為了給參賽運動員良好的冰面體驗，幫助他們發(fā)揮出最佳的競技水平，天津大學馬一太、田華教授團隊在國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項支持下，通過校企合作，研發(fā)了國際先進的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術，為各國運動員支撐建造了“最美、最快的冰面”。

據(jù)悉，改造后的首都體育館將承辦花樣滑冰和短道速滑兩個項目的比賽。對于這兩個項目而言，優(yōu)質(zhì)的冰面有助于運動員取得更好成績，而獲得優(yōu)質(zhì)冰面除了制冰師高超技藝外，制冰系統(tǒng)所決定的冰面溫差均勻性和軟硬度均勻性則是關鍵性基礎。

制冰機是人工冰場建設的關鍵核心，從歷屆冬奧會冰場制冰機來看，主要采用氟利昂等人工合成制冷劑技術或者氨制冷技術，前者具有嚴重的溫室效應問題、后者具有安全隱患。

以二氧化碳為制冷劑、冰面下直接蒸發(fā)的制冰機技術被認為是一種綠色低碳、高效節(jié)能的方案，但其技術一直掌握在歐美等國家企業(yè)手中。此次以綠色冬奧、科技冬奧為契機，通過產(chǎn)學研協(xié)同攻關，歐悅冰雪投資管理(北京)有限公司、天津大學和艾斯特制冷與太陽能技術(北京)有限公司等8家單位聯(lián)合研發(fā)、設計和建造了具有自主知識產(chǎn)權的二氧化碳跨臨界直冷制冰機組，在首都體育館冰場進行示范應用，服務冬奧會。

田華介紹，該方案從二氧化碳制冰系統(tǒng)壓縮、冷卻、節(jié)流和蒸發(fā)四個過程進行節(jié)能設計：針對壓縮過程采用雙級壓縮讓源頭耗能實現(xiàn)“事半功倍”;針對冷卻過程設計全顯熱回收對冷卻熱量進行回收，實現(xiàn)冰場澆冰、融雪等不同溫度熱水需求;針對蒸發(fā)過程采用在冰面下直接蒸發(fā)吸熱為冰場提供穩(wěn)定的冷量供應，并優(yōu)化設計冰下蒸發(fā)盤管和土建保障冰面溫度均勻。

值得一提的是，本方案制冰機從關鍵部件到整機集成，均實現(xiàn)國內(nèi)設計、加工、組裝和運行，尤其是水冷式氣冷器是國際上首次應用，有效解決了首體冷卻回路長的工程問題。

“方案的系統(tǒng)綜合節(jié)能達到50%以上，冰面溫差控制在0.3～0.4℃以內(nèi)，無論是綜合能效還是冰面溫差均達到國際先進水平，從而為運動員提供一個軟硬度均勻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)冰面。”田華說。

此外，由于首都體育館同時承辦花樣滑冰和短道速滑兩個項目，兩者對冰面的冰層厚度和冰面溫度有不同的嚴格要求，需要根據(jù)賽程不斷進行兩塊冰的快速轉(zhuǎn)換。

項目組也充分利用了二氧化碳制冰溫度均勻的特點，結合精準控制系統(tǒng)和線性降溫策略，實現(xiàn)2小時內(nèi)的快速、高效冰面轉(zhuǎn)換，遠遠小于國際奧委會3小時冰面轉(zhuǎn)換的要求。

天津大學是國內(nèi)最早開展二氧化碳跨臨界制冷熱泵技術研究的團隊之一。設備所采用的二氧化碳跨臨界直冷制冰技術是國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項“制冰機研發(fā)及應用示范”項目的核心成果，田華教授為項目負責人。(科技日報記者 陳曦 通訊員 劉曉艷 )

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