北京冬奥会开幕已经进入倒计时，各大场馆已经完成制冰造雪。这是中国第一次举办冬奥会，在制作符合奥运标准的冰雪方面没有经验和案例可以借鉴。作为冬奥会场馆的“血液”，冰雪从何而来？能达到冬奥会的要求吗？
作为中国提出“双碳”目标后举办的一次重大标志性事件，北京冬奥会将“绿色奥运”理念贯穿于整个筹办过程，向世界展示了一个大国的责任和担当。如何开发绿色低碳的制冰造雪系统，生产高效的国产冰雪，落在了制冷“国家队”中粮工程北京分公司的肩上。
中粮集团(华商国际工程有限公司)工程北京分部，其前身商务部设计院，是国内领先的工商制冷技术设计单位。为备战北京冬奥会，中粮工程北京分部专门组建了冰雪团队，承担了以国家速滑馆、国家单板滑雪中心、国家高山滑雪中心为代表的冬奥会五大核心场馆的制冰造雪系统设计。
“为了贯彻‘绿色奥运’的理念，我们在设计冬奥会场馆的制冷系统时，不仅需要考虑绿色制冷剂，还需要考虑制冷系统长期运行的低能耗要求，即兼顾环境友好、低碳节能、稳定可靠。”中粮集团工程冰雪团队创始人、冬奥会项目总经理王斌表示，中粮工程负责的场馆制冰造雪已通过实际检验并交付使用，为冬奥会冰雪运动贡献了绿色低碳高效的“中国方案”。
应用天然制冷剂创造绿色制冰技术
与依赖自然制冷的室外溜冰场不同，冬奥会所有冰上项目都在室内举行。室内冰场采用人工制冰方式，可以严格控制冰面的温度和湿度，为运动员创造公平的比赛环境和挑战极限的基础。
国家速滑馆制冰。中粮集团北京工程部供图
国家速滑馆是北京冬奥会的主会场，举办速滑比赛。王斌说，在举办国际顶级冬季赛事时，冰面上哪怕是最轻微的瑕疵都可能影响运动员的表现。每一寸冰面都要光滑平整，温度要均衡。隐藏在冰面下的制冰系统尤为关键。
2017年，中粮工程冰雪团队开始参与国家速滑馆的前期技术交流和后期制冰系统设计。制冰系统的原理类似于家里的“地热供暖”。冰面下放置几根制冷管，通过制冷剂在其中的流动和热交换来冷却冰面。制冷剂在制冰中起着重要的作用。用什么制冷剂，用什么系统制冰，是国家速滑馆绿色施工的关键。
最初讨论国家速滑馆制冰方案时，历届冬奥会场馆普遍采用的氟利昂制冷和乙二醇制冷的常规制冰技术方案很受欢迎。“这个方案无论从技术成熟度还是实现难度都没有问题。但缺点是使用氟利昂制冷剂，全球变暖潜力大，环保性差，制冷剂制冷二次换热造成的能耗也大。这些缺陷也使得这个方案并不完美。”王斌说。
在“绿色奥运”理念的指导下，国家速滑馆制冷剂的确定历时18个月，经过数十轮的技术交流和论证，业主、专家和设计师最终选择了一个不同于往届冬奥会的方案，采用了一条环保性最好、能效大幅提高的技术路线，即二氧化碳转注技术
王斌说，二氧化碳在自然界很丰富，廉价易得。而且作为制冷剂，其臭氧消耗潜能值为零，全球变暖潜能值为1，避免了全球变暖潜能值较高的常用氟利昂制冷剂带来的温室效应。二氧化碳这种天然工质作为国家速滑馆的制冷剂，提高了冬奥场馆的绿色品质，有助于实现“碳中和”的目标。
在设计中，除了考虑绿色制冷剂，还需要考虑低能耗制冷系统的长期运行，从而打造低碳节能的场馆。“二氧化碳制冷系统的制冷会带走冰层下的热量，实现溜冰场的快速降温。在常规系统中，这部分废热通常直接排放到室外环境中。如果能加以利用，将大大提高整个制冷系统的能效。”王斌说，国家速滑馆制冷系统设计团队应用了冷热联供技术，将二氧化碳制冷产生的优质热能储存在水箱中，可用于冰面维护、场馆生活热水等。这项措施大大降低了场馆运行的能耗。
除了低碳环保，工程师还要考虑制冰质量。冰面的温度和均匀度会直接影响冰面的质量，冰面的温差会造成冰面硬度的不均匀。采用二氧化碳直冷制冰技术，可以最大限度地减小冰面温差，保证冰温均匀，提高冰面质量。
国家速滑馆敲定二氧化碳制冷剂，采用跨临界二氧化碳直冷制冰技术，被认为是最环保、最先进的制冰技术之一。二氧化碳制冰系统避免了传统制冰系统与制冷剂的二次热交换。与传统技术相比，其综合能耗降低30%以上，场馆一年可节电约200万度。
由于技术要求高，控制难度大，近年来，在世界各地1800平方米这种相对较小的标准冰场，都有二氧化碳跨临界制冰的案例。这项技术在12000平方米的超大冰面上的应用在世界上是前所未有的，尤其是在冬奥会项目上。在中粮工程冰雪团队的不懈努力下，国家速滑馆冰面温差最终被控制在0.5摄氏度以内，低于北京冬奥组委要求的1.5摄氏度，使场馆具备了成为最快出冰的硬件条件。
“二氧化碳跨临界直冷制冰技术在国家速滑馆的创新应用，对推动冰雪产业低碳发展产生示范效应具有更大意义。”王斌说，其他很多冬奥场馆也借鉴国家速滑馆的经验，采用二氧化碳制冰系统。据统计，北京新建和改造的冰面有9个，其中绿色低碳的有5个。
化碳跨临界直冷制冰技术，践行了“绿色办奥”理念。创新研发冷热联供技术回收废热
雪车雪橇比赛被誉为冬奥会“冰上F1”，滑行最高时速超过130公里。位于延庆赛区的国家雪车雪橇中心赛道全长近两公里，最大坡度18度，整个赛道高差达121米。主赛道包含16个弯道，是亚洲唯一一条具备360度回旋弯的赛道。整条主赛道由54条形状各异的赛道段构成，冰面全面积达1万多平方米。
雪车雪橇赛道设计在冬奥会项目中单项难度最高，赛道形状及速度曲线和赛道制冷制冰系统给设计带来极大挑战。国家雪车雪橇中心赛道冰面洁白光亮，其制冰原理是通过制冷系统对赛道表面进行制冷换热将水变成冰。但与室内冰场不同，雪车雪橇赛道高差大、距离长、各段赛道形状不同，对制冷稳定性提出考验。
中粮工科冰雪团队从绿色、节能、稳定性等多方面考量，选取氨作为国家雪车雪橇中心制冰系统制冷剂。王斌说，氨是天然制冷工质，具有绿色、高效等优势。和国家速滑馆一样，国家雪车雪橇中心也采取直接蒸发制冷技术，最大程度减少二次换热带来的能量损失。由于赛道设置于室外，赛道制冷负荷受室外环境温湿度影响大，考虑系统节能性和稳定性，雪车雪橇中心制冷系统内的制冷设备多采用变频技术，可确保在部分制冷负荷情况下保障制冷系统高效运行。制冷系统还应用了多项节能技术，如氨热泵系统，板壳式高效换热技术，高自动化智能控制系统等。
在国家雪车雪橇中心项目，中粮工科冰雪团队联合国内企业创新应用冷热联供技术，在制冷系统基础上还设计了一套氨高效热泵机组，将制冰产生的制冷废热回收和能级提升，用于场馆冬季采暖，补充场馆对热能的需求。这是氨热泵系统首次在冬奥雪车雪橇项目使用，相比单一的电制热，冷热联供技术极大节省了制热系统侧所需能源。
技术人员监测国家雪车雪橇中心赛道状况。 中粮工科北京事业部供图
考虑到室外20摄氏度环境下制冷制冰负荷，每条赛道段设置温度远程传感设备，可实时监测赛道混凝土温度，王斌说：“我们在2021年夏季室外温度超过25摄氏度时，进行了全赛道结霜及满负荷运行测试试验，确保这套制冷制冰系统稳定运行。”
赛道表面温度均衡性是保障高质量制冰的前提，赛时，中粮工科团队技术人员将全天候保障制冷系统，实时检测赛道温度，确保赛道稳定运行。
造雪水源优先利用天然降水
高山滑雪被誉为“冬奥会皇冠上的明珠”，位于延庆赛区的国家高山滑雪中心最高海拔达2198米，共设7条雪道，最长赛道长度约3千米，垂直落差约900米，是国内最高等级的高山滑雪赛道，也是国内唯一符合冬奥会标准的赛道。
之前国内并无冬奥会高山滑雪项目设计及建造经验，而且国家高山滑雪中心雪道坡度大，落差大，加上部分区域作业面极窄、地质结构复杂等因素，建设难度相当高。中粮工科冰雪团队创始成员、国家高山滑雪中心造雪系统设计负责人孙天慧说：“造雪需充分考虑场地高差、温度、湿度、用水等多方面因素，在满足国际雪联对赛道要求前提下，造雪机房选址、造雪设备及管线布置等均充分考虑了生态保护因素，尽最大努力减少对生态的影响。”
国家高山滑雪中心造雪面积达80万平方米，如何用水造出120万立方米的雪？孙天慧说，为确保造雪安全、经济、高效，国家高山滑雪中心采用世界上最先进的造雪系统，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。
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。
完成造雪的国家高山滑雪中心。 中粮工科北京事业部供图
据气象部门预报今年冬天延庆赛区海陀山山顶温度最低将达到零下40多摄氏度，大风最高有12级，且雪道最大坡度达68度，如何实现保质保量造雪？孙天慧介绍，国家高山滑雪中心采用智能化造雪系统，170台造雪机和30台雪枪根据不同需求，排布于雪道上风口。位于控制中心的智能系统就像“大脑”一样远程控制，精准“掌控”每台造雪机的造雪高度、方向等，以适应气候条件变化。
人工造雪过程与自然降雪原理相似，造雪供水系统提供压力约2MPa左右的高压水给造雪设备，水经造雪机喷嘴雾化，造雪机核子器内喷出的压缩空气与雾化水凝华为雪核，当外界温度达到成雪条件时，雪核与喷出的水雾在空气中结合，形成雪花，依靠造雪机提供的动力飘落在雪道上，压雪车将松软的雪压实，造出总面积80多万平方米的比赛用雪。
竞赛雪道为冰状雪，类似于冰面，需要先向雪道浇水，之后迅速将赛道压平，再由人工反复对雪道进行修整、塑形，直至达到光滑状态，确保运动员高速转弯时雪道表面平整光滑，确保选手不论第几个出场，雪道均处于相对完美的状态。
冬奥会比赛期间，冰雪保障团队将进驻国家速滑馆、国家雪车雪橇中心等冬奥场馆，为赛时冰面调整提供技术保障。王斌说，中粮工科保障团队将全力做好冬奥会技术保障，期待各国运动员能在绿色低碳、稳定可靠的冰面和雪上发挥出最高竞技水平。
“绿色成为北京冬奥会最亮丽的底色，描绘出我国生态文明建设与可持续发展的美丽画卷。我们相信冬奥会像夏奥会一样，为世界奉献一届精彩难忘的奥运盛会。”王斌说。
