北京冬奧會(huì)速度滑冰的比賽開賽三天以來，在國家速滑館“冰絲帶”1.2萬平方米晶瑩剔透的冰面上，塵封多年的冬奧會(huì)紀(jì)錄屢屢被打破。

在二、三厘米厚的冰面下，埋了十余層不同結(jié)構(gòu)。防潮層、防凍層、滲透層……其中一層，是密布的制冰管，其中流動(dòng)著液態(tài)二氧化碳。它們是這塊冰面下隱藏的“硬核新科技”。

這是人類冬奧歷史上第一次采用天然工質(zhì)二氧化碳制冷技術(shù)替代傳統(tǒng)制冷劑氟利昂制造的冰面。北京大學(xué)工學(xué)院教授張信榮多年來一直研究與開發(fā)“跨臨界二氧化碳技術(shù)”，讓溫室氣體化身高效資源，在賽場上實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能最大化。

參賽選手們不關(guān)心用什么技術(shù)造冰，他們最關(guān)心的是自己的成績。而成績和冰面的硬度有關(guān)系?！氨洉?huì)滑得慢一點(diǎn)，冰硬會(huì)滑得快。更重要的是冰面硬度的均勻度，有些地方硬、有些地方軟，就會(huì)影響滑冰的速度?！睆埿艠s解釋稱，冰的硬度和溫度相關(guān)，冰面不同區(qū)域溫差越小，冰面的平整度和硬度越均勻，滑行速度就能越快，這有利于運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造出好成績。

經(jīng)過研究與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的努力，國家速滑館“冰絲帶”這塊通過二氧化碳制冷制造的冰面溫差最終控制在0.5℃，低于奧組委提出的1.5℃標(biāo)準(zhǔn)，硬度均勻。

記者了解到，去年9月份舉行的國際測試賽上，6名運(yùn)動(dòng)員中，有5位在這塊冰面上創(chuàng)造了個(gè)人最好成績?！斑@跟冰的質(zhì)量絕對相關(guān)?！笨梢哉f，這一次“打造了冬奧歷史上最快的一塊冰”。

國家速滑館這塊冰成功造出后，中國在跨臨界二氧化碳技術(shù)方面一下走到了最前列?！拔覀冎袊秦?fù)責(zé)任的大國，果斷決定采用二氧化碳替代氟利昂。借著這個(gè)機(jī)會(huì)，我們也掌握了一系列核心技術(shù)，將來對于我們實(shí)現(xiàn)‘彎道超車’非常重要?！睆埿艠s說。

北大教授張信榮在國家速滑館指導(dǎo)二氧化碳制冰機(jī)組工作場景。受訪者供圖

二氧化碳和氟利昂的“斗爭”

一向“讓人頭疼”的溫室氣體二氧化碳，能否作為資源被加以利用？2003年底，張信榮成為國際上第一個(gè)提出利用二氧化碳跨臨界熱力學(xué)循環(huán)發(fā)電的研究者。但當(dāng)時(shí)在世界范圍內(nèi)，水蒸氣、氟利昂發(fā)電的主導(dǎo)地位難以撼動(dòng)，他的創(chuàng)新性觀點(diǎn)并未得到認(rèn)同。

時(shí)間拉到2015年7月，在得知北京申辦冬奧會(huì)成功后，張信榮首先想到冬奧會(huì)制冰問題。“已經(jīng)是21世紀(jì)了，難道還要用氟利昂造冰嗎？我們不服氣，就想看看用二氧化碳能不能搞出來?！?/p>

記者了解到，過去歷屆冬奧會(huì)制冰都采用氟利昂和氨等傳統(tǒng)制冷劑制冷方式。氟利昂是一種人為合成的制冷劑，“使用一噸氟利昂就相當(dāng)于3980多噸的二氧化碳排放，不但會(huì)破壞臭氧層，還會(huì)造成地球暖化?！倍本哂形⒍?、易燃易爆的特性，安全性難以控制。

二者都無法與二氧化碳相比?！岸趸甲鳛橐环N天然工質(zhì)，在自然界空氣中本身就存在，將其作為一種資源用于制冷，非常高效，制冰質(zhì)量和環(huán)保性能也很好，又非常安全。”

張信榮憑借興趣，2015年9月一開學(xué)，就開始帶著學(xué)生搞設(shè)計(jì)，嘗試用二氧化碳搞冰場、造雪，結(jié)果效果都很不錯(cuò)。但那時(shí)，能用二氧化碳技術(shù)為冬奧做貢獻(xiàn)還只是張信榮的“美好愿望”。

巧合出現(xiàn)在2016年9月。當(dāng)時(shí)張信榮正在參加國外學(xué)術(shù)會(huì)議，突然接到了一個(gè)來自北京冬奧組委的電話，邀請他盡快回國參會(huì)討論制冰造雪問題。

“北京2022年冬奧會(huì)用什么方式制冰好？用什么方式造雪好？”面對冬奧組委的發(fā)問，張信榮毫不猶豫地給出答案：用二氧化碳。

雖然選擇新技術(shù)必定伴隨著風(fēng)險(xiǎn)和壓力，但張信榮心里還是有把握的。2013年，他就做過一個(gè)大型的二氧化碳制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，這為后來的冬奧會(huì)造冰、造雪奠定了很好的基礎(chǔ)。“我們用跨臨界的方法造冰，還能實(shí)現(xiàn)全熱回收，這項(xiàng)技術(shù)沒有問題?！?/p>

然而，論證過程一波三折。選擇這項(xiàng)技術(shù)是一條全新的路，國內(nèi)甚至世界范圍內(nèi)都鮮有先例。新技術(shù)本身帶來的壓力和風(fēng)險(xiǎn)并不是全部，還有更為錯(cuò)綜復(fù)雜的因素?！坝腥藭?huì)問，既然大家都知道氟利昂不好，為什么不早就用二氧化碳？氟利昂產(chǎn)業(yè)已經(jīng)很大、很成熟，走出一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、走向一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)并不是很容易?！?/p>

據(jù)悉，中國政府、北京冬奧組委下了很大的決心，冬奧組委的同仁們隨后用兩三年時(shí)間，進(jìn)行了無數(shù)次論證，最終才通過這份方案?！霸谔贾泻?、碳達(dá)峰背景下，是非常好的選擇，我們國家努力在冬奧史上首次用二氧化碳替代氟利昂制冰，有非常重要的意義?！睆埿艠s說。

挑戰(zhàn)“直冷”，能量回收同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷制熱

張信榮介紹，“跨臨界二氧化碳技術(shù)”是一個(gè)物理過程，其原理是通過液態(tài)二氧化碳蒸發(fā)吸熱制冰，再將吸收熱量的二氧化碳放到高溫高壓下冷凝釋放能量。

跨臨界二氧化碳技術(shù)制冷實(shí)驗(yàn)室。受訪者提供

這次張信榮參與的冬奧團(tuán)隊(duì)大膽地使用了國際上最前沿最先進(jìn)的技術(shù)，就是“直冷”。張信榮解釋稱，“這次冬奧會(huì)是1.2萬平米的超大型冰面，面積越大，越難保證冰面溫度的均勻性。如果用過去使用防凍液間接制冷的話，防凍液本身鋪開后各個(gè)區(qū)域溫度不同，會(huì)導(dǎo)致冰面硬度不均勻?！?/p>

而“直冷”的意思是不使用防凍液、直接用二氧化碳去制冰。張信榮指出，二氧化碳相變過程中溫度是不變的，效率非常高，也比較環(huán)保。

然而，前沿技術(shù)必然伴隨未知風(fēng)險(xiǎn)。張信榮說，跨臨界二氧化碳壓縮過程目前還離不開潤滑油，潤滑油會(huì)一直隨著二氧化碳在系統(tǒng)里流動(dòng)，特別是壓縮完之后，超臨界二氧化碳和油是完全互溶的，更加無法分辨。“油流到什么地方去了？”

“這是不行的。一是油必須要能夠及時(shí)回到壓縮機(jī)，否則壓縮機(jī)就會(huì)失去動(dòng)力沒法工作；更重要的是，一定不能讓油進(jìn)到冰面下，否則油會(huì)堵塞管道，導(dǎo)致無法制冰。這會(huì)是一個(gè)災(zāi)難性的后果?！睆埿艠s意識到，一定要在液態(tài)二氧化碳進(jìn)到冰面下之前，把油全部分離出來。這是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

幸運(yùn)的是，在此前多次實(shí)驗(yàn)中，對于“回油”問題，張信榮已經(jīng)有了解決思路。他向記者回憶起2013年那次印象深刻的大型實(shí)驗(yàn)?！跋到y(tǒng)都建好了，但是運(yùn)行的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，潤滑油怎么加也加不夠，因?yàn)橛突夭粊?，也不知道油去哪了。?/p>

張信榮帶著團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場找了一個(gè)多星期。最終，張信榮發(fā)現(xiàn)，大部分油都躲在了氣液分離罐中。當(dāng)時(shí)，“我把閥門一打開，油全都噴出來了，噴得我全身是油?！睆埿艠s解釋稱，二氧化碳?xì)庖悍蛛x的時(shí)候，油的比重比較大，就沉在下面了。

有了這次經(jīng)驗(yàn)，問題解決向前邁進(jìn)很大一步。張信榮帶著團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了二氧化碳制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，讓油能夠及時(shí)回到壓縮機(jī)，保持系統(tǒng)正常工作。

這項(xiàng)技術(shù)中的另一個(gè)關(guān)鍵詞是“跨臨界”。張信榮稱，“二氧化碳的飽和液體線和飽和氣體線交叉的臨界點(diǎn)是在31.1度，壓力是在7.38個(gè)兆帕，這時(shí)二氧化碳就會(huì)進(jìn)入到跨臨界狀態(tài)?！?/p>

過去利用氟利昂制冷，吸收了很多能量，但它吸收的能量最終都散到環(huán)境里去了，浪費(fèi)掉了。而二氧化碳進(jìn)到跨臨界狀態(tài)時(shí)，具有攜帶能量的特性，這樣就可以把制冰過程中吸收和釋放的能量都回收利用。

據(jù)悉，傳統(tǒng)場館的熱水、供暖、除濕、預(yù)熱、防凍等都是需要燒鍋爐的；而這屆冬奧會(huì)中國家速滑館完全不需要燒鍋爐，冰面下地基防凍、冰面平整和場館供暖等，完全靠回收的能量來實(shí)現(xiàn)。

“其實(shí)二氧化碳就是個(gè)搬運(yùn)能量的載體，用二氧化碳把需要制冷區(qū)域的能量攜帶到需要制熱區(qū)域，這樣兩個(gè)區(qū)域的制冷、制熱就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了。”張信榮稱。

張信榮團(tuán)隊(duì)研究與開發(fā)的-80度制冷和80度制熱一體化二氧化碳機(jī)組。受訪者供圖

解決“卡脖子”問題，希望不止步于冬奧

“我們時(shí)刻面臨著兩條路的選擇，要么就是走現(xiàn)在的老路，要么就是走沒人走過的新路。”張信榮說。

就像這次冬奧會(huì)，我們可以用氟利昂，容易又不用承擔(dān)任何風(fēng)險(xiǎn)，但是不會(huì)有新興產(chǎn)業(yè)，也很難談得上為碳中和做貢獻(xiàn)。走二氧化碳這條新路，一定承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)和壓力，但是除了碳中和、環(huán)保意義外，還可以帶來新興產(chǎn)業(yè)，本質(zhì)是高質(zhì)量的發(fā)展。

這條路走起來并不容易?，F(xiàn)在大家提二氧化碳利用都覺得理所當(dāng)然，認(rèn)為用二氧化碳替代氟利昂是一件好事。實(shí)際上，20多年前，張信榮在國際上最早提出用二氧化碳來發(fā)電?！把芯堪l(fā)現(xiàn)，用超臨界的二氧化碳去發(fā)電，效率可以大大提高。我們連圖紙都做出來了?！?/p>

但是，在20多年前提出這樣的創(chuàng)新性想法，在很多人眼里簡直是“天方夜譚”。國際、國內(nèi)很多人都對這一設(shè)想打個(gè)問號，質(zhì)疑、否定接踵而至。

那時(shí)，張信榮還是個(gè)毛頭小伙子，他最早投稿發(fā)表的相關(guān)論文在國際上屢屢被拒了。“主編問得最多的就是為什么要用二氧化碳，解釋有時(shí)也沒有用，別的論文都4個(gè)評審人，到我們這是8個(gè)、12個(gè)人來評審，提出一堆意見，我們把科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拿出來也還是不行?！?/p>

“在科研領(lǐng)域，提出新的東西有時(shí)很難讓人接受。甚至有評審人會(huì)覺得你在挑戰(zhàn)他們的權(quán)威?！痹诤荛L一個(gè)時(shí)期內(nèi)，張信榮經(jīng)受著“坐冷板凳”的孤獨(dú)。

慢慢地，隨著國家發(fā)展，局面有了改觀。張信榮感受到，尤其從2012年以后，大家對環(huán)保問題越來越重視，隨著后來“能源革命”、“雙碳”的提出，自己堅(jiān)信的事也一步步得到更多認(rèn)可。“進(jìn)到十三五以后，煤炭清潔能源利用的重大專項(xiàng)有二氧化碳發(fā)電，核能發(fā)電的重大專項(xiàng)有二氧化碳發(fā)電，太陽能熱發(fā)電的重大專項(xiàng)也有二氧化碳發(fā)電……一下都上來了?！?/p>

在冰絲帶工作的張信榮。受訪者供圖

“這次冬奧會(huì)是一個(gè)非常好的推動(dòng)科技創(chuàng)新的契機(jī)，但是我們希望絕不止步于此?！倍嗄陙恚瑥埿艠s研究的如何把二氧化碳作為一種資源加以利用，終于迎來即將開花結(jié)果的時(shí)刻。特別在雙碳目標(biāo)下，他希望，冬奧會(huì)成為一個(gè)起點(diǎn)，二氧化碳未來在各行各業(yè)的能源替代上都能發(fā)揮很好的作用。

其實(shí)冰雪產(chǎn)業(yè)還是小產(chǎn)業(yè)，二氧化碳用好了還可以去發(fā)電、去制冷、去做動(dòng)力。在這項(xiàng)技術(shù)后續(xù)的轉(zhuǎn)化和運(yùn)用上，張信榮團(tuán)隊(duì)也在持續(xù)探索。譬如，新型動(dòng)力，“未來汽車到加油站充的不是電，也不是氫，而是二氧化碳，這是很有可能的?！?/p>

另外，煤炭開采行業(yè)的能源替代，張信榮也已經(jīng)有了探索。“現(xiàn)在煤礦越采越深，礦內(nèi)越來越熱，而礦工下去工作熱得不到一小時(shí)就得跑上來；但是煤礦上面礦工洗澡、井口防凍、煤粉干燥等等又需要很多熱量，還需要燒鍋爐來提供。針對這個(gè)狀況，我們設(shè)計(jì)了一套二氧化碳系統(tǒng)，能夠把礦底下的能量都帶到上面來，這樣，礦工下礦工作也涼快了，礦上面的鍋爐也可以被取代了，變害為寶，一舉兩得。”

“這其實(shí)是國外對我們‘卡脖子’的技術(shù)?！睆埿艠s告訴記者，日本利用二氧化碳的產(chǎn)品在2006年就已經(jīng)上市了，目前日本有上百萬家庭熱水器都是使用二氧化碳，但是，到現(xiàn)在都不對中國出口。

“如果我們中國人自己不去解決自己的問題，靠別人來解決，那一定是‘卡脖子’的，是‘天價(jià)’的?！睆埿艠s說，這不僅僅是一塊冰的問題，還關(guān)系到國家的綜合國力和國際競爭力?！白罱K還是要靠自己?！?/p>

新京報(bào)記者 馮琪 編輯 巫慧 繆晨霞 校對 賈寧

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