冰——二氧化碳跨临界直冷制冰技术

为了给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”重点专项支持下，通过校企合作，研发了国际先进的二氧化碳跨临界直冷制冰技术，为各国运动员支撑建造了“最美、最快的冰面”。而在2022年冬奥会的5个冰上运动场馆中，有4个场馆使用了这种可持续的二氧化碳跨临界直冷制冰技术，分别是中国国家速滑馆、首都体育馆、首体短道速滑训练馆和五棵松冰球训练馆。

其中，专门为冬奥会兴建的中国国家速滑馆“冰丝带”，承办冰壶、冰球以及大道速滑项目的比赛，而改造后的首都体育馆则承办花样滑冰和短道速滑。对于这两个项目而言，优质的冰面有助于运动员取得更好成绩，而获得优质冰面除了需要制冰师具备高超技艺外，还有制冰系统所决定的冰面温差均匀性和软硬度均匀性，这是关键性基础。

因此，制冰机成为人工冰场建设的关键核心。从历届冬奥会冰场制冰机来看，主要是采用氟利昂等人工合成制冷剂技术或者氨制冷技术，但前者具有严重的温室效应问题，后者则具有安全隐患。以二氧化碳为制冷剂、冰面下直接蒸发的制冰机技术在国际上一贯被认为是一种绿色低碳、高效节能的方案，但该技术一直掌握在美欧等国家和地区企业手中。此次以绿色冬奥、科技冬奥为契机，通过产学研协同攻关，欧悦冰雪投资管理（北京）有限公司、天津大学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、设计和建造的具有自主知识产权的二氧化碳跨临界直冷制冰机组，首次亮相冬奥。

该方案从二氧化碳制冰系统压缩、冷却、节流和蒸发4个过程进行节能设计：针对压缩过程采用双级压缩让源头耗能实现“事半功倍”；针对冷却过程设计全显热回收对冷却热量进行回收，实现冰场浇冰、融雪等不同温度热水需求；针对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。值得一提的是，该方案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馆冷却回路长的工程问题。

此外，花样滑冰和短道速滑两个项目对冰面的冰层厚度和冰面温度有不同的严格要求，需要根据赛程不断进行两块冰的快速转换。项目组也充分利用了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，远远少于国际奥委会3小时冰面转换的要求。

雪——我国自主研发的人工降雪技术

滑雪竞技项目使用的赛道几乎全部需要依靠人工造雪技术。因为人工造雪时间可控，只要温度低于0℃，造雪机就可以工作，摆脱了靠天吃饭的风险。更重要的是，人工造雪可实现粒径、含水量、硬度的改变，满足不同比赛场地需求，适合大多数雪上比赛项目。而就在短短5年之前，中国还造不出一条合格的“冰状雪”赛道。

2016年之前，我国人工造雪技术既不先进，也不成熟，并被美、日、英等国家牢牢封锁，甚至当时国内的很多专家都没听说过“冰状雪”这个概念。

事实上，“冰状雪”指的是滑雪场雪质的一种形态，雪的密度很大，可达0.65g/cm3，主要用于减小赛道表面对于滑雪板的摩擦力。可以说，“冰状雪”赛道就是高山滑雪项目的“塑胶跑道”。

然而事实上，人工造出“冰状雪”的原理并不算复杂，一般是先将冷水结冰，再将冰切碎与空气混合后喷出。具体方法是把压缩后的空气和低于5℃的冷水混合后一同压入-25℃的蒸发器，冷水遇冷结冰，接着切削机将已成为特定形状的冰块切碎，随着高速袭来的空气喷出，这些细密的雾颗粒遇到户外冷空气迅速凝结成小冰晶，即常见的雪花。

既然如此，为何我国却久久不能攻克满足比赛条件的造雪技术呢？它的难点到底在哪里？

有效控制雪花大小，就是造雪技术的最大难点。如果造雪机喷出的雪花过大，极短时间内雪花就会飘落到地面上，遇冷后甚至形成一层厚雪，等参赛选手一个个滑过后地面立即变得污浊不堪；如果喷出的雪花过于细小，就会比自然雪花松软许多，选手滑过后就可能陷入其中，甚至造成人员伤害。这就要求造雪机喷出的细雾颗粒既不能太大，也不能太小，需要在低温环境下进行大量实验和实测。攻克人工造雪这一技术难题的是秦大河院士和王飞腾研究员及其团队。他们经过充分研究、反复实验成功研制出了处于世界领先水平的造雪机。

传统的造雪机是把冻冰切成长5mm、厚1～1.5mm的片状冰，然后用空气喷出。而我国的新型造雪机是利用高压空气先将水流击打成细密的雾状颗粒，并喷出。雾状颗粒遇到户外低温冷空气凝结成雪花。新型造雪机可生成9种不同类型的雪花，尺寸最小为0.3mm，最大为10mm，其中0.3mm的雪可铺成自然状态下的雪道。（责编：关弋）