打造冬奥史上“最快的冰”,北大教授张信荣谈冰下“硬核新科技”

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北京冬奥会速度滑冰的比赛开赛三天以来,在国家速滑馆“冰丝带”1.2万平方米晶莹剔透的冰面上,尘封多年的冬奥会纪录屡屡被打破。

在二、三厘米厚的冰面下,埋了十余层不同结构。防潮层、防冻层、渗透层……其中一层,是密布的制冰管,其中流动着液态二氧化碳。它们是这块冰面下隐藏的“硬核新科技”。

这是人类冬奥历史上第一次采用天然工质二氧化碳制冷技术替代传统制冷剂氟利昂制造的冰面。北京大学工学院教授张信荣多年来一直研究与开发“跨临界二氧化碳技术”,让温室气体化身高效资源,在赛场上实现环保节能最大化。

参赛选手们不关心用什么技术造冰,他们最关心的是自己的成绩。而成绩和冰面的硬度有关系。“冰软会滑得慢一点,冰硬会滑得快。更重要的是冰面硬度的均匀度,有些地方硬、有些地方软,就会影响滑冰的速度。”张信荣解释称,冰的硬度和温度相关,冰面不同区域温差越小,冰面的平整度和硬度越均匀,滑行速度就能越快,这有利于运动员创造出好成绩。

经过研究与设计团队的努力,国家速滑馆“冰丝带”这块通过二氧化碳制冷制造的冰面温差最终控制在0.5℃,低于奥组委提出的1.5℃标准,硬度均匀。

记者了解到,去年9月份举行的国际测试赛上,6名运动员中,有5位在这块冰面上创造了个人最好成绩。“这跟冰的质量绝对相关。”可以说,这一次“打造了冬奥历史上最快的一块冰”。

国家速滑馆这块冰成功造出后,中国在跨临界二氧化碳技术方面一下走到了最前列。“我们中国是负责任的大国,果断决定采用二氧化碳替代氟利昂。借着这个机会,我们也掌握了一系列核心技术,将来对于我们实现‘弯道超车’非常重要。”张信荣说。

北大教授张信荣在国家速滑馆指导二氧化碳制冰机组工作场景。受访者供图

二氧化碳和氟利昂的“斗争”

一向“让人头疼”的温室气体二氧化碳,能否作为资源被加以利用?2003年底,张信荣成为国际上第一个提出利用二氧化碳跨临界热力学循环发电的研究者。但当时在世界范围内,水蒸气、氟利昂发电的主导地位难以撼动,他的创新性观点并未得到认同。

时间拉到2015年7月,在得知北京申办冬奥会成功后,张信荣首先想到冬奥会制冰问题。“已经是21世纪了,难道还要用氟利昂造冰吗?我们不服气,就想看看用二氧化碳能不能搞出来。”

记者了解到,过去历届冬奥会制冰都采用氟利昂和氨等传统制冷剂制冷方式。氟利昂是一种人为合成的制冷剂,“使用一吨氟利昂就相当于3980多吨的二氧化碳排放,不但会破坏臭氧层,还会造成地球暖化。”而氨具有微毒、易燃易爆的特性,安全性难以控制。

二者都无法与二氧化碳相比。“二氧化碳作为一种天然工质,在自然界空气中本身就存在,将其作为一种资源用于制冷,非常高效,制冰质量和环保性能也很好,又非常安全。”

张信荣凭借兴趣,2015年9月一开学,就开始带着学生搞设计,尝试用二氧化碳搞冰场、造雪,结果效果都很不错。但那时,能用二氧化碳技术为冬奥做贡献还只是张信荣的“美好愿望”。

巧合出现在2016年9月。当时张信荣正在参加国外学术会议,突然接到了一个来自北京冬奥组委的电话,邀请他尽快回国参会讨论制冰造雪问题。

“北京2022年冬奥会用什么方式制冰好?用什么方式造雪好?”面对冬奥组委的发问,张信荣毫不犹豫地给出答案:用二氧化碳。

虽然选择新技术必定伴随着风险和压力,但张信荣心里还是有把握的。2013年,他就做过一个大型的二氧化碳制冷系统实验,这为后来的冬奥会造冰、造雪奠定了很好的基础。“我们用跨临界的方法造冰,还能实现全热回收,这项技术没有问题。”

然而,论证过程一波三折。选择这项技术是一条全新的路,国内甚至世界范围内都鲜有先例。新技术本身带来的压力和风险并不是全部,还有更为错综复杂的因素。“有人会问,既然大家都知道氟利昂不好,为什么不早就用二氧化碳?氟利昂产业已经很大、很成熟,走出一个传统产业、走向一个新兴产业并不是很容易。”

据悉,中国政府、北京冬奥组委下了很大的决心,冬奥组委的同仁们随后用两三年时间,进行了无数次论证,最终才通过这份方案。“在碳中和、碳达峰背景下,是非常好的选择,我们国家努力在冬奥史上首次用二氧化碳替代氟利昂制冰,有非常重要的意义。”张信荣说。

挑战“直冷”,能量回收同时实现制冷制热

张信荣介绍,“跨临界二氧化碳技术”是一个物理过程,其原理是通过液态二氧化碳蒸发吸热制冰,再将吸收热量的二氧化碳放到高温高压下冷凝释放能量。

跨临界二氧化碳技术制冷实验室。受访者提供

这次张信荣参与的冬奥团队大胆地使用了国际上最前沿最先进的技术,就是“直冷”。张信荣解释称,“这次冬奥会是1.2万平米的超大型冰面,面积越大,越难保证冰面温度的均匀性。如果用过去使用防冻液间接制冷的话,防冻液本身铺开后各个区域温度不同,会导致冰面硬度不均匀。”

而“直冷”的意思是不使用防冻液、直接用二氧化碳去制冰。张信荣指出,二氧化碳相变过程中温度是不变的,效率非常高,也比较环保。

然而,前沿技术必然伴随未知风险。张信荣说,跨临界二氧化碳压缩过程目前还离不开润滑油,润滑油会一直随着二氧化碳在系统里流动,特别是压缩完之后,超临界二氧化碳和油是完全互溶的,更加无法分辨。“油流到什么地方去了?”

“这是不行的。一是油必须要能够及时回到压缩机,否则压缩机就会失去动力没法工作;更重要的是,一定不能让油进到冰面下,否则油会堵塞管道,导致无法制冰。这会是一个灾难性的后果。”张信荣意识到,一定要在液态二氧化碳进到冰面下之前,把油全部分离出来。这是一项巨大的挑战。

幸运的是,在此前多次实验中,对于“回油”问题,张信荣已经有了解决思路。他向记者回忆起2013年那次印象深刻的大型实验。“系统都建好了,但是运行的时候发现,润滑油怎么加也加不够,因为油回不来,也不知道油去哪了。”

张信荣带着团队在现场找了一个多星期。最终,张信荣发现,大部分油都躲在了气液分离罐中。当时,“我把阀门一打开,油全都喷出来了,喷得我全身是油。”张信荣解释称,二氧化碳气液分离的时候,油的比重比较大,就沉在下面了。

有了这次经验,问题解决向前迈进很大一步。张信荣带着团队改进了二氧化碳制冷系统设计,让油能够及时回到压缩机,保持系统正常工作。

这项技术中的另一个关键词是“跨临界”。张信荣称,“二氧化碳的饱和液体线和饱和气体线交叉的临界点是在31.1度,压力是在7.38个兆帕,这时二氧化碳就会进入到跨临界状态。”

过去利用氟利昂制冷,吸收了很多能量,但它吸收的能量最终都散到环境里去了,浪费掉了。而二氧化碳进到跨临界状态时,具有携带能量的特性,这样就可以把制冰过程中吸收和释放的能量都回收利用。

据悉,传统场馆的热水、供暖、除湿、预热、防冻等都是需要烧锅炉的;而这届冬奥会中国家速滑馆完全不需要烧锅炉,冰面下地基防冻、冰面平整和场馆供暖等,完全靠回收的能量来实现。

“其实二氧化碳就是个搬运能量的载体,用二氧化碳把需要制冷区域的能量携带到需要制热区域,这样两个区域的制冷、制热就同时实现了。”张信荣称。

张信荣团队研究与开发的-80度制冷和80度制热一体化二氧化碳机组。受访者供图

解决“卡脖子”问题,希望不止步于冬奥

“我们时刻面临着两条路的选择,要么就是走现在的老路,要么就是走没人走过的新路。”张信荣说。

就像这次冬奥会,我们可以用氟利昂,容易又不用承担任何风险,但是不会有新兴产业,也很难谈得上为碳中和做贡献。走二氧化碳这条新路,一定承担相应的风险和压力,但是除了碳中和、环保意义外,还可以带来新兴产业,本质是高质量的发展。

这条路走起来并不容易。现在大家提二氧化碳利用都觉得理所当然,认为用二氧化碳替代氟利昂是一件好事。实际上,20多年前,张信荣在国际上最早提出用二氧化碳来发电。“研究发现,用超临界的二氧化碳去发电,效率可以大大提高。我们连图纸都做出来了。”

但是,在20多年前提出这样的创新性想法,在很多人眼里简直是“天方夜谭”。国际、国内很多人都对这一设想打个问号,质疑、否定接踵而至。

那时,张信荣还是个毛头小伙子,他最早投稿发表的相关论文在国际上屡屡被拒了。“主编问得最多的就是为什么要用二氧化碳,解释有时也没有用,别的论文都4个评审人,到我们这是8个、12个人来评审,提出一堆意见,我们把科学实验数据拿出来也还是不行。”

“在科研领域,提出新的东西有时很难让人接受。甚至有评审人会觉得你在挑战他们的权威。”在很长一个时期内,张信荣经受着“坐冷板凳”的孤独。

慢慢地,随着国家发展,局面有了改观。张信荣感受到,尤其从2012年以后,大家对环保问题越来越重视,随着后来“能源革命”、“双碳”的提出,自己坚信的事也一步步得到更多认可。“进到十三五以后,煤炭清洁能源利用的重大专项有二氧化碳发电,核能发电的重大专项有二氧化碳发电,太阳能热发电的重大专项也有二氧化碳发电……一下都上来了。”

在冰丝带工作的张信荣。受访者供图

“这次冬奥会是一个非常好的推动科技创新的契机,但是我们希望绝不止步于此。”多年来,张信荣研究的如何把二氧化碳作为一种资源加以利用,终于迎来即将开花结果的时刻。特别在双碳目标下,他希望,冬奥会成为一个起点,二氧化碳未来在各行各业的能源替代上都能发挥很好的作用。

其实冰雪产业还是小产业,二氧化碳用好了还可以去发电、去制冷、去做动力。在这项技术后续的转化和运用上,张信荣团队也在持续探索。譬如,新型动力,“未来汽车到加油站充的不是电,也不是氢,而是二氧化碳,这是很有可能的。”

另外,煤炭开采行业的能源替代,张信荣也已经有了探索。“现在煤矿越采越深,矿内越来越热,而矿工下去工作热得不到一小时就得跑上来;但是煤矿上面矿工洗澡、井口防冻、煤粉干燥等等又需要很多热量,还需要烧锅炉来提供。针对这个状况,我们设计了一套二氧化碳系统,能够把矿底下的能量都带到上面来,这样,矿工下矿工作也凉快了,矿上面的锅炉也可以被取代了,变害为宝,一举两得。”

“这其实是国外对我们‘卡脖子’的技术。”张信荣告诉记者,日本利用二氧化碳的产品在2006年就已经上市了,目前日本有上百万家庭热水器都是使用二氧化碳,但是,到现在都不对中国出口。

“如果我们中国人自己不去解决自己的问题,靠别人来解决,那一定是‘卡脖子’的,是‘天价’的。”张信荣说,这不仅仅是一块冰的问题,还关系到国家的综合国力和国际竞争力。“最终还是要靠自己。”

新京报记者 冯琪 编辑 巫慧 缪晨霞 校对 贾宁

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