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揭秘北京冬奧場(chǎng)館二氧化碳跨臨界直接制冷技術(shù)

欄目:行業(yè)動(dòng)態(tài) 發(fā)布時(shí)間:2022-05-26
揭秘北京冬奧場(chǎng)館二氧化碳跨臨界直接制冷技術(shù)

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首都體育館內(nèi)景(來(lái)源:北京日?qǐng)?bào))

 

  北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)新建、改建了7座冰上場(chǎng)館、共9塊冰面。其中,5塊冰面使用了二氧化碳(R744)跨臨界直接制冷系統(tǒng),這在冬奧會(huì)歷史上尚屬首次。

  北京冬奧組委本月發(fā)布的《可持續(xù)·向未來(lái)——北京冬奧會(huì)可持續(xù)發(fā)展報(bào)告(賽前)》顯示,北京冬奧會(huì)國(guó)家速滑館、首都體育館、首體短道速滑訓(xùn)練館以及五棵松冰上運(yùn)行中心使用的二氧化碳制冷劑,是從工業(yè)副產(chǎn)品收集提純獲取。2021年底初次填充過(guò)程,合計(jì)減少900噸二氧化碳排放。 

  冰上場(chǎng)館制冰方案從設(shè)計(jì)到執(zhí)行,“綠色辦奧”的理念貫穿始終。在制冰方案設(shè)計(jì)之初,原計(jì)劃采用R507制冷劑,該制冷劑在當(dāng)前全球范圍內(nèi)普遍使用,符合《蒙特利爾議定書(shū)》對(duì)發(fā)展中國(guó)家的要求,但其GWP(全球變暖潛能值)3985、相對(duì)較高。 

  為使北京冬奧會(huì)場(chǎng)館更具有環(huán)保、可持續(xù)性,在國(guó)際奧委會(huì)和國(guó)際專家的支持下,北京冬奧組委積極研究制冷劑的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)和當(dāng)前實(shí)用技術(shù),與國(guó)內(nèi)外制冷行業(yè)專家多次會(huì)商討論,確認(rèn)了兩種制冷系統(tǒng)可以選擇: 

  一是二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng),適合常年制冰的場(chǎng)館,如國(guó)家速滑館等;二是傳統(tǒng)制冷系統(tǒng),適合不需要常年制冰的場(chǎng)館,如國(guó)家游泳中心、國(guó)家體育館等。

  二氧化碳制冷產(chǎn)生熱量可全部回收利用

  北京大學(xué)教授、國(guó)際天然工質(zhì)研究領(lǐng)域?qū)<覐埿艠s表示,二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)具有安全性高、能耗和運(yùn)行成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),且全部熱量可回收利用,是冰上場(chǎng)館能源系統(tǒng)中最有前景的工質(zhì)之一,可使場(chǎng)館能源系統(tǒng)冷熱一體化高效運(yùn)行,在全球范圍內(nèi)都具有廣闊的應(yīng)用前景。

  國(guó)家速滑館制冰技術(shù)方案有十多位院士、國(guó)內(nèi)行業(yè)協(xié)會(huì)頂尖專家、建設(shè)代表進(jìn)行反復(fù)論證,在與北京冬奧組委、國(guó)際奧委會(huì)制冰專家的討論中,二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)被提出。

  參與國(guó)家速滑館建設(shè)的工程師宋家峰表示,國(guó)際單項(xiàng)體育組織專家曾說(shuō),國(guó)家速滑館使用國(guó)際慣用的環(huán)保制冰技術(shù)就能達(dá)到冬奧比賽標(biāo)準(zhǔn)。但經(jīng)過(guò)18個(gè)月摸索,中方團(tuán)隊(duì)把歷屆冬奧會(huì)速滑館制冷系統(tǒng)資料翻了個(gè)遍,對(duì)世界所有制冷劑優(yōu)劣特點(diǎn)逐一分析,最終拿出了更先進(jìn)的制冰技術(shù)。

  國(guó)家速滑館一年可節(jié)省約200萬(wàn)度電

  宋家峰表示,北京冬奧會(huì)之前,在全世界范圍內(nèi),從未在大型冰上場(chǎng)館中使用過(guò)二氧化碳跨臨界直接制冷系統(tǒng)。二氧化碳制冷劑ODP(破壞臭氧層潛能值)0,GWP(全球變暖潛能值)僅為1,使用相同數(shù)量的傳統(tǒng)制冷劑的碳排放量,是二氧化碳制冷劑的3985倍。

  宋家峰稱,二氧化碳制冷產(chǎn)生的余熱回收后,可以提供70攝氏度熱水用于生活熱水和除濕再生等用途。相比傳統(tǒng)制冷方式,國(guó)家速滑館采用二氧化碳制冰能效提升30%、一年可節(jié)省約200萬(wàn)度電。

  北京冬奧會(huì)7座冰上場(chǎng)館的9塊冰面,均使用了環(huán)保型制冷系統(tǒng)和制冷劑。其中,5塊冰面使用了二氧化碳(R744)跨臨界直接制冷系統(tǒng),4塊冰面使用了R449A制冷劑。

  在傳統(tǒng)制冷劑選擇方面,當(dāng)前國(guó)際相關(guān)組織,如美國(guó)空調(diào)制冷學(xué)會(huì)(AHRI),確定了現(xiàn)階段R507所對(duì)應(yīng)的替代制冷劑可為R449A,R449AGWP值為1282,較R507降低了68%。

  北京國(guó)家游泳中心、國(guó)家體育館和五棵松體育中心均為2008年夏季奧運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館,并將在北京冬奧會(huì)期間承辦冰壺和冰球比賽。為響應(yīng)“綠色、共享、開(kāi)放、廉潔”的辦奧理念,三場(chǎng)館在對(duì)設(shè)備供應(yīng)商、設(shè)計(jì)工程師和服務(wù)提供商進(jìn)行調(diào)研后,選擇了R449A制冷劑。

  制冷行業(yè)專家表示,采用R449A制冷劑,是在不影響系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性的前提下,采取積極措施向環(huán)境可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)邁進(jìn)的例證。

  國(guó)際奧委會(huì)相關(guān)官員表示,北京冬奧會(huì)冰上場(chǎng)館采用了節(jié)能型制冷系統(tǒng)、環(huán)保型制冷劑,積極推動(dòng)了國(guó)際奧委會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。其中二氧化碳制冷系統(tǒng)的使用,率先為世界做出了環(huán)保和可持續(xù)的示范,R449A制冷劑的選擇,將使得北京冬奧會(huì)成為冬奧會(huì)歷史上冰上場(chǎng)館制冷劑GWP值最低的一屆冬奧會(huì)。

為什么選用二氧化碳?

  想要解釋清楚什么是二氧化碳跨臨界直冷制冰,我們得先把這個(gè)名詞做個(gè)拆解:二氧化碳、跨臨界、直冷制冰。 

  先說(shuō)二氧化碳,可能多數(shù)人對(duì)它的認(rèn)識(shí)就是空氣中的一種氣體,而且還是溫室氣體,了解多一點(diǎn)的會(huì)想到干冰,但二氧化碳的角色可不止這些。 

  沒(méi)錯(cuò),二氧化碳確實(shí)是溫室氣體,但在制冷領(lǐng)域,它就成了環(huán)保的制冷劑。 

  這里我們說(shuō)的制冷指的是人工制冷,就是利用制冷設(shè)備,讓想要冷卻的物體溫度降低到小于周圍的環(huán)境溫度。拿二氧化碳跨臨界直冷制冰來(lái)說(shuō),就是讓水溫度降低,直到成為冰的狀態(tài)。 

  在人工制冷過(guò)程中,制冷劑的作用非常重要,它會(huì)在制冷設(shè)備中循環(huán)工作,起到熱量傳遞的作用,我們經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)的氟利昂就是一類十分常見(jiàn)的制冷劑。 

那二氧化碳為什么可以成為制冷劑呢?

    一般來(lái)說(shuō),制冷劑通過(guò)液態(tài)和氣態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)熱量的交換,而二氧化碳也可以在這樣的物態(tài)轉(zhuǎn)變中吸收或釋放熱量。 

  簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),常溫常壓下的二氧化碳是氣態(tài),施加一定壓力后,可以液化成液體甚至凝華為固體(固體二氧化碳就是我們常說(shuō)的干冰),壓力降低后,液態(tài)或固態(tài)的二氧化碳又能快速汽化(或升華)為氣體,并大量吸熱,達(dá)到降低環(huán)境溫度(讓水凝結(jié)成冰)的目的。 

  事實(shí)上,把二氧化碳用作制冷劑并不是什么新鮮事,它本來(lái)就是制冷劑中的“元老”,早在19世紀(jì)末就投入了應(yīng)用,只是因?yàn)槁确鸁N等制冷劑的出現(xiàn),二氧化碳才逐漸淡出人們的視線。

     直到最近幾年,氯氟烴等制冷劑對(duì)環(huán)境造成的不良影響逐漸顯現(xiàn),二氧化碳這個(gè)更加環(huán)保的制冷劑才重獲青睞。 

  可能有人就要問(wèn)了,既然是溫室氣體,二氧化碳作為制冷劑,其環(huán)保的特性表現(xiàn)在哪兒呢? 

  首先,二氧化碳本身并不會(huì)破壞臭氧層,但不少氯氟烴制冷劑對(duì)臭氧層的破壞非常嚴(yán)重(例如氟利昂R12)。 

  其次,二氧化碳雖說(shuō)是溫室氣體,但其溫室效應(yīng)比氯氟烴等制冷劑可低多了,相比之下確實(shí)稱得上環(huán)保。 

  再加上二氧化碳還具有來(lái)源廣泛、安全無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn),自然就從眾多制冷劑中脫穎而出了。 

為什么選擇直冷制冰?


  其實(shí),直冷是相對(duì)間冷(即載冷劑制冷)來(lái)說(shuō)的,間冷是指制冷劑蒸發(fā)得到的冷量通過(guò)載冷劑傳遞給冰面以完成降溫的過(guò)程,直冷則不需要使用載冷劑,直接利用制冷劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的冷量與水進(jìn)行冷熱交換,逐步把水凍成冰塊。

 

  直冷制冰避免了使用載冷劑換熱所造成的能量損失,傳熱系數(shù)和制冷效率都很高,而且,能夠?qū)囟鹊牟▌?dòng)范圍控制在0.5攝氏度以內(nèi),控制冰場(chǎng)溫度基本一致,這對(duì)大道速滑等比賽項(xiàng)目非常中重要。 

  還有一點(diǎn)大家可能也注意到了,冰場(chǎng)上的冰都呈現(xiàn)出牛奶一般的乳白色,可自己在家凍的冰明明是透明,這又是怎么回事? 

  通常來(lái)說(shuō),比賽用的冰場(chǎng)呈現(xiàn)出的白色是后期加工的,采用傳統(tǒng)制冰技術(shù)制成的冰面其實(shí)也是透明的,需要使用專門(mén)的冰漆進(jìn)行噴白處理。 

  不過(guò),直冷制冰的冰場(chǎng)并不需要冰漆噴白這個(gè)步驟,這是因?yàn)橹崩渲票^(guò)程中,水凍成冰的速度非??欤ú捎脗鹘y(tǒng)制冰技術(shù)需要7天制成的冰場(chǎng)直冷制冰3天就可以制成),以至于水里的氣泡來(lái)不及逸出就被封凍在了冰里,最終形成的冰面就自然呈現(xiàn)出了乳白色。

跨臨界是怎么回事?

  前面我們已經(jīng)說(shuō)了,二氧化碳作為制冷劑由來(lái)已久,但是早期的二氧化碳制冷采用的是亞臨界循環(huán)系統(tǒng),制冷效率較低,尤其是環(huán)境溫度高時(shí),二氧化碳的制冷能力就會(huì)大打折扣。

  那“亞臨界”和“跨臨界”中的“臨界”是什么意思呢? 

  我們知道,物質(zhì)可以在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換,而氣體和液體兩相平衡共存的極限熱力狀態(tài)就是其臨界狀態(tài),此時(shí)的溫度和壓力分別稱為臨界溫度和臨界壓力。以二氧化碳為例,它的臨界溫度為31.1攝氏度,而臨界壓力達(dá)到了7.38兆帕。

     二氧化碳作為制冷劑要在制冷機(jī)中循環(huán),制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、冷凝器(冷卻器)、膨脹閥、蒸發(fā)器4個(gè)部分組成。

     在亞臨界循環(huán)系統(tǒng)中,冷凝時(shí)的壓力低于二氧化碳的臨界壓力;在跨臨界循環(huán)系統(tǒng)中,二氧化碳在冷卻器中處于超臨界狀態(tài),定壓放熱,不發(fā)生完全的物態(tài)相變,在蒸發(fā)器中壓力小于臨界壓力,此時(shí),二氧化碳與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱,吸收熱量,使周圍環(huán)境溫度降低。 

  二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)壓力高、壓差大,對(duì)系統(tǒng)部件的強(qiáng)度要求很高,所以長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。 

  這次北京冬奧成功采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)完成7塊冰面的制備,背后的技術(shù)支撐是壓縮機(jī)、換熱器和回?zé)崞鞯群诵挠布牡?jí),是科技硬實(shí)力的體現(xiàn)。 

  看來(lái),冬奧賽場(chǎng)上的冰不僅僅是最“快”的冰,更是科技含量高的冰。

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