北大教授助力！打造“冬奧歷史上最快的一塊冰”！

2022年2月5日下午

國(guó)家速滑館“首金”誕生

來(lái)自荷蘭的選手伊雷妮·斯豪滕

獲得速度滑冰女子3000米決賽冠軍

臻于完美的冰雪場(chǎng)地背后

隱藏著硬核新科技

天然工質(zhì)二氧化碳技術(shù)

作為北京冬奧冰雪世界的堅(jiān)實(shí)保障

綠色，安全，高效

成功挑戰(zhàn)冰面溫差和造雪溫度的極限

北京大學(xué)工學(xué)院教授張信榮

讓溫室氣體化身高效資源

在賽場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能最大化

助力打造了

“冬奧歷史上最快的一塊冰”

在國(guó)家速滑館“冰絲帶”中，1.2萬(wàn)平方米晶瑩剔透的冰面，將為世界觀眾展現(xiàn)冰上運(yùn)動(dòng)的頂尖較量。這塊玲瓏剔透的“運(yùn)動(dòng)舞臺(tái)”制冰所使用跨臨界二氧化碳技術(shù)，碳排放幾乎為零，堪稱美感和科技感的結(jié)合。

2月5日下午，北京冬奧會(huì)速度滑冰女子3000米決賽在國(guó)家速滑館“冰絲帶”進(jìn)行，荷蘭名將伊雷妮·斯豪滕發(fā)揮出色，以3分56秒93的成績(jī)奪得冠軍，同時(shí)打破了塵封20年的奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄。這是北京冬奧會(huì)首枚速度滑冰金牌。

經(jīng)過(guò)研究與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的努力，國(guó)家速滑館“冰絲帶”的冰面溫差最終得以控制在0.5℃，低于奧組委提出的1.5℃標(biāo)準(zhǔn)。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(jī)。

↓點(diǎn)擊了解制冷技術(shù)在國(guó)家速滑館建設(shè)中的運(yùn)用↓

讓我們一起走近制冰技術(shù)幕后的

科學(xué)家張信榮教授

看二氧化碳如何在北京冬奧會(huì)中

實(shí)現(xiàn)“華麗轉(zhuǎn)身”

↓點(diǎn)擊視頻，看張信榮教授為低碳場(chǎng)館建成所做的貢獻(xiàn)↓

張信榮教授在國(guó)家速滑館

張信榮教授成長(zhǎng)于醫(yī)生家庭，父母都是醫(yī)生，父親是醫(yī)院急救部主任，常年凌晨一兩點(diǎn)上班搶救病人，清晨才回到家中，因?yàn)楣ぷ餍再|(zhì)特殊，120急救電話甚至直接轉(zhuǎn)到了家里的座機(jī)。張信榮老師從小目睹了父親作為醫(yī)生救死扶傷，心里十分崇敬，于是默默立志——長(zhǎng)大后也一定要解決些實(shí)際問(wèn)題，為社會(huì)做出貢獻(xiàn)、創(chuàng)造價(jià)值。

結(jié)緣冬奧

用二氧化碳制冰實(shí)現(xiàn)綠色冬奧

2016年，一個(gè)越洋電話，讓正在海外開會(huì)的張信榮教授即刻動(dòng)身返回北京。電話的另一端，是北京冬奧組委執(zhí)行副主席張建東，他邀請(qǐng)張教授介紹自己在天然工質(zhì)二氧化碳制冰方面的研究成果。

時(shí)間退回到2015年7月31日，國(guó)際奧委會(huì)主席宣布北京獲得2022年冬奧會(huì)舉辦權(quán)，舉國(guó)上下為之沸騰。而在當(dāng)時(shí)，中國(guó)在制冰造雪方面經(jīng)驗(yàn)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚存差距。如何確保冬奧會(huì)場(chǎng)地既有優(yōu)質(zhì)冰雪供比賽使用，還要滿足節(jié)能環(huán)保要求，一時(shí)間成為技術(shù)難題。

就此，中國(guó)奧組委向國(guó)際滑雪聯(lián)合會(huì)的秘書長(zhǎng)咨詢，得知北大張信榮教授研究的制冰方法是最為環(huán)保節(jié)能的，因此邀請(qǐng)他幫助解決冬奧制冰問(wèn)題。張教授與秘書長(zhǎng)并不熟識(shí)，對(duì)于這份邀請(qǐng)，他坦言“當(dāng)時(shí)也是一頭霧水”。原來(lái)，這背后是一個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)交流的故事：一位著名挪威學(xué)者曾在學(xué)術(shù)合作中被張教授應(yīng)用二氧化碳的科學(xué)研究所吸引，而他又恰好和國(guó)際滑雪聯(lián)合會(huì)秘書長(zhǎng)是好友，時(shí)常提起張教授的成果，給秘書長(zhǎng)留下了深刻的印象。對(duì)溫室氣體的共同關(guān)注，讓分處大洋彼岸的二人產(chǎn)生了聯(lián)結(jié)。

2016 年9月9日，中國(guó)奧組委各部門官員云集首鋼奧組委辦公區(qū)，一場(chǎng)關(guān)于北京冬奧會(huì)冰場(chǎng)制冰問(wèn)題的會(huì)議如火如荼地展開。會(huì)上，張教授亮明了自己的觀點(diǎn)：“我們的冰場(chǎng)再也不能用氟利昂去制冰了”。傳統(tǒng)制冷劑氟利昂環(huán)境破壞嚴(yán)重，安全性差；同時(shí)氨具有一定爆炸和毒性危險(xiǎn)；因此他主張將更為環(huán)保的二氧化碳制冰技術(shù)應(yīng)用于北京冬奧。這一新穎的提議贏得了支持，天然工質(zhì)二氧化碳制冰的論證工作正式啟動(dòng)。

最初的二氧化碳冷熱一體化機(jī)組應(yīng)用示意圖（冬奧國(guó)家速滑館）

論證工作并非一帆風(fēng)順。幾年時(shí)間里，奧組委的同仁們也走遍江南塞北，尋訪大洋彼岸，張教授也出席了幾次關(guān)鍵的論證會(huì)，最終才通過(guò)了這份方案。借助天然工質(zhì)二氧化碳制冰技術(shù)，中國(guó)在人類冬奧會(huì)歷史上率先實(shí)現(xiàn)了替代氟利昂制冰，用綠色冬奧的底色展現(xiàn)大國(guó)責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

在造雪方面，以往的制冷工藝一般是制取成冰屑或冰漿的形式，硬度、密度調(diào)節(jié)范圍小，而此次冬奧會(huì)的零度以上人造雪與天然雪很接近，并可根據(jù)不同的比賽需求調(diào)節(jié)雪的濕度，最多能調(diào)節(jié)出9種性狀不同的雪花。他們還發(fā)明了魚骨式造雪法，在延慶高山滑雪中心21公里的賽道上可設(shè)置多個(gè)造雪點(diǎn)，能隨時(shí)補(bǔ)雪。張信榮教授的團(tuán)隊(duì)提出的零度以上的人工造雪和儲(chǔ)雪一體化技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)在0～15℃甚至20～25℃的人工造雪，形成北京冬奧會(huì)零上人工造雪的解決方案之一。這將有效解決某些高溫地區(qū)不宜修建冰場(chǎng)、雪場(chǎng)的難題，助力后冬奧時(shí)代冰雪運(yùn)動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展。

二氧化碳的“逆襲”

打造人類冬奧歷史上最快的一塊冰

二氧化碳算得上是張信榮教授的“老朋友”了。一種讓大眾談之色變的溫室氣體，在他眼中卻是大有妙用的資源：“我們這么多年做研究都沒(méi)有把二氧化碳看成廢品”。

張信榮教授主要研究冷、熱、電這三大應(yīng)用背景下的熱力學(xué)問(wèn)題，并且擅長(zhǎng)從日常生活中尋找靈感。他小時(shí)候就愛(ài)思考，過(guò)冬時(shí)蘿卜和大白菜怎么儲(chǔ)藏最好？為什么同在室外的金屬和塑料，手碰到金屬會(huì)更冷？他在日本時(shí)也觀察到，現(xiàn)在的科技日新月異，人們的取暖方式卻依然較為落后——燃料燃燒上千度，僅僅是為了滿足室內(nèi)二十來(lái)度的供暖，這顯然不合理，存在嚴(yán)重的浪費(fèi)和污染問(wèn)題。因此他結(jié)合自己的專業(yè)，開始探索熱力學(xué)應(yīng)用新思路：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呢？

2003年，還在日本工作的張教授，最早提出了二氧化碳跨臨界發(fā)電的熱力學(xué)循環(huán)，并開始從事二氧化碳制冷與熱泵的研究和開發(fā)。2007年，他回到祖國(guó)，在國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下，從事超臨界二氧化碳基礎(chǔ)理論研究多年。2013年，他參與研究和開發(fā)的跨臨界二氧化碳大型冷熱一體化機(jī)組技術(shù)在非金屬材料加工業(yè)應(yīng)用取得重大突破，沒(méi)想到這項(xiàng)技術(shù)與之后的冬奧會(huì)制冰技術(shù)也有著異曲同工之妙。

同時(shí)供應(yīng)-80度冷和80度熱的二氧化碳一體化機(jī)組

傳統(tǒng)的制冰技術(shù)使用氨或氟利昂。前者安全性難以控制，后者則是臭氧層空洞和地球溫暖化的元兇，兩種物質(zhì)都無(wú)法與天然的二氧化碳比肩。加上在當(dāng)時(shí)，傳統(tǒng)制冷劑設(shè)備配件全部來(lái)自于美國(guó)等西方國(guó)家，我國(guó)自主產(chǎn)品仍是空白。采用二氧化碳制冰技術(shù)，成為北京冬奧會(huì)的最優(yōu)解。張信榮教授介紹道，二氧化碳循環(huán)原理是一個(gè)物理過(guò)程，通過(guò)液態(tài)二氧化碳吸熱制冰，再將吸收熱量的二氧化碳放到高溫高壓下冷凝釋放能量。釋放出的能量也不會(huì)被浪費(fèi)，而是用于冰面下地基防凍、冰面平整和場(chǎng)館供暖，梯級(jí)利用，可謂一舉多得。

張信榮教授在國(guó)家速滑館指導(dǎo)跨臨界二氧化碳制冰機(jī)組裝備運(yùn)行

在被稱為“冰絲帶”的國(guó)家速滑館中，1.2萬(wàn)平方米的冰面就是二氧化碳制冰技術(shù)的杰作。如果應(yīng)用傳統(tǒng)制冰技術(shù)，冰面不同區(qū)域的溫差很大，會(huì)導(dǎo)致冰面軟硬不均，影響參賽選手成績(jī)。而二氧化碳制冰技術(shù)能將“冰絲帶”的冰面溫差控制在0.5攝氏度之內(nèi)，硬度均勻，一任運(yùn)動(dòng)員們馳騁其上。去年10月份結(jié)束的國(guó)際測(cè)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(jī)，這讓即將到來(lái)的冬奧會(huì)更受期待。張教授笑言，他們“打造了人類冬奧歷史上最快的一塊冰”。

為確保新技術(shù)順利落地，2019年3月，張教授還根據(jù)實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，向北京冬奧會(huì)奧組委提出，冬奧場(chǎng)館設(shè)施建設(shè)要將研究與設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)。他發(fā)現(xiàn)，如果研究人員與設(shè)計(jì)人員各起爐灶，有了新技術(shù)時(shí)，研究人員無(wú)法在設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用：“設(shè)計(jì)者是按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)，但是當(dāng)新的問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)候，那就得研究的人參與了�！北本┒瑠W組委主席十分重視這份建議，還對(duì)此專門作出過(guò)批示。

科技助力

春風(fēng)暖陽(yáng)中躍然雪上不再是夢(mèng)

北京承辦2022年冬奧會(huì)，成為歷史上首個(gè)同時(shí)舉辦夏季和冬季奧運(yùn)會(huì)的城市�！半p奧之城”的桂冠背后，是一場(chǎng)科學(xué)家與技術(shù)挑戰(zhàn)的博弈。

相較于其他只舉辦冬奧會(huì)的城市，北京冬季溫度高，降雪偏少，造雪技術(shù)的運(yùn)用對(duì)賽會(huì)成功舉辦至關(guān)重要。特別是到了冬殘奧會(huì)舉辦的三月份，北京的平均氣溫可以達(dá)到八攝氏度，而目前國(guó)內(nèi)外造雪機(jī)普遍工作溫度是零度以下，造雪極限溫度不能超過(guò)兩度。這為北京冬奧會(huì)出了一個(gè)難題。

張信榮教授提出以二氧化碳技術(shù)作為解決思路。目前國(guó)際上雖然已經(jīng)有零上人工造雪技術(shù)的應(yīng)用，但往往是先制冰，再將冰碾碎，索契和平昌舉辦冬奧會(huì)時(shí)采用的便是這種方法。這種“雪”硬度很大，會(huì)讓高山滑雪運(yùn)動(dòng)員的膝蓋承受較大壓力，影響成績(jī)。張教授首先主張將二氧化碳技術(shù)運(yùn)用在人工造雪領(lǐng)域，直接造出與天然雪最接近的人工雪：“我們是全世界第一個(gè)提出用這個(gè)大膽設(shè)想的，在國(guó)際上沒(méi)有的設(shè)計(jì)”。

張信榮老師團(tuán)隊(duì)在國(guó)家速滑館工作照

在有關(guān)機(jī)構(gòu)的支持下，張教授的團(tuán)隊(duì)在延慶小海陀山冬奧賽場(chǎng)做了示范，取得圓滿成功。二氧化碳零上人工造雪技術(shù)，成為北京冬奧會(huì)方案之一，使在春風(fēng)暖陽(yáng)中躍然雪上不再是夢(mèng)。

一起向未來(lái)

讓更多的理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

冰清玉潔，白雪皚皚，二氧化碳制冷循環(huán)技術(shù)在冬奧會(huì)中的應(yīng)用，打造出一個(gè)冰雪運(yùn)動(dòng)的童話世界。走出冬奧賽場(chǎng)，這一技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景也豐富多彩，將在未來(lái)走進(jìn)各行各業(yè)、千家萬(wàn)戶。

張信榮教授在國(guó)家速滑館核心主控機(jī)房指導(dǎo)冬奧制冰運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)

傳統(tǒng)的化石能源都是能量的單向使用，彼此之間缺乏聯(lián)動(dòng)，會(huì)造成能量利用效率低下。張教授說(shuō)，這就好比“夏天的房間需要制冷，其實(shí)是把這個(gè)房間的能量扔到外面去了”，卻沒(méi)有供給需要熱量的地方。而使用二氧化碳高效冷熱供應(yīng)技術(shù)，被“扔掉”的熱量就能得到再利用。比如，學(xué)校超算平臺(tái)散熱所用的冷凝水吸收熱能后，可以作為洗澡用水提供給師生，既實(shí)用又節(jié)能。這種構(gòu)思伴隨對(duì)二氧化碳高效冷熱供應(yīng)技術(shù)研究的深入，正逐漸從理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

國(guó)際上第一部跨臨界二氧化碳制冷與熱泵的英文原著（張信榮教授著作）

近期，受北京市發(fā)改委委托，張信榮教授開展了“二氧化碳高效冷熱供應(yīng)技術(shù)應(yīng)用研究”，旨在基于跨臨界二氧化碳制冰技術(shù)在冬奧會(huì)的成功案例，促進(jìn)該技術(shù)在其他領(lǐng)域應(yīng)用推廣。

結(jié)語(yǔ)

玲瓏世界，浮玉飛瓊。孜孜不倦，辛勤耕耘。北京冬奧場(chǎng)館的夢(mèng)幻冰雪中，凝結(jié)著北大教授張信榮和眾多科研工作者的心血。

“節(jié)能”、“環(huán)保”、“高質(zhì)量”的關(guān)鍵詞詮釋了天然工質(zhì)二氧化碳制冰造雪技術(shù)。在未來(lái)，二氧化碳高效冷熱供應(yīng)技術(shù)還將飛入尋常百姓家，在生產(chǎn)生活的更多領(lǐng)域煥發(fā)光彩，帶給我們無(wú)限驚喜。

來(lái)源：北京大學(xué)融媒體中心、北京大學(xué)工學(xué)院、北京大學(xué)科學(xué)研究部

文字：呂可欣

視頻：北京冬奧組委、央視新聞

圖片：北京大學(xué)工學(xué)院、中國(guó)新聞網(wǎng)、人民日?qǐng)?bào)微博、呂宸

編輯：黃朝暉

排版：李芮迪

責(zé)編：昭花花、戴璐瑤

開幕式上的北大學(xué)子！

國(guó)際奧委會(huì)主席巴赫贊揚(yáng)北大學(xué)子

一封特別的北大家書

今天小年，送北大專屬春聯(lián)啦！

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