2022年北京冬奧製冰科技創新 將給世界帶來驚喜
2018年08月07日15:22

冰球
冰球

  中國日報8月6日電(記者陸中秋 通訊員寇建平)世界在不斷進步中,面臨著廣泛的經濟,社會和環境等眾多問題,人類時刻都要應對重要的挑戰;體育運動也無法擺脫其影響。

  冬奧會即有機會,也有責任,更有挑戰。

  冰雪運動是冬奧會的主題。製冰、造雪的質量是首要保證。無論是冰場館、冰壺館、速滑館、花滑館,還有大道館,最重要的是要有優秀的冰。

  全場冰溫一致、達到比賽冰溫就是最優秀的冰!

  沒有軟硬不一的冰面,運動員就會有安全和舒適感,所有技術動作和比賽過程就會舒展流暢,沒有一秒猶豫和絲毫阻礙,一定會創造佳績,提高競技水平;其次凍冰速度快,上半場和下半場冰質沒有任何變化,充分體現運動員在公平公正的競賽條件下賽出好成績;絕對不會出現平昌冬奧會同一片冰,速滑運動員優異成績破紀錄;花滑運動員不停摔倒影響比賽成績的痛心事故。

  據技術人員介紹,看所有滑冰場的質量,要按比賽標準的冰溫,實現全場冰溫均勻一致、快速凍冰和短時調整冰溫,是衡量滑冰場質量的最基本和最重要的條件。而直接蒸髮式製冷技術的一個重要的物理特性,就是一個壓力對正一個溫度,是其特有的技術優勢。所以,直接蒸髮式滑冰場不可能出現2°至5°的冰面溫差。這一技術突破,將給冬奧會舉辦比賽和訓練的滑冰場創造出無溫差的好冰場,助理運動員取得好成績。

“冰冷”的故事
“冰冷”的故事

  直接蒸髮式製冷技術是直接將製冷劑打入場地製冷管道內,製冷劑經相變(油液體變氣體),遇熱蒸發製冷,非常節能。節能就是環保!

  而間接蒸髮式製冷技術是把載冷劑打入場地管道內,載冷劑沒有相變過程,自身遇熱升溫,在場地管道中邊走邊升溫,所以場地進口和出口載冷劑的溫度至少相差5度,升溫的載冷劑要不停回到交換罐去降溫。然後,再由至少四台水泵不停地工作把載冷劑打回到場地管道,故很耗電。耗電就是不環保!

  既然直接蒸髮式製冷技術節能、製冷效果好;冰箱、空調、汽車、醫療、冷鏈運輸所有小製冷系統也全部採用直接蒸髮式製冰技術,而大型滑冰館寧願忍受高能耗冰質差,卻還是多數採用間接蒸髮式製冰技術呢?

  這裏有關乎製冷劑使用技術的故事。

  直接蒸髮式製冷技術相對於間接蒸髮式製冷技術,有兩個世界性難題:“回油難”和“不漏難”。解決這兩個難題不僅要懂製冷,還要會機械,也要熟知製冷劑物化屬性,更要有擔當、有手藝。

  “回油難”是指在18000米製冷管道中冷凍油比製冷劑比重輕且融合度極高的系統內,冷凍油能否順利回收循環工作。

  “不漏難”是指主機和18000米製冷管道無縫冷凍鋼管所有接口和閥門均做到製冷劑和冷凍油不泄露。

  60年代首都體育館中國第一片冰,就是直冷,使用的製冷劑是“氨”;環保節能,冰質優異;冷凍油比製冷劑“氨”的比重大,沉在管道底層,回油容易,在八十年代之前被廣泛使用。但是,由於氨在空氣中達到16%就會發生爆炸,達到11%~13%時即可點燃,含量達到0.5%~0.6%時,人在其中停留半個小時即可中毒。因此,80年代初期,在中國所有體育場館內的氨製冷劑滑冰場被明令禁止。

  而取代“氨”的製冷劑是R22。

  但是,“回油難”的問題一時難以得到解決。隨之,技術簡單且高能耗的間接蒸髮式製冰系統應運而生。間冷式滑冰場的出現確實規避了氨爆炸、燃燒、有毒的危險,但從此也讓滑冰場背上沉重的高能耗的包袱;這也是製約冰上運動發展的最大瓶頸。

  之後,不僅高能耗,再也難見冰溫一致的好冰了。

  當R22直接蒸髮式製冰技術逐步成熟時,1987年蒙特利爾議定書的頒布使得許多發達國家R22又被禁用。中國也承諾提前達標禁用R22。2022冬奧會申辦成功,綠色環保冬奧會,沒有商量拒絕R22的使用。

  隨之,環保製冷劑“R134a”被發明出來,因其環保、安全、性能穩定,目前已被廣泛用於多種小型直接蒸發製冷系統,如空調、冰箱、汽車、醫療、航空航天等多個領域。其ODP值為0,不破壞臭氧層。GWP值(全球變暖潛能值)僅為1320,是符合被允許使用GWP值在1500以下的環保製冷劑。然而,因為“回油難”和“不漏難”,難住了在18000米長的製冷系統中,R134a直接蒸髮式製冷技術的應用。

  在小型製冷循環系統(如冰箱、空調)里靠壓縮機吸口的壓力就能將油及時回收,但在大型製冷循環系統里,特別是長18000米的滑冰館管道中,R134a的油汽混合物將無處不在,冷凍油不斷地滯留在管道內終將會造成壓縮機失油。解決“回油難“的問題,是R134a直接蒸髮式製冰技術的核心。

  世界製冷界的工匠們,始終在苦苦尋覓著如何能讓滑冰場實現高效節能、高度環保並安全的解決方案。面對直冷式滑冰場製冰技術的“回油難”和“不漏難”的兩大世界性難題面前,許許多多做滑冰場的企業都經曆過技術研發階段的磨難。有些做滑冰場的企業在過去的幾十年里,經曆了一次次地失敗,最終都沒有做成一個成功的直冷式滑冰場。最後,只有在高額的研發成本和時間成本面前望而卻步。

  技術的發展永遠是向前的,對於R134a直接蒸髮式製冰技術什麼時候才能應用於大型滑冰場,世界在等待一個創新的出現。

  逡巡全球找尋的目光,最後定格在中國。

  北京以北,順義。

  有“熱度”的創新技術

  2016年,在離城區幾公里的北京順義城南體育中心,一座建築新近落成,從外觀看一副標準體育館的模樣,不驚豔也不時尚,但在平凡掩映的後面,這座體育館卻是集世界領先水平的高效節能,高度環保的國際奧林匹克標準滑冰館。

  進入滑冰館,奧林匹克標準冰面熠熠生輝、潔白明亮,與雙側看台的紅色座椅交映成輝,在場館內你絲毫感覺不到寒冷,縱是場館外已經是寒風凜冽。“場館室溫經年保持12度到16度的舒適溫度,而冰溫是世界標準冰球場零下6度,這樣的室溫和冰溫,冰質好,滑動速度快,運動員體感舒適度良好。”負責滑冰場施工的北京艾爾豪斯膜式技術有限公司負責人介紹。

  原中國冰球隊隊員潘誌強教練帶領北京加拿大國際學校冰球隊小隊員,在新落成的北京順義城南體育中心滑冰館訓練。潘誌強曾感歎,在冰溫零下6度的條件下,冰面硬度高、滑冰速度塊、冰球滑動速度也快,隊員們很自然的就提高了跑動速度。冰溫低、冰面光滑,冰面冰溫一致運動員容易提高水平,會取得好成績;隊員們也感覺舒適快樂。這是目前我看到最好冰質的滑冰館。其次室溫高讓運動員打球、滑冰感覺很舒服,觀眾和家長也都能長久地觀看,真正享受到冰球帶來的快樂。

  這裏有幾個數字值得關註:在標準工況(冰面4米以上室溫24度以內,濕度不超過40%)365天24小時製冰,均達比賽要求的冰質及冰溫,年耗電量不超過50萬度的滑冰場,這是全世界最節能省電,冰質最優的滑冰場,與傳統間接蒸髮式滑冰場相比至少可節能70%以上,在冬季能耗更低,每天不超過500度電。

  工作人員介紹:R134a直接蒸髮式製冰系統是直接將製冷劑由場地中心輸送到場地,徹底擺脫了因間接交換而造成的大量能耗損失;更無需擔心交換罐易損易壞,停機修理,影響場地使用的問題。並且,確保全冰場任何一點的冰溫一致。因為直接蒸髮式製冰系統實現了:在密閉的管道中,一個壓力對證一個溫度的物理特性。冰面無溫差使得運動員在滑冰時擁有更高的舒適性,為運動隊成績提高提供了技術支持。

  高效節能、高度環保的R134a直接蒸髮式滑冰場是全世界首創。其中最大的三個創新:1、解決製冷劑易泄露難題;2、解決冷凍油和R134a環保製冷劑分離回油難題;3、解決了間接蒸髮式製冰系統主機占地面積大、噪音高的世界級難題。”

  走進滑冰場的機房,裡面出奇的安靜,只有一個大型冰箱一般的櫃機,櫃機採用全封閉,無人值守,一鍵操作,就像家用的電冰箱一樣。

  首先,直接蒸髮式滑冰場的管道中流動的是環保製冷劑R134a,而不是間接蒸髮式滑冰場的管道中流動的價格便宜又不環保的載冷劑(乙二醇溶液或鹽水)。為了確保滑冰場質量使用的製冷劑全部為美國杜邦公司直接進口製冷劑。

  還有,滑冰場的場地排管均為按照北美直冷式滑冰場標準配裝的無縫鋼管,只有鋼管和混凝土的結合才是最穩定的鋼筋混凝土結構,管道壽命長。而間接蒸髮式製冰系統的排管為塑料管道,其與混凝土的膨脹係數不相等,造成場地的壽命短。並且,直冷式滑冰場的製冰面積只限於冰球圍板以內。圍板四個圓角以外的面積均不凍冰,可有效節省能耗。

  再者,R134a直接蒸髮式製冰系統的心臟―R134a壓縮機在加工過程中與其他壓縮機有差異,主要是由於R134a的特性對系統產生的壓降非常敏感,對冷量的影響很大。壓縮機內部的流道、內部排氣口形狀以及配合間隙等,與其他壓縮機相比需要更昂貴的設備加工及精密的裝配工藝。

  對於冷卻油難以分離的世界級難題,通過艾爾豪斯機械師團隊多年來出色的工藝設計以及在北美的科研實驗與不斷調整改進的技術成果,圓滿解決了回油難的難題。

  “目前世界上只有我們克服了這個難題,出訪美國受到了滑冰館業內人士的讚許和追捧。不大的主機里集成了多項專利技術,就像一個聚寶箱”。

  節能、環保、安全始終是艾爾豪斯的技術核心。從滑冰場連續數月的運行結果看,選擇了 R134a 直接蒸髮式製冰技術,就是選擇了高效節能、高度環保、智能安全、冰質優異的滑冰場。符合 2022 年冬奧會提出的可持續發展理念,低於 50 萬千瓦的年耗電量的滑冰場,才能真正解決製約冰上運動發展瓶頸問題。”

  艾爾豪斯的第二代製冰系統,是更加節能的製冰系統,總裝機功率僅為185千瓦。最大亮點是:可以選用更加環保的R1234yf製冷劑,在無需更換任何設備的情況下完美替代R134a。更加智能化的製冰系統,手機遠程操控以及管理製冰系統,降低更多人力成本。真正實現製冰一體機。

  2018年5月1日,美國空調、采暖和製冷工程師學會滑冰館分會前任會長,Art Sutherland先生調研了順義城南體育中心直接蒸髮式製冰的滑冰館。他說:在我從事溜冰場行業40年的工作中,我曾與許多直接和間接製冷系統合作過,並且對這兩種系統的風格都有非常好的理解。我用這個經驗作為我意見的基礎。首先,直接製冷系統使用比塑料管道系統具有更好傳熱率的碳鋼或不鏽鋼管道系統;傳熱速度非常快。其二,在直接製冷系統中,製冷劑直接送至製冰管道,無需在兩種流體之間傳熱,並保持在保持良好冰條件下所需的溫度;直接製冷系統的好處是在整個冰場區域製冷劑溫度的一致性。直接製冷系統的另一個好處是:取消了冷交換罐。整個滑冰行業有數百台冷交換罐出現故障、多次導致系統受汙染、計劃外停機和昂貴的鹽水清理。直接製冷系統在機房內沒有冷交換罐,一直不會出現維修交換罐費時耗力和額外支出費用。

  Art Sutherland先生在他的調研報告總結道:直接R-134 A製冷系統的優點在於比間接系統更高效;全場冰溫一致;易於控製冰面溫度;冰溫反應靈敏;製冰管道壓力低;沒有冷交換罐。

  中國北京順義城南體育中心滑冰場直接蒸髮式製冰技術的成功,是世界滑冰場製冰技術的進步,也將是北京冬奧會給世界的又一個驚喜!

  R134a直接蒸髮式製冰技術必將促進2022冬奧會競技水平提高,破解後奧運場館運營難。創新技術讓冬奧會體育經濟可持續發展,節能綠色環保的中國製造也將大放異彩。

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