北京冬奧組委曾經(jīng)承諾過(guò)，要在2022年北京冬奧會(huì)上實(shí)現(xiàn)碳中和，而在所有的碳排放源當(dāng)中，場(chǎng)館的建設(shè)和運(yùn)行所產(chǎn)生的溫室氣體的排放量占到了整個(gè)碳排量的超過(guò)三分之一。也就是說(shuō)給場(chǎng)館減碳是顯得尤為重要的，那到底要怎么減，有什么樣的手段和措施，效果又如何呢？
“冰絲帶”：一種新制冰技術(shù)的冬奧首秀
國(guó)家速滑館是北京冬奧會(huì)唯一新建的冰上競(jìng)賽場(chǎng)館，從開(kāi)始建設(shè)到正式比賽，這塊近12000平方米的超大冰面一直是外界矚目的焦點(diǎn)，因?yàn)樵诎倌甓瑠W的歷史上，它第一次使用了二氧化碳作為制冷劑。
國(guó)家速滑館運(yùn)行團(tuán)隊(duì)主任 武曉南：所有的體育場(chǎng)館它都存在一個(gè)很核心的建設(shè)目標(biāo)，就是它的體育工藝。體育工藝就是你要所建設(shè)的場(chǎng)館和場(chǎng)地要滿足你所承擔(dān)的比賽項(xiàng)目的需要。那么冰場(chǎng)、速滑館，毋庸置疑就是我們的冰面如何來(lái)制冰。
與早期依靠大自然制冷的戶外冰場(chǎng)不同，如今冬奧會(huì)所有冰上項(xiàng)目均在室內(nèi)舉行。室內(nèi)冰場(chǎng)采用人工制冰的方式，可以更嚴(yán)格地控制冰面溫度、濕度，為運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造公平比賽的條件和挑戰(zhàn)極限的基礎(chǔ)。
國(guó)家速滑館制冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人 馬進(jìn)：現(xiàn)在好多家庭采暖用的是叫“地?zé)岵膳?rdquo;，這個(gè)就反過(guò)來(lái)了，叫“地冷制冰”，就是說(shuō)在這個(gè)地板下它里面放了很多制冷管道，通過(guò)制冷劑在里邊流動(dòng)，它把地板的溫度降下來(lái)。
制冷劑在“地冷制冰”過(guò)程中扮演著不可或缺的角色。用什么樣的制冷劑、以何種方式制冰，這是建設(shè)國(guó)家速滑館必須要決定的核心問(wèn)題。
作為冬奧會(huì)冰上場(chǎng)館最常用的制冷劑，采用氟利昂制冰無(wú)疑技術(shù)路線最為成熟可靠，但決策者也深知它的弊端，傳統(tǒng)氟利昂會(huì)對(duì)人類賴以生存的臭氧層造成破壞。
在一百多年的制冷工業(yè)發(fā)展中，人類始終難以找到完美的制冷劑，總是要面對(duì)制冷效率、安全、環(huán)保之間的矛盾。就在速滑館考慮制冷劑的選擇時(shí)，來(lái)自學(xué)者的建議讓他們有了新的方向。
根據(jù)北大教授張信榮的研究，相對(duì)于氟利昂，二氧化碳制冷更綠色環(huán)保，在制冷效率、制冷均勻性、熱量回收等方面也都更有優(yōu)勢(shì)。但是在2016年他提議使用二氧化碳制冰時(shí)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有二氧化碳制冰的冰場(chǎng)。
北京大學(xué)工學(xué)院教授 張信榮：我覺(jué)得大家可能心里都會(huì)打個(gè)問(wèn)號(hào) ，也都會(huì)問(wèn)，你看你這個(gè)是不是就是在理論上在紙上做了一些演算。不是能夠真刀真槍地在這么重大的場(chǎng)合下能夠?qū)崿F(xiàn)的。
由于技術(shù)要求高、控制難度大等原因，國(guó)內(nèi)應(yīng)用二氧化碳制冰更多停留在理論和實(shí)驗(yàn)層面。而在世界范圍內(nèi)，即便是最早探索二氧化碳制冰的北歐國(guó)家，也是近年來(lái)才在相對(duì)較小的1800平方米的標(biāo)準(zhǔn)冰場(chǎng)上使用這項(xiàng)技術(shù)。
到底使用氟利昂還是二氧化碳？從2016年下半年到2019年初，兩年多的時(shí)間里，北京冬奧組委和國(guó)家速滑館進(jìn)行了專業(yè)而漫長(zhǎng)的調(diào)研論證工作。
2019年，在經(jīng)過(guò)多次專家論證會(huì)，綜合考慮各種因素后，國(guó)家速滑館最終選擇了二氧化碳制冷劑，決定采用跨臨界二氧化碳直冷制冰技術(shù)，這被認(rèn)為是世界上最環(huán)保和最先進(jìn)的制冰技術(shù)。
國(guó)家速滑館運(yùn)行團(tuán)隊(duì)主任 武曉南：二氧化碳制冰還是一個(gè)大家都認(rèn)可的，非常理性的判斷下的，我們既能通過(guò)我們的努力去踮踮腳、摸摸高能夠達(dá)到的一個(gè)目標(biāo)，同時(shí)又是對(duì)賽后、包括賽時(shí)，都有很大的綠色環(huán)保、冰面質(zhì)量和賽后長(zhǎng)期可持續(xù)，有益的、最有益的這么一個(gè)選擇。
相比于其他制冷劑，跨臨界二氧化碳能夠最大程度上將熱進(jìn)行回收，因此可以實(shí)現(xiàn)冰場(chǎng)制冷與制熱的一體化，從場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)角度看，這對(duì)于降低國(guó)家速滑館的能耗具有重要作用。
二氧化碳本身也是溫室氣體，但用作制冷劑的二氧化碳，是從工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣中回收而來(lái)，它們?cè)局苯优诺酱髿庵�。使用二氧化碳制冷，不僅避免了氟利昂制冷產(chǎn)生的“強(qiáng)溫室氣體”，而且將二氧化碳作為資源利用，這對(duì)于“碳中和”來(lái)說(shuō)也具有一定的意義。
二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)在國(guó)家速滑館的成功應(yīng)用，其意義不僅是在一屆冬奧會(huì)，而是推動(dòng)冰雪運(yùn)動(dòng)和制冰產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展的關(guān)鍵。
冰菱花：一座超低能耗建筑的誕生
2021年12月30日，五棵松冰上運(yùn)動(dòng)中心正在進(jìn)行氣密性檢測(cè)，這座建筑的外圍結(jié)構(gòu)可以“密不透風(fēng)”到何種程度，是測(cè)量它作為超低能耗建筑的重要指標(biāo)。
清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)院綠建所所長(zhǎng) 肖偉：超低能耗建筑，第一個(gè)方面就是通過(guò)建筑的墻體、通過(guò)幕墻，這個(gè)熱量就散失到室外了，那么這個(gè)時(shí)候我們就需要去提高它的保溫的效果。那么第二方面很大的熱量散失，像我們這些門(mén)啊，建筑的我們看不到的一些縫隙啊，冬天把熱空氣、夏天把冷空氣傳到室外去了，這就浪費(fèi)了能量，所以我們第二個(gè)角度去做好建筑氣密性的這樣一個(gè)特點(diǎn)。
超低能耗建筑最早源于德國(guó)“被動(dòng)房”的概念，它要求最大程度降低建筑供暖供冷需求，以更少的能源消耗提供舒適的環(huán)境。作為冬奧會(huì)冰球訓(xùn)練館，“冰菱花”為什么要追求這樣的建筑標(biāo)準(zhǔn)呢？
“冰菱花”的地下一層南北兩側(cè)各有一塊標(biāo)準(zhǔn)冰場(chǎng)，冬奧會(huì)期間是運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練場(chǎng)地，但未來(lái)作為冬奧遺產(chǎn)，它們將在賽后常年運(yùn)營(yíng)。冬奧會(huì)后場(chǎng)館怎樣可持續(xù)利用是必須要考慮的問(wèn)題。
2018年初，場(chǎng)館業(yè)主決定，在這座正在建設(shè)的冬奧項(xiàng)目中引入超低能耗建設(shè)方案。按照北京市現(xiàn)行規(guī)定，超低能耗公共建筑的節(jié)能率需要比普通公共建筑降低60%。
五棵松場(chǎng)館業(yè)主代表 趙燕：它首先節(jié)能減排，如果做成了，每年它能減少二氧化碳排放。它的能耗降低了，我們的運(yùn)營(yíng)成本也在降低，第二個(gè)，你用了一個(gè)新的技術(shù)，你通過(guò)這一次你去學(xué)習(xí)了，今后的話用到你的其它方面，做民用建筑的時(shí)候，你相對(duì)就容易了。
此前國(guó)內(nèi)超低能耗的實(shí)踐多用在混凝土結(jié)構(gòu)的住宅，像“冰菱花”這樣的大型公共建筑，想要實(shí)現(xiàn)超低能耗的指標(biāo)，面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，大面積的玻璃幕墻怎樣更好地保溫隔熱。
清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)院綠建所所長(zhǎng) 肖偉：對(duì)于我們這個(gè)體育建筑而言，我們不可能像住宅全部都是采用實(shí)心墻體，因?yàn)槲覀冋麄�(gè)要打造一個(gè)比較通透的空間，我們這個(gè)項(xiàng)目就必須要采用這種玻璃幕墻，我們整個(gè)項(xiàng)目的玻璃幕墻超過(guò)了一萬(wàn)平方米，這一萬(wàn)平方米就是我們這個(gè)房子損失熱量非常重要的一個(gè)途徑。
五棵松冰上運(yùn)動(dòng)中心采取了房中房的設(shè)計(jì)，由于內(nèi)外溫差不同，冰場(chǎng)與其他區(qū)域之間的這層玻璃幕墻對(duì)于超低能耗要求的保溫隔熱都至關(guān)重要。
這種三玻兩腔充氬氣的玻璃系統(tǒng)在“冰菱花”得到大面積使用，根據(jù)測(cè)算，玻璃幕墻的傳熱系數(shù)低至常規(guī)玻璃的三分之一。最終，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)多種技術(shù)手段，進(jìn)一步降低建筑能耗水平，讓“冰菱花”滿足了超低能耗的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。
水立方：一座傳奇場(chǎng)館的綠色改造
水立方，2008年北京奧運(yùn)會(huì)的標(biāo)志性建筑，2022年這里將是冬奧會(huì)冰壺的比賽場(chǎng)館。不新建建筑，直接改造已有場(chǎng)館，這意味著資源消耗的減少和建設(shè)成本的節(jié)約。
國(guó)家游泳中心“水立方”總經(jīng)理 楊奇勇：如果我們沒(méi)有這么做而去再建一個(gè)空間，這個(gè)代價(jià)差異是以億元計(jì)算。這個(gè)成本省掉了，實(shí)際上碳排放、垃圾處理都跟著下來(lái)了
冰壺是冬奧會(huì)場(chǎng)次最多、轉(zhuǎn)播時(shí)間最長(zhǎng)的項(xiàng)目。世界冰壺聯(lián)合會(huì)希望，冬奧會(huì)冰壺比賽在水立方這座傳奇建筑中進(jìn)行可以更好地展現(xiàn)冰壺比賽的魅力，促進(jìn)冰壺運(yùn)動(dòng)的普及，而水立方也希望，通過(guò)“水轉(zhuǎn)冰”成為雙奧遺產(chǎn)，將冰壺作為未來(lái)可持續(xù)運(yùn)營(yíng)的冰上項(xiàng)目。
然而，對(duì)于“水立方”來(lái)說(shuō)，想要實(shí)現(xiàn)“水冰轉(zhuǎn)換”絕非易事，場(chǎng)地條件是頭號(hào)難題。
冰壺比賽需要極其穩(wěn)固的場(chǎng)地，在冬奧會(huì)歷史上，這個(gè)項(xiàng)目都是在永久混凝土地板上的冰面進(jìn)行的，這也是世界冰壺聯(lián)合會(huì)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。然而，如果“水立方”用現(xiàn)澆混凝土打造一塊永久地板，這意味著泳池將不復(fù)存在。
國(guó)家游泳中心冰壺賽場(chǎng)設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人 鄭方：我們?cè)僖部床坏竭@個(gè)游泳池，這是不可想象的一件事情。因?yàn)檫@個(gè)水里面它記載了這些世界紀(jì)錄，記載了在奧運(yùn)會(huì)以后很多重大的活動(dòng)，是我們歷史的一部分，也是我們生活的這個(gè)時(shí)代的一個(gè)記憶。
盡管艱難，但“水立方”團(tuán)隊(duì)還是開(kāi)始研究攻關(guān)，他們計(jì)劃在游泳池中架設(shè)支撐系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)之上再鋪設(shè)面板，形成可拆裝的比賽場(chǎng)地。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鋼架和混凝土預(yù)制板的組合表現(xiàn)優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)冰壺比賽的精度要求和快速轉(zhuǎn)換的現(xiàn)實(shí)需要。
2019年，水立方第一次實(shí)現(xiàn)水冰轉(zhuǎn)換，45天搭起的冰場(chǎng)可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了正式比賽的考驗(yàn)。2020年，通過(guò)科技手段對(duì)平整度和安裝精度進(jìn)行跟蹤掃描，第二次水冰轉(zhuǎn)換僅耗時(shí)10天。
在解決了場(chǎng)地問(wèn)題后，圍繞這塊最敏感的冰進(jìn)行環(huán)境控制是另一個(gè)難題。理想狀態(tài)下，冰壺場(chǎng)館應(yīng)避免太陽(yáng)輻射，打造成小而密閉的“冰箱”，這樣更容易對(duì)冰面和環(huán)境的溫度濕度精準(zhǔn)控制，但這在“水立方”很難做到。
楊奇勇表示，要以更少的能耗、更小的代價(jià)，將高溫高濕的游泳賽場(chǎng)，變成低溫低濕的冰壺賽場(chǎng)。“水立方”屋頂鋪的這層膜，有效地阻擋了太陽(yáng)直射冰面，但對(duì)減少熱輻射和降低溫度仍作用有限。
國(guó)家游泳中心“水立方”總經(jīng)理 楊奇勇：這時(shí)候江憶院士提出來(lái)說(shuō)，你應(yīng)該考慮那個(gè)叫“空腔通風(fēng)”。“水立方”的墻體是膜結(jié)構(gòu)，兩層膜形成一個(gè)氣枕，內(nèi)外兩層氣枕中間，也就是有鋼結(jié)構(gòu)所在的空間是三米四的空腔，空腔與屋頂相連，空腔里的空氣平常不會(huì)流通。
利用這種技術(shù)手段，“水立方”空腔內(nèi)的溫度可降低10至15度，這大大減少了空調(diào)的利用，每年節(jié)約百萬(wàn)級(jí)的用電費(fèi)用。而在冰場(chǎng)內(nèi)部，由于空間較大，為了低能耗并且更精準(zhǔn)地控制環(huán)境條件，“水立方”與科研團(tuán)隊(duì)一起，探索研究分區(qū)域控制技術(shù)。
為了讓這樣的控制能夠更加精準(zhǔn)，“水立方”在賽場(chǎng)布設(shè)了2000多個(gè)傳感器，它們的各項(xiàng)數(shù)據(jù)將傳到“水立方”地下的這間機(jī)房。能源管控系統(tǒng)也在這里，整個(gè)水立方的能源消耗情況可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2021年，國(guó)際奧委會(huì)通過(guò)了《奧林匹克2020+5議程》，把可持續(xù)性作為奧林匹克三大支柱之一。議程中提到，未來(lái)的三屆奧運(yùn)會(huì)，鼓勵(lì)使用臨時(shí)場(chǎng)地。
國(guó)家游泳中心冰壺賽場(chǎng)設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人 鄭方：2008年這些場(chǎng)館，以非常輕的建造方式，就能夠?qū)崿F(xiàn)夏季功能到冬季功能這樣的一個(gè)轉(zhuǎn)換，我覺(jué)得為未來(lái)的奧運(yùn)會(huì)也提供了一個(gè)非常好的示范。
中國(guó)已經(jīng)向世界作出了承諾，要力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為在確立了“雙碳”目標(biāo)之后舉辦的第一個(gè)國(guó)際體育賽事，綠色的北京冬奧已經(jīng)向世界展示出了一個(gè)大國(guó)的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。而我們更加期待的是，在一場(chǎng)簡(jiǎn)約、精彩的奧運(yùn)賽事之后，所有在過(guò)程當(dāng)中所摸索著建立起來(lái)的這些低碳的管理模式和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，能夠和我們一起走向更深遠(yuǎn)的未來(lái)。
