给冰面盖 “棉被”？“冰立方”转换之道

推荐单位：北京制冷学会 受访专家：张涛 采编：吉吉

北京2022年冬奥会即将举行，备受关注的冰壶比赛将在国家游泳中心“冰立方”举行。“冰立方”实际上并不是一个为冬奥会新建的场馆，而是由2008年夏季奥运会的场馆“水立方”改造转换而来。

其实，“水立方”向“冰立方”的转换，并不是简单地把游泳池的水抽干，再在水池上铺设钢架，打造冰面那么简单;而是涉及整个场馆环境的有机改造，包括场馆的气密性改造、自然通风改造、分区控制改造等。

“水冰转换”的过程中蕴藏了哪些我们想不到的“黑科技”呢？科协频道采访了参与“冰立方”场馆环境控制、制冷系统设计工作的清华大学建筑学院助理研究员张涛（北京制冷学会推荐专家），带领大家近距离感受“水立方”与“冰立方”水冰转换的奇妙。

更节能、更低碳的中国方案

冰壶运动起源于14世纪的苏格兰，1998年其作为正式比赛项目进入冬奥会。冰壶比赛是对场馆环境要求最严苛的冰上运动之一，国际冰壶联合会提出的29条要求中，有14条与场馆制冰空调系统相关。场馆改造后的环境参数需要严格保证冰面上空气温湿度、露点温度、风速等控制在严苛范围内。

此外，“冰立方”是一个方方正正的、泡泡状的、半透膜结构建筑，这一场馆是冬奥会历史上体量最大的冰壶场馆，场馆高度也是历届冬奥会中最高的。盐湖城、都灵、科尔蒂纳丹佩佐冬奥会的冰壶场馆高12～15米，温哥华、索契、平昌冬奥会的冰壶场馆高度都仅为20米左右，而“冰立方”场馆高度达30米。“越高大的建筑，越难控制环境。”张涛说。如此高大的空间也给“冰立方”场馆环境控制带来了巨大难题。

以往的冰壶场馆大部分是在10米多高的空间中，大都采用全部空间控制，即将整个空间控制成一样的参数——场馆所有区域的空气温度都控制在10摄氏度左右。“但这种全部空间统一控温的方式实际上并不符合绿色可持续运营的目标。如果在‘冰立方’将整个空间控制到10摄氏度，从节能低碳的角度来讲，要付出非常大的代价。”张涛说。

张涛介绍，在建筑环境工程专家、清华大学建筑节能研究中心主任、中國工程院院士江亿和清华大学建筑学院教授刘晓华的带领下，项目团队竭力攻关，提出了更节能、更低碳的中国方案，使“冰立方”在冬奥会历史上首次实现了冰壶场馆分区环境控制。如此一来，冰上重点区域得到了保障，观众和运动员也能有较舒适的体感温度。

分区控温后，观众观赛的舒适度可和在家观赛相媲美。大家如果去商场里的冰场，在冰场周围可能都得穿上羽绒服，因为冰场周围的温度相对较低。“而冬奥会如果去‘冰立方’看冰壶比赛，大家可能觉得和春天、夏天看比赛差不多，或者说和在家看比赛的体感舒适度没太大区别。”张涛说。这实际上是因为改造后，分区控温系统和座椅送风系统使“冰立方”的观众席温度能始终保持在16～20摄氏度。

其实，观众和运动员的舒适体感温度相对容易保证，真正难的是在这么大的空间下将观众席和冰面解耦，保证冰面的温度和质量。“在这么大的空间中，特别害怕的是观众席和冰面之间的空气互相搅和。所以，分区控温系统最重要的贡献就是实现了冰面和观众席之间的解耦，避免了两个区域的来回掺混。”张涛介绍，“通过空调的有效设计和分区，我们将冰面上方两三米的区域进行独立的深度除湿风量控制，这就好比营造了一层看不见的‘空气被子’，牢牢地保护住冰面。”

为什么“冰立方”不用更环保的二氧化碳制冷剂

“冰丝带”（国家速滑馆）选取二氧化碳作为制冷剂，应用二氧化碳跨临界直冷制冰系统，该技术是历届冬奥会场馆中应用过的最环保、最绿色、最高效的制冷技术之一。“冰丝带”使二氧化碳这种绿色环保的制冷剂被大多数人所熟知，而“冰立方”使用的制冷剂却少有报道提及。这是为什么呢？难道“冰丝带”采用的制冷剂不够绿色环保吗？

“冰立方”采用的制冷剂是R507（一种制冷剂的代号），其具有优异的传热性能，且不含任何破坏臭氧层的物质。但从绿色环保的角度来看，与“冰丝带”使用的二氧化碳制冷剂（R774）相比，R507不是最绿色、最环保的。二氧化碳制冷剂的全球变暖系数值（GWP）为1，而R507的约为3900，也就是说使用二氧化碳制冷剂对全球变暖的影响要小得多。

“冰立方”使用的R507制冷剂是一个相对环保的制冷剂，“使用此种制冷剂而没有使用二氧化碳制冷剂的原因在于‘冰立方’是改造的场馆，要兼顾多种用途，其制冷系统也没有采用永久的制冷设施，而是采用了一个临时的制冷设施。”张涛说，“从综合利用的角度，我们选择了R507这个相对节能环保的制冷剂。”

转换之道：夏季奥运会遗产的有效利用

“水立方”向“冰立方”的转换，是对北京夏奥之城遗产的合理利用。“虽然冬奥会和夏奥会之间存在很大的区别，如竞赛场馆的参数要求、场馆各项设施的维护等。但是，对于怎么更好地利用夏季奥运会的遗产为冬季奥运会作贡献，以及考虑到尽量避免新建更多的大场馆和北京未来场馆需求，在冬奥会场馆规划中考虑到可以用夏季奥运会的有效场馆来作为冬季奥运会举办的场所，也是秉承了奥运的可持续理念。”张涛说。而如何灵活运用，如何改造达标，就需要科研团队去寻找更好的解决方法。

在张涛看来，“水立方”既是夏季奥运会的遗产，也是冬季奥运会的遗产。其成为北京这一双奥之城下的“双奥场馆”，具有重大的历史意义。