北京冬奥会推动国内制冷行业可持续发展

文_马进 华商国际工程有限公司

随着成功申奥，北京2022年冬奥会和冬残奥会组织委员会（简称“北京冬奥组委”）发布了《北京2022年冬奥会和冬残奥会可持续性计划》和《2022年北京冬奥会和冬残奥会遗产战略计划》，提出要贯彻“绿色、共享、开放、廉洁”办奥理念，奔向“三亿人参与冰雪运动”的宏伟目标，实现“可持续•向未来”的可持续性愿景和“创造冬奥会和地区可持续发展的新典范”的可持续性目标。为此不仅需要建设和利用好世界一流的体育场馆，为推动世界冰雪产业发展做出积极贡献，而且需要真正落实向国际奥委会承诺的“可持续性发展”。

1 人工制冷是冰雪娱乐、冷链及冬奥会的物质条件

随着国家经济发展和民众生活水平的提高，冰雪娱乐及冷链产业也在近年得到快速发展，冰雪娱乐产业为保障商业上的持续性，提高消费粘性，需要全年为消费者提供可靠的冰面和雪道，为此需建设人工制冷冰场和室内滑雪馆，冰面和雪场的温度都需要保持在-3℃左右，或更低一些。

如果说冰雪运动和娱乐是“中产社会的标配”，冷链则是“小康社会的基础”。根据国标《制冷术语》GB/T18517-2012，冷藏链（冷链）是以制冷技术为主要手段，使易腐食品或货物在原料、生产、加工、运输、贮藏、销售等各个环节中始终保持适宜温度的系统，因此人工制冷也是冷链的物质基础。

北京2022年冬奥会和冬残奥会（简称“北京冬奥会”）举办需要的场馆设施为7个大项，为速度滑冰场、花样滑冰场、短道速滑场、冰球场、冰壶场、雪车雪橇场，以及高山、越野、自由式、跳台等滑雪场，涵盖109个冰雪运动小项。按照要求，滑冰比赛全部在室内，比赛期间场馆的室内温度需保持在18℃左右，冰面温度需要稳定控制在-9～-3℃（各项要求的具体温度不同），因而即使在冬季也必须采用人工制冷的方式保持冰面温度。雪车雪橇赛道虽然半露天设置，为避免环境的干扰，也需要提供-18℃的人工制冷。

2 制冷行业遇到的问题及解决问题的方向

到目前为止，冬奥会、冰雪娱乐及冷链几乎全部采用蒸汽压缩制冷技术，其它非蒸汽压缩制冷技术，如气体膨胀、热电、涡流管等由于效率、造价、运行费用、相关产业链配套等原因，很难在上述行业大范围推广。对于蒸汽压缩制冷，制冷剂是物质基础，无论天然还是人工合成制冷剂，绝大多数是危险化学品，面临各种安全问题，如毒性、燃烧性、窒息性等，同时人工合成制冷剂还面临环保问题，主要表现在破坏臭氧层和强温室效应，因此制冷系统的安全与环保问题一直困扰着行业的健康与可持续性发展，在我国的表现尤其严重，也是实现碳中和目标绕不开的重大问题。

2.1 安全问题

氨和丙烷是自然界广泛存在的物质，不存在环保问题，同时还是制冷性能优良的制冷剂，称为自然工质或天然制冷剂。

氨作为制冷剂使用时安全类别为B2L，燃烧和爆炸风险并不高，职业性接触毒物危害程度分级为Ⅳ级(轻度危害)，在工业和仓储区域，不接触非特定人群时安全风险易于控制，因此氨制冷系统在冷链的生产、加工、贮藏环节得到广泛用。但在非特定人群密集的室内空间，其安全风险很难控制，少量泄漏时即使没有导致中毒事故，氨制冷剂强烈的刺激气味也易引发群体恐慌，因此国内不允许在冰雪场馆内和冷链销售环节使用。

丙烷易燃易爆，作为制冷剂使用时安全类别为A3，实用限值仅0.008kg/m³，因此在大中型制冷系统仅适用于化工等需要严格管控生产安全且人员稀少的场所，否则其制冷装置的充注量不能超过0.15kg。其他碳氢类制冷剂的情况与丙烷相似，安全问题使其不可能用于冬奥、冰雪娱乐及冷链工程。

2.2 环保问题

卤代烃制冷剂是人类在20世纪的一项伟大发明，种类众多、性能各异的卤代烃制冷剂是制冷和空调在20世纪30年代后快速普及的物质基础。随着卤代烃制冷剂的大量应用，20世纪70年代初世界各地都发现大气臭氧层有明显下降趋势，1977年还在南极发现“臭氧空洞”。研究证明卤代烃制冷剂内的CFCs和HCFCs类是消耗臭氧层的主要物质（ODS）。鉴于臭氧层关乎地球生物生存，1987年达成的《蒙特利尔议定书》成为国际社会真正控制ODS的开端。经过三十多年的努力，人类在城市化快速发展的同时成功扭转了臭氧层恶化的趋势，《2018年臭氧层消耗科学评估报告》（议定书的四年期审查报告）证实“自2000年以来，分布在平流层的臭氧层以每10年1%～3%的速度恢复”。但是到目前为止并未恢复到破坏之前的状态，因此制冷行业绿色发展任重道远。

卤代烃制冷剂除消耗臭氧层，往往还是强温室气体，如《蒙特利尔议定书》第一阶段要淘汰的常用制冷剂R12的GWP值高达10900，第二阶段要淘汰的常用制冷剂R22的GWP值达1810。卤代烃制冷剂内不消耗臭氧层的HFCs类物质的GWP值往往也以千计，如常用制冷剂R134a为1430，R507A为3990。

工业化导致温室气体大量排放，为防止其恶化全球气候，联合国气候变化框架公约参加国在1997年制定《京都议定书》，确定“将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平，防止剧烈的气候改变对人类造成伤害”；进而在2016年签署《巴黎协定》，表述为“把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内，并为把升温控制在1.5℃之内而努力”，基本形成气候变化的全球治理体系。同时，2016年《蒙特利尔议定书》197个缔约方达成《基加利修正案》，就削减强温室气体HFCs类物质取得一致，《基加利修正案》的实施可以在本世纪末避免全球升温0.5℃，将对《巴黎协定》实现2℃的温控目标起到关键作用。

2.3 解决安全和环保问题的方向

因城市化离不开制冷，而制冷难以放弃蒸气压缩技术，继续研发新型制冷剂是解决问题的主要方向。目前，人工合成制冷剂的研究已经达到分子水平，既安全又环保，且制冷性能优良的人工合成制冷剂已经很难研制。

元素周期表内只有碳、氮、氧、硫、氢、氟、氯、溴能够合成适宜沸点的化合物，目前已经把一个和两个碳原子的卤代物全部研究完毕，但都不能满足要求。最新研究三个碳原子的丙烯烃衍生不饱和氟化物能够做到零ODP和个位数的GWP，但是制冷性能很难在各工况都理想，且安全类别多属A2L，即弱可燃。

上述研究表明人工合成制冷剂不可能完全解决制冷行业的安全和环保问题。因此，为突破自然工质制冷技术，制冷行业围绕这个目标开展了近30年的大量研发工作，目前已取得一定成果，集中表现在二氧化碳制冷技术和提升氨制冷安全体系方面。

2.4 二氧化碳制冷技术

在20世纪30年代之前，二氧化碳曾是主要制冷剂之一，由于当时的技术水平较低，其优势仅表现在无毒和不可燃，而相对高压力和低临界温度导致制冷装置成本高、效率低，因此迅速被卤代烃制冷剂替代。随着保护臭氧层和减少温室气体排放国际行动的深入，不损害臭氧层且GWP值为1的二氧化碳制冷系统在近30年逐步成为行业关注的重点。

二氧化碳不仅是自然工质，也是人体内存在的物质，作为制冷剂使用时安全类别为A1，实用限值达0.1kg/m³，因此不存在安全和环保问题。二氧化碳的制冷性能可谓优劣并存，一方面传热和流动性能优良、单位容积制冷量大；另一方面压力高、节流损失大。同时，临界温度低（约31℃）是二氧化碳与传统制冷系统差别的根本原因，一方面导致系统技术复杂的劣势；另一方面又使其具有热回收优势。二氧化碳的物性决定其在制冷行业的应用比较复杂，需要根据应用场景和工况选择跨临界、亚临界复叠或载冷模式，因此系统技术是决定其应用优劣的关键。

基于上述客观规律，笔者曾对二氧化碳复合制冷系统（亚临界复叠和载冷）的应用前景进行了全面研究，2013年向行业公布了研究结果。即在冷冻冷藏等制冷行业，与现有氨、卤代烃制冷系统相比，采用二氧化碳复合制冷系统可以在整个工程投资基本不变的前提下解决安全和环保问题，日常运行费用也基本不变。

研究结果基于五个推论。第一，二氧化碳是自然工质，不会产生意想不到的危害，虽然也是一种温室气体，但GWP值与卤代烃相比可以忽略不计。另外，其来源于各种工业尾气，即使不用作制冷剂，也要排放到大气中，不增加碳排放。第二，二氧化碳安全性能优良，不燃、无毒、化学性能稳定，只在高浓度时会可使人窒息，但过程较慢（浓度<30%时），易于探测，配合报警能够得到充足的事故逃生时间，且脱离后无遗留症状。第三，在冷冻冷藏等制冷行业，二氧化碳复合制冷系统设计压力5.1MPa即可，与氨制冷系统的2MPa、HFCs系统的2.5MPa同数量级，即使遇到极端情况，直接排放即可。第四，二氧化碳复合制冷系统的经济性，包括能效、管道系统费用、设备费用和相关设施费用等构成的综合费用在其量产后与氨、卤代烃系统基本相当，在低温工况下甚至更节约。第五，工程相关设施费用与氨制冷系统相比肯定降低，使用场所不需要防爆、防毒投资，管道和阀门安装位置所受安全限制减少。可能会有潜在的节约，需要进一步研究能否与消防系统共用，从而节约整个工程投资。在这一研究成果的推动下，二氧化碳复合制冷系统在国内冷冻冷藏行业（冷链的主要部分）得到迅速推广。截止2020年底，已建成约400套大中型装置，无论规模还是综合性能都走在国际前列。

2.5 氨制冷安全体系

2013年之前氨制冷系统是国内冷冻冷藏行业在工程制冷领域的主要选择，占比约80%，并且形成了完整的产业体系。2013年吉林宝源丰禽业有限公司和上海翁牌冷藏实业有限公司都发生了令人痛心的涉氨制冷事故，虽然调查表明事故根源是企业在工程建设和运营管理阶段不遵守规范和标准，但还是给环保、经济、高效的氨制冷系统应用投下了深深的阴影，甚至引发公众“谈氨色变”。

为厘清深层次原因，笔者曾对国内氨制冷安全体系进行了全面研究，并且在2014年向行业公布了研究结果，即国内涉氨制冷的整个安全体系比较全面，没有漏洞，完全按照现有氨制冷系统安全体系执行，不会出现重大安全事故，但需要通过技术进步使企业易于按照安全体系的要求认真执行。并且指出技术进步的主要方向是减少灌注量，从根本上降低事故危害；提升自动化控制和保护水平，减少对人员经验的依赖，避免人为的失误；提高技术标准，采用新的安全技术，进一步降低事故发生的可能性；研究制定适用于制冷行业的检测方法和标准、规程。

无论国内还是国际，氨制冷安全体系在近些年都取得了巨大技术进步，如氨低充注技术（氨/二氧化碳复合制冷系统本质上就是一种氨低充注技术）、氨定量供液制冷系统技术等；新建大型氨制冷系统基本全部实现自动化，部分还配备SIS系统；压力管道技术体系在氨制冷工程领域全面贯彻；新版《冷库设计标准》、新编《冷库施工及验收标准》即将颁布等。

虽然在技术方面取得巨大进步，氨制冷安全体系有了实质性提高，但是公众对于2013年两起事故的阴影仍旧挥之不去，许多地区还在“实质性禁氨”，甚至把符合安全要求的氨制冷系统强制改卤代烃，人为加重了行业的环保问题，积累了巨大的环保成本。

3 北京冬奥会推动国内绿色制冷

3.1 国内绿色制冷的现状

2019年国家发展和改革委等七部位联合发布的《绿色高效制冷行动方案》明确要求占我国全社会用电量15%以上的制冷行业实施绿色发展。

道理很清晰，法规很明确，但国内绿色制冷的现状却不容乐观。除前文所述的许多地区在“实质性禁氨”，甚至把符合安全要求的氨制冷系统强制改卤代烃，人为加重了行业的环保问题，还广泛存在大量使用高GWP值制冷剂，甚至在新建项目违规使用ODS物质。例如，当前制冷行业常用的R404A、R507A的GWP值近4000，其排放1kg的温室效应相当于4t二氧化碳，相当于一辆家用轿车行驶4万～5万km，而大中型制冷装置内的制冷剂往往以吨计，甚至几十吨。

除卤代烃制冷剂的环保问题，能效问题也比较严重。由于工况和工艺繁多、区域气候各异，制冷工程领域至今没有普及能效检测和评价，加上“绿色观念”的淡漠，市场的主流是只关注造价，忽视能效，即使制冷装置全寿命的能源费用往往是其造价的几倍、甚至十几倍。

上述问题已打击到了制冷行业的“绿色信心”，如果不解决势必成为可持续发展的障碍，严重影响2060碳中和目标的实现。

3.2 绿色办奥对人工制冷的要求

“绿色办奥”是北京冬奥会的办奥理念之一，不仅与2015年《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》提出的绿色发展理念一脉相承，更是奔向“三亿人参与冰雪运动”宏伟目标的前提。人工制冷是冬奥会、冰雪娱乐及冷链的物质条件，绿色办奥必须要求绿色制冷，绿色制冷的核心是不污染环境和高能效。不污染环境重点表现在制冷剂应为零ODP和低GWP，高能效指制冷系统的高制冷效率值（COP）和能源高综合利用率。

3.3 国家速滑馆破解跨临界二氧化碳制冷系统推广难题

国家速滑馆是北京冬奥会标志性场馆，冬奥会期间承担速度滑冰项目的比赛和训练。为落实可持续发展理念，国家速滑馆规划了亚洲最大的全冰面，冰面面积达1.2万m2，充分考虑赛后利用，为适应多种需求的群众性健身提供硬件支撑。国家速滑馆冰面采用分模块控制，将冰面划分为若干区域，根据不同项目分区域、分标准制冰，平时可接待市民同时开展冰球、速度滑冰、花样滑冰、冰壶等所有冰上运动。因此，对于国家速滑馆规划，传统制冷系统已不能满足需要，二氧化碳制冷系统成为唯一选择。

国家速滑馆采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷系统，并分段回收制冷废热，不仅成为全世界最大的采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷的冰面，也是全球首个采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷的冬奥速滑场馆。这项技术是目前在确保场馆绝对安全前提下最环保、最高效、最先进的制冰制冷技术，不仅能够为冬奥会比赛提供温度高度均衡的冰面，相比传统技术能效提升20%以上，通过场馆的智能能源管理系统，还能够把制冷产生的废热用于除湿、冰面维护、场馆生活热水等。全冰面模式下仅制冷部分每年可节电200多万kWh，整个制冷系统的碳排放趋近于零。

国家速滑馆于2021年1月完成首次制冰，2021年4月顺利完成首次测试活动，上述阶段性成果验证了工程方案的设想，即二氧化碳跨临界直接蒸发制冷不仅能为冬奥会比赛提供温度高度均衡的冰面（首次测试赛活动进行了冰温检测，共30个测温点，其中29个点的温差不超过0.5℃，只有1个点为0.7℃，与理论计算的0.26℃、工程估算的0.5℃基本吻合），而且能够大幅提高能效（首次制冰期间制冷系统能效比传统技术提高50%以上，首次测试活动期间制冷废热回收后可制取接近70℃的浇冰热水）。同时，还在全球制冷行业首次证实大型二氧化碳跨临界制冷系统无论在技术上还是在经济上均可行，是推进制冷行业可持续发展的重要技术方向。

国家速滑馆的制冷技术成为北京冬奥会工程的风向标，带动了其他几个场馆也选择了该项技术，助力北京冬奥会成为一届“最绿色”的奥运会。

3.4 国家雪享雪梧中心重塑公众对氨制冷安全体系信心

国家雪车雪撬中心位于延庆区赛区，北京冬奥会期间将承担雪车、钢架雪车、雪撬三个项目的全部比赛内容。赛道全长1975m，垂直落差超过121m，由16个角度、倾斜度都不同的弯道组成，最高设计时速134.4km，是世界第17条、亚洲第3条、国内首条雪军雪撬赛道。赛后还将承担中国国家队训练基地、国际雪军雪撬赛事、大众体验参观及运营配套。

与"超平"的室内冰场不同，雪车雪撬赛道设置在室外，赛道的特点是"坡和弯决定制冷系统的选择思路完全不同。卤代任制冷系统能够满足安全要求，却很难做到绿色，其直接蒸发式系统需要100多吨制冷剂，完全与《绿色高效制冷行动方案》背道而驰。如果采用盐水载冷，氢或卤代怪制冷剂用量都能减少90%以上，{旦赛道温度很难均衡，系统COp{直还要下降20%以上。如果采用二氧化碳制冷或载冷，安全与绿色都是最优选择，但是对于"坡和弯"的赛道，其需要的"二氧化碳曲面冷盘筐"从理论上讲没有问题，工程风险却很大，不仅专做雪军雪撬赛道设计的德国deyle公司没有把握，国内的研发在短时间内也很难做到。因此，氢直接蒸发制冷系统是合理选择，不仅环保高效，而且安全可控。

雪车雪撬赛道工程最终由德国deyle公司提供方案设计，国内设计院负责施工图设计，采用氢直接蒸发制冷系统，制冷系统蒸发温度-18"C，制冷量约6000kW，制冷剂忌、充注量约100t。为进一步提高能惊效率，在征得deyle公司认可的前提下，国内施工图设计时增设了庭热回收系统，通过氢热泵回收赛道氢制冷系统排出的废热，用于赛区约1万nf的室内采眶。上述设计虽然符合国内法规和技术规范、标准，但是系统内约100ti夜氢与大量非专业人员近距离接触的安全问题却不容忽视，为此工程上采用了一系列的安全技术措施。如，进行HAZOP(危险与可操作性分析)和]LOPA(保护层分析)分析，确定SIL(安全完整性等级)等级，据此设置SIS(安全仪表系统)系统;系统高、中压部分不保存氢液，氢液主要储存在低压气液分离器中，在气液分离器设备对外接口的雷道上设置气动切断装置，由空气压缩系统驱动，紧急情况下能够快速关闭，迅速将氢液封闭在该容器内;机房内设置氢液容纳池，作为应对重大泄漏事故的最后保障;系统内按压力梯度进行超压保护，在保证系统压力安全的前提下尽量避免氢直接排放等等。

雪车雪撬赛道工程是氢制冷安全理念与技术的一次国际合作。目前国家雪车雪撬中心已经完成场地认证，预计随着北京冬奥会的成功举办必将重塑公众对氢制冷安全体系的信J心。

4 绿色制冷是制冷行业可持续发展的必由之路

《蒙特利尔议定书》的《基加利修正案》是国际社会气候变化的共识。2060生在碳中和目标要求所有行业都减少温室气体排放，作为温室气体排放占比远超莫在国内生产总值占比的制冷行业会将成为关注的重点，绿色制冷才是制冷行业可持续发展的必由之路。