北京冬奥会：探索科技应用示范新模式的实践

文/刘荣霞 袁燕军 童爱香

北京2022年冬奥会是第一届从申办到筹办全面落实《奥林匹克2020议程》可持续性要求的奥运会。国际奥委会主席巴赫表示：“北京2022年冬奥会作为第一届完全受益于此项改革的奥运会，将树立新标杆。”科技部会同北京冬奥组委，北京市、河北省等部门，在“科技冬奥（2022）行动计划”中深入贯彻绿色办奥理念、全面落实《北京2022年冬奥会和冬残奥会可持续性计划》，在环境、能源、场馆、交通等方面部署了一批研发任务，集中突破了一批关键技术，转化了一批绿色低碳技术，积极探索科技应用示范的新模式，为冬奥举办城市和地区的可持续发展提供创新动力，促进了奥林匹克运动与城市和区域发展的良性互动。

顶层设计理念先行，全面支撑绿色办奥

2016年，科技部坚持理念先行，加强与北京冬奥组委、赛区业主单位等需求部门的对接，完善顶层设计，编制“科技冬奥”重点专项实施方案，从四个方面落实绿色办奥理念。

一是以清洁、可再生能源为基础，打造低碳供能示范区。围绕奥运专区能源系统建设，攻克清洁、可再生能源供能核心关键技术，开展一批示范项目，实现可再生能源发电量完全满足冬奥会举办所需能耗，实现低碳冬奥会。

二是以绿色、低碳技术为支撑，建成智慧的绿色出行奥运工程。围绕北京冬奥会“两地三赛区”的交通出行需求，推行“一张票”智能出行方案，建设京张高铁智慧化服务、氢能出行等交通示范性工程，有力支撑履行“全部使用清洁能源汽车”的申办承诺。

三是以生态文明、减排、可持续发展为目标，构建大型活动低碳场馆新样板。围绕奥运场馆、赛道和奥运村建设中生态文明和绿色低碳需求，强化技术研发和现有科技成果集成应用，同步实现有效控制场馆建筑温室气体排放、做好赛区生态环境保护、提升生态碳汇能力。

四是以科学、动态、可量化的低碳冬奥评价体系为核心，提升全社会碳管理能力。围绕低碳冬奥会指标体系与评价标准体系，研发大型赛事活动碳排放核算、动态评估和实时显示技术，有效提升冬奥会参与单位、组织和个人的碳管理能力。

科技赋能北京冬奥场馆实现100%绿电供应

建成了世界首条风光互补500千伏柔性直流电网工程，创新性地将张北地区的绿色清洁电能引入北京，满足北京冬奥会测试赛和正式比赛用电需要并提供可再生能源保障，冬奥会场馆的照明、运行和交通等用电需求由张家口的光伏发电和风力发电满足，使北京冬奥会成为奥运历史上第一个100%使用绿色清洁能源的冬奥会。该工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术，创造了“第一个真正具有网络特性的直流电网”“第一个实现风、光和储能多能互补的直流电网”等12项世界之最，为破解新能源大规模开发利用世界级难题提供了解决思路。该工程将大幅提升北京地区清洁能源消费比重，每年可向北京等地区输送清洁电量约225亿千瓦时，约占目前北京市全年社会用电量的1/10，折合标煤780万吨、减排二氧化碳2040万吨。

科技冬奥研制的清洁电力高可靠供应关键技术，实现了为冬奥赛区提供99.999%高可靠性供电。供电可靠率是衡量电网质量最“硬核”的标准，99.999%意味着平均每个电力用户全年的停电时间不超过5分钟。科技冬奥研发的冬奥配网智慧运维保障平台、二次设备状态智慧全景感知与智能运维系统等基于智慧全景感知的供电保障技术，覆盖了张家口崇礼冬奥核心区电网，为崇礼赛区供电的统一调配与应急保障提供有力支撑。目前，世界发达国家主要城市的供电可靠率为99.99%左右，仅东京、新加坡等少数城市达到或超过99.999%水平。在崇礼高寒、高海拔环境下，将供电可靠性从99.99%提升到99.999%，需要坚强可靠的电网网架、先进的配电自动化系统和完善的可靠性保障体系共同作用，科研攻关难度超过一般的城市。

创新支撑构建低碳交通服务体系

在京礼高速、京张高铁等赛时重点交通线路上，应用清能汽车、智能交通管理等技术，构建低碳交通服务体系，提升“两地三赛区”交通智慧化管理水平。

交通出行碳排放量占总排放的15%，是冬奥会碳中和技术的重要应用场景。北京冬奥组委制定了“北京赛区内，主要使用纯电动、天然气车辆；延庆和张家口赛区内，主要使用氢燃料车辆”的配置原则，节能与清洁能源车辆在小客车中占比100%，为历届冬奥会最高。围绕“氢能出行”任务，科技冬奥通过氢气“制、储、运、加、用”全链条关键技术攻关，突破了极寒环境、高原陡坡、快速暖机、长续航等一系列燃料电池客车及加氢站等关键技术和应用示范，研制的“100%国产、100%绿氢、100%零碳”氢燃料电池客车可实现高强度、高寒、高海拔陡坡等特殊服务场景下的低碳、安全运营。冬奥会期间212辆氢燃料电池客车投入使用，实现0.28升/千米·辆的节油效率，总节油量约9.6吨，总碳减排量约30吨，支撑冬奥绿色出行。

科技冬奥搭建的“交通资源管理系统”，实现了赛时交通服务车辆的实时监控、车辆调度、数据分析等功能，加快交通疏导速度，及时推送服务班车班次信息，提前做好行程规划，提高交通服务的精准度，进一步提高交通运输效率，降低能耗水平。

作为北京冬奥会的配套工程，京张高铁线路全长174公里，最高设计时速350公里，张家口至北京最快运行时间由之前的3小时7分钟压缩至47分钟。科技冬奥在“京张高铁智能化服务”项目设计和实施中，重点突出“智能”“绿色”元素。车站利用“智能大脑”系统，实时监控分散在车站各处的设备运行情况，同时根据车站客流变化，对照明、空调等设施按需调控，实现节能减耗。该动车组不仅可以抵抗零下40℃的严寒，列车搭建的高铁5G超高清演播室，以轻量化、移动化、全IP技术为特点，实现了长时间、高速移动下节目的稳定传输，是全球首次在350公里时速高铁列车上的超高清直播。

科技冬奥打造绿色低碳场馆示范

国家速滑馆采用二氧化碳绿色制冰技术，碳排放接近于零（国家速滑馆智慧场馆建设和应用关键技术研究与示范应用项目组 供图）

北京冬奥会优先利用现有场馆，通过智能技术、绿色和可重复利用材料进行改造升级，实现奥运场馆的夏冬快速转换和四季持续利用。

国家游泳中心搭建了可移动、可转换支持场地结构，应用装配式快速拆装技术和调平动态监测技术，“水立方”在保留水上功能基础上变身冬奥会冰壶和轮椅冰壶场馆，创新性实现“水冰转换”，成为世界上首个在泳池上架设冰壶赛道的奥运竞赛场馆，在科技的加持下，“水立方”变身“冰立方”。同时，场馆内依靠智慧控制系统，通过实时监测和控制温度、湿度、PM2.5浓度等方面的数据变化，实现场馆内“同室不同温”。

五棵松体育馆通过提前制冰，铺设符合国际标准的冰面，在冰面上铺设一层隔绝温度、湿度的“冰被”，即可6小时完成篮球比赛的场地布置。篮球赛结束之后6个小时，经“冰被”拆除、挡板设置等转换工作，即可变成一块标准的冰球比赛用地。

国家体育场基于数字孪生技术、5G、人工智能技术推动多源数据的融合，以鸟巢建筑本体为中心，分别建设建筑本体、毗邻区域、周边路网三个维度，将建筑的空间、数据分析、优化控制、智能决策等功能实时标定在孪生模型上，打造以数字孪生为统一可视化平台的智能建筑集成系统，实现对场馆的可感、可视、可控、可决策。

首都体育馆采用更加节能、清洁的二氧化碳制冰系统，照明系统全部更换为节能型高效光源及灯具，建立能源监控系统对场馆机电运行参数实行精细调节，降低场馆运维整体能耗。通过先进的制冷技术，快速改变冰面温度，使得在同一个场馆、同一块冰面上举办两项赛事成为可能。

一是制定绿色建筑标准，高质量建设低碳场馆。所有新建冰上场馆和非竞赛场馆按照国家绿色建筑三星标准建设，新建雪上场馆按照新制定的《绿色雪上运动场馆评价标准》执行。目前，国家跳台滑雪中心、国家越野滑雪中心、国家冬季两项中心、云顶滑雪公园4个竞赛场馆，均获得绿色雪上运动场馆三星级设计评价标识。在所有新建场馆建设能源管控中心，实时监测电、气、水、热力的消耗情况，提升场馆运行能耗和碳排放智能化管理水平。通过各项场馆建设的减排措施，建设期实现减排5.9万吨二氧化碳。

二是充分利用可再生资源，建设低能耗场馆。国家速滑馆屋面从建筑结构轻量化设计出发，采用国内最大跨度的单层双向正交马鞍形屋面索网结构，屋面重量仅有传统屋顶的1/4，极大地节约了材料；研发的复杂曲面玻璃幕墙平曲玻璃耦合方法，节省周围幕墙玻璃面积约4800平方米，相当于减排320吨二氧化碳，节约用电106470千瓦时，相当于减排106吨二氧化碳。张家口冬奥村采用了钢结构预制拼装技术，在实现同等功能的前提下，有效节约了建筑材料；冬奥村还运用大数据对场地运营阶段的环境、生态、能源消耗等进行精细化管理，有效降低了碳排放。

三是打造海绵赛区，实现水资源循环利用。张家口赛区竞赛场馆全部设计建造了雨水、地表水、融雪水收集系统，共建设53万立方米的蓄水池，实现了夏季绿化灌溉、冬季造雪的双利用模式，降低了跨区域调水需求。同时采用节水环保型造雪设备，节水量达到20%。

国家速滑馆、五棵松冰上训练中心、首都体育馆主馆及短道速滑训练馆、五棵松冰球训练馆都采用了二氧化碳跨临界直接制冷技术，碳排放量接近于零。以国家速滑馆为例，研发速滑馆大规模二氧化碳跨临界制冰技术，建成全世界最大12000平方米的二氧化碳跨临界直接蒸发制冷冰面，制冰部分碳排放趋于零，不仅能够为冬奥比赛提供温度高度均衡的冰面，而且相比传统技术能效提升20%以上；研制的冷凝热回收系统实现回收率高达86%，估计年节约180万千瓦时电，减排约1795吨二氧化碳。

北京冬奥会的重点场馆设施建设坚持生态优先，实施生态环境保护措施，创新设计，最大限度降低对赛区周边生态系统的扰动。云顶滑雪公园充分考虑原有山形地貌特点，U形槽、坡面障碍技巧、平行大回转、障碍追逐赛道为原有雪道改建，在改建过程中，基本实现土石方挖填平衡，不仅减少了对原有地形地貌的改变，也减少了土方量。国家跳台滑雪中心采用局部山体切削面精细爆破成型优化技术、局部山体切削面生态再造格宾支护技术，使岩体利用率高达95%，对切削后的碎石和土壤进行筛选，组合填充到格宾网箱中，形成支护体系，再种植合适的植被，不仅解决爆破石方量大、施工环境复杂、工期紧的难题，还实现了在崇礼严寒条件下节省工期1/3和生态保护的目标。国家高山滑雪中心吸收民间“干栏式”建筑特点，将钢结构以点状支撑方式在山体建设架空平台，不仅体现“环境弱介入”特点，还提高了工程效率和质量。

新技术的应用和支撑，为北京冬奥会践行绿色办奥理念打下坚实基础。作为北京冬奥组委办公区和滑雪大跳台场馆所在地，首钢老工业区从荒废的工业区实现更新改造。张家口市加速推进基础设施建设，发展冰雪旅游等相关产业，大幅改善了欠发达地区的落后面貌，60.21万建档立卡贫困人口脱贫。延庆区以提升生态环境质量为主要措施，改善交通基础设施，推动绿色产业集聚，形成区域经济持续发展的持续动力。

北京2022年冬奥会不仅是一届简约、安全、精彩的奥运盛会，也将在冬奥的牵引下，促进区域经济社会可持续发展。在科技冬奥成果的示范带动下，实现奥运创新与产业发展有机结合，借助冬奥会品牌效应，促进产业转型升级。随着北京冬奥会冰雪理念的普及，冰雪运动发展政策环境将不断优化，各类群众性冰雪活动广泛开展，场地设施将逐步完善，冰雪运动竞技水平稳步提升，对中国冰雪体育运动和冰雪产业发展带来重要机遇。延庆区和张家口市两地，也将结合场馆的赛后可持续利用，依托配套基础设施等区域资源，形成新的经济增长点，促进人才、资本和技术等生产要素在京张两地之间流动，助力京津冀协同发展。

氢燃料电池汽车应用情况（“氢能出行”关键技术研发与应用示范项目组 供图）