绿色冬奥科技创新综述

林波荣，孙弘历

1 综述背景及意义

我国当今正处于从体育大国向体育强国迈进的重要历史时刻，2022冬奥会的举办给了我们认真思考和推动解决体育强国建设中的重大理论、政策和实践问题的契机，加速我国迈向体育强国的步伐。其中“科技冬奥”可以促进体育科技进步，统一推进科学技术的研发与转化，从而为我国走向体育强国提供坚实的基础。

首次举办冬奥会，我国面临冰雪场馆建设经验不足、关键技术和材料装备的空缺、冰雪赛道如何设计等诸多问题，同时，冰雪运动场馆设计建造中的很多关键技术都被国外企业垄断，再加上新冠肺炎疫情来袭，多重因素下的压力使得科技对于此次冬奥会的意义更为凸显，只有克服一项项冬奥会中存在的科研难题，才能给世界一展华夏的冬奥精彩篇章。

本文将从以下6个方面详细分析基于科技奥运主题下的部分绿色奥运可持续建设工作方面的成效，分别为：

（1）场馆利用：注重2008奥运会现有场馆的利用，实现场馆的可持续利用；

（2）场馆规划设计：重视生态环境保护，进行高性能冬奥场馆设计，实现赛区可持续发展；

（3）绿色场馆建设：新建场馆完成绿色建筑认证工作；

（4）标准创新：创新制定了《绿色雪上运动场馆评价标准》，破解冬奥场馆建设标准难题；

（5）绿色电网应用：实现赛时绿色电能赛区全覆盖；

（6） 新型环保制冷系统应用：创新应用CO2制冷系统于冬奥会部分场馆。

通过科技奥运场馆的建设，我们取得了多项关键技术世界首创，实现技术和材料装备的国产化，填补了相关技术空白。“体育+科技”的模式也为整个体育行业的创新和发展提供了更加可靠的技术支撑，同时也为体育产业与其他产业的融合提供较强的便利性。未来随着我国体育产业精细化管理的发展和科技的不断成熟，体育与科技的结合程度会越来越紧密，可以预见本次绿色冬奥带来的经验启示，将会对我国经济社会价值产生更加深远的影响。

2 冬奥场馆可持续利用

因地制宜是绿色建筑建设的基本原则，也是落实绿色冬奥发展的关键。在场馆的利用方面，北京冬奥会注重现有场馆的利用，树立奥运遗产可持续的典范。北京作为“双奥之城”，夏奥遗产非常丰富，尤其是在场馆和基础设施建设方面，拥有众多的奥运场馆和高效的基础设施。北京2022年冬奥会最大程度利用好了2008年夏奥会的众多奥运遗产。冬奥会北京赛区共有29个竞赛和非竞赛场馆，其中17个为2008夏奥会遗产，这些2008年奥运场馆中的竞赛和训练场馆，经冬奥会既有场馆再改造后，功能得到了更加充分的拓展（表1）。

表1 “双奥之城”场馆再利用案例

在场馆改造中，国家游泳中心“水立方”通过架空结构的转换成为世界首个“冰水转换”的场馆。首先在系统底部架设保温层、盘管层（混凝土等），进一步制底冰完成冰面，通过喷冰漆与修整平面，最后铺上地毯后完成冰面，将原有游泳池区域变成冰壶场地，达到国际冬奥会冰壶场地设计标准。

此外，国家体育馆将原有玻璃幕墙改造成为仿冰玻璃砖，充分引入天然采光，减少照明能耗（图1）。五棵松体育中心采用“冰被”的转换方式，可实现6小时冰场和篮球场的快速转换，达到国际一流水平（图2）。这些例子完美体现和诠释了2022北京冬奥会在资源节约和遗产可持续利用方面的理念。

图1 国家体育馆仿冰玻璃砖，引自参考文献[7]

图2 五棵松体育馆篮球场改造，引自参考文献[8]

3 可持续冬奥场馆设计方法

针对新建场馆与赛区，可持续场馆规划设计、重视生态环境保护是实现冬奥场馆与赛区的可持续发展的重要路径。在延庆赛区的规划设计中，秉承“山林场馆、生态奥运”的核心设计理念，高度重视资源节约、环保节能和可持续利用等工作。在滑雪季的设计中，以打造国际顶级雪上赛道和训练基地、承担FIS世界高山滑雪竞标赛、世界杯以及IBSF/FLI世锦赛等国际重大赛事为目标，充分利用山林场馆地势特征，在不影响场地原有生态的基础上，配备约75hm2雪道面积、11条缆车线路。同时兼顾非赛季的滑雪资源利用，设计了山顶餐厅、训练基地、滑雪学校等，配备约2000个酒店床位，供大众滑雪、旅游参观、冰雪艺术节开展等，充分延伸山林场馆建设的价值。此外，延庆赛区的设计兼顾了非滑雪季的资源利用，充分体现“生态冬奥”的内涵，包括度假、休闲娱乐、商业、会议等多种模式，实现赛区场馆可持续发展的最大化。

此外，一些高性能设计手段也应用在了冬奥场馆的设计中，以实现赛区资源节约、环保节能和可持续利用。一些赛区场馆在进行规划与建筑设计时采用三维空间信息模型和BIM等设计技术深入解析场地地形地貌[1]，优化场馆和市政设施设计，降低土方开挖量，减少渣土外运，同时充分考虑低能耗建筑与绿色认证，在设计初期将理念图形成整体模型，结合能耗分析与技术优化，确保落实绿色建筑各项技术措施；利用山地地形安全监测与泛场景建模技术，对山地设施建设进行重点景观生态修复设计。在“雪游龙”专业级雪车雪橇场馆的设计建设中，开创性提出了“地形气候保护系统”（TWPS）的设计理念[2]，强调了地形条件对低角度太阳辐射的遮蔽作用，通过在赛道周边设置可供使用的构筑物、堆填人工地形，结合赛道的屋顶遮阳、构件遮阳、赛道自身遮阳等条件，尽可能阻挡太阳辐射，形成了世界上唯一设置在南坡的雪车雪橇赛场（图3）。

图3 高性能场馆及赛区设计手段，引自参考文献[9]

4 绿色冬奥场馆建设

在建设过程中，全阶段、全方位展开生态保护与修复。建设初期，因地制宜、综合考虑建设环境特点与可持续发展，规划设计合理的建设方案与路径；建设中有效利用废固资源，保障建设过程中的绿色、可持续最大化。以延庆赛区的建设为例[3]，虽然延庆赛区海拔高、作业面广、地势陡峭、气候寒冷，施工难度极大，可利用施工周期短，但是在建设初期，首先制定与环境相协调的可持续建设方案，充分考虑建设过程中的动植物全方位保护措施。建设中，采取全范围表土剥离；采用就地保护小区、近地保护小区、迁地保护基地对植物进行全方位保护（图4）；有效利用固废资源，采取填方雪道，尽量消耗土石方，废弃山石全部在赛区利用，废弃树木最大化在赛区利用；坚持做好生物入侵检查、监测、预警和控制等工作；抓住植被修复有利时机，同步做好生态修复工程，如期实现边建设边修复的预定目标。建成后的延庆赛区是“国际顶级的滑雪竞技中心，服务大众的冰雪休闲度假胜地”，成为京张体育文化旅游带的重要目的地，更是北京2022冬奥会最重要的遗产之一。

图4 动植物全方位保护，引自参考文献[9]

此外，在场馆建设中，按照冬奥会可持续性工作的相关要求，原则上北京赛区、延庆赛区和张家口赛区内的新建场馆应完成绿建认证工作，其中新建场馆达到绿建三星标准或IOC认可的标准，鼓励改造场馆达到绿建二星标准。典型高性能绿色场馆简介如下：

（1）国家速滑馆——三星级绿色建筑：创新使用了low-E玻璃曲面幕墙、低反射节能顶棚与铝单元屋面，集结构、遮阳、照明和建筑效果一体化（图5）。

图5 国家速滑馆绿色策略，引自参考文献[12]

（2）五棵松冰上运动中心作为国际上最大超低能耗体育馆，2018年入选了第一批评北京市超低能耗绿色建筑示范项目。该场馆采用了大量创新的特殊节点设计，包括直立锁边屋面保温和气密性设计，清水混凝土建筑保温节点设计，非透明玻璃幕墙保温设计，包括利用30mm厚超薄真空绝热保温板（STP）包裹与外墙结构相连的楼板和隔墙，以减少冷热桥的影响（图6）；同时对非透明玻璃幕墙内衬150mm厚的岩棉（导热系数≤0.04W/m·K），一方面降低窗墙比，一方面提高保温效果。此外，五棵松冰上运动中心首次大面积采用传热系数低于1.0的高性能玻璃幕墙。在机电系统节能减碳方面，在冰场采用溶液除湿机组，代替传统的电热转轮除湿；对冰场区域进行再保温设计，平衡保温和结露风险；采用磁悬浮冷水机组、大风量全热回收空调机组；冰场区域采用满足高清转播需求的LED照明设计。由于采用了高性能的围护结构和机电设备，使得供暖空调照明系统能效显著降低，有效地减少了水、电等资源的消耗以及CO2等排放，经运行检测，综合余热综合利用、高效冰场除湿系统等先进技术/系统，节能率高达67%，年节约标煤1145t，折合CO2减排量可达2927t。2022年4月28日，北京市住房和城乡建设委员会、北京市规划和自然资源委员会、北京市财政局、海淀区住房和城乡建设委员会以及专家组对其进行验收。通过审阅资料、听取汇报、现场查看，并经质询、讨论后，一致同意该项目通过北京市超低能耗建筑示范项目验收。

图6 五棵松冰上运动中心超低能耗绿色技术策略

5 冬奥场馆建设标准创新

除了传统规划建设的可持续性创新，清华大学还与其他科研院所一起，创新性主编制定了《绿色雪上运动场馆评价标准》[4]，一方面这是我国首部绿色雪上运动场馆评价标准，填补了国内相关标准的空白；另一方面也是京津冀协调发展的一个实践示例；同时，该标准也是一项重要的北京冬奥会在规划建设领域中的奥运遗产，将在绿色标准方面对我国今后雪上场馆建设具有先进的指导意义和指向作用。该标准主要适用于新建、改建、扩建雪上运动场馆绿色设计、施工与运行的评价，旨在实现在雪上运动场馆在其全寿命期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供适用、高效、健康的雪上运动空间及设施。

图8 国家雪车雪橇中心

图9 国家越野滑雪中心

图10 国家冬季两项中心

图11 首钢滑雪大跳台

图12 国家跳台滑雪中心

《绿色雪上运动场馆评价标准》在实际应用中成果显著：2020年支撑完成了延庆赛区国家高山滑雪中心、国家雪车雪橇中心、首钢大跳台、高山越野和冬季两项等6个新建雪上场馆通过《绿色雪上运动场馆评价标准》，达到三星绿色雪上运动场馆标识认证（图7-12）；实现了绿色雪上运动场馆在奥运历史上首次赛时所有场馆100%绿色电力供应；坚持“生态优先”，成功修复了赛区185 万m2的建设用地。

图7 国家高山滑雪中心

6 绿色电网应用

依托张北柔性直流输电示范工程，北京冬奥会实现了赛时赛区城市绿色电网全覆盖，这在奥运历史上尚属首次[5]。张北±500KV柔性直流输电示范工程是世界首个柔性直流电网工程，也是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流电网工程，是国家电网服务能源清洁低碳发展的重大工程（图13）。这是世界首个输送大规模风电、光伏、抽水蓄能等多种能源的四端柔性直流电网。作为集大规模可再生能源的友好接入、多种形态能源互补和灵活消纳、直流电网构建等为一体的重大科技试验示范项目，该工程不仅具备重大创新引领和示范意义，对于推动能源转型与绿色发展、服务绿色办奥、引领科技创新等具有显著的综合效益和战略意义。

图13 张北±500KV柔性直流电网工程

张北±500KV柔性直流输电示范工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术，攻克了组网技术空白、输电能力受限、运行可靠性低三大世界性难题。该工程额定电压±500KV，额定输电能力4，500，000KW，输电线路长度666km，分别在康保县、张北县、丰宁满族自治县和北京市各建设一座±500千伏送端柔性直流换流站。该工程可提供绿色电能的总量达到141亿KWh，相当于北京市年用电量的1/10，能够保证2022年北京冬奥会期间所有冬奥会场馆实现100%绿电供应。该工程为冀北地区构建高比例大规模新能源安全智能外送、建立跨区域绿电交易机制提供了新路径，可高质量服务于低碳奥运。冬奥场馆使用绿色电力，是落实绿色办奥理念、兑现申办承诺的具体举措，也是响应《奥林匹克2020议程》及《新规范》可持续要求的积极行动，对于推动我国清洁能源产业发展、服务生态文明建设，具有重要的促进作用。

7 新型环保制冷系统

北京冬奥会场馆在建设中，一直非常注重绿色环保和可持续利用。如针对冰上比赛场馆制冰需要使用制冷剂，考虑到原有制冷剂含有大量氟利昂，对大气环境造成不利影响。为减少北京冬奥会的总体碳排放量，部分冬奥会场馆创新使用了CO2制冷系统[6]，这也是CO2制冷系统首次在冬奥会上使用。

北京冬奥会在大型冰上场馆中使用的是CO2跨临界直接制冷系统。CO2制冷剂破坏臭氧层潜能值（ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）仅为1，使用相同数量的传统制冷剂的碳排放量是CO2制冷剂的3985倍。CO2制冷产生的余热回收后，可以提供70℃热水用于生活热水和除湿再生等用途。相比传统制冷方式，国家速滑馆“冰丝带”采用CO2制冰能效提升30%、一年可节省约200万度电。此外，传统冰场通常会采用间接制冷的方式（例如使用氟利昂制冷剂、乙二醇载冷剂），而由于载冷剂常常不在固定温度放热，因而这样的冰场冰温温差一般都高达1.5～2℃。相比之下，“冰丝带”采用CO2直冷制冰系统，不仅系统换热效率更高，而且冰温均匀，其冰面温差基本可以控制在0.5℃以内，有助于为顶级赛事打造“最快的冰”。

北京2022年冬奥会新建、改建了7座冰上场馆共9块冰面。应用场馆包括北京冬奥会速度滑冰、花样滑冰、短道速滑比赛场地，以及短道速滑和冰球训练场地（图14）。这些场馆均使用了环保型制冷系统和制冷剂，其中5块冰面使用了CO2（R744）跨临界直接制冷系统，4块冰面使用了R449A制冷剂。其他新型绿色系统如氨制冷系统也成功应用在了国家雪车雪橇中心，不仅如此，该系统还设置了废热回收系统，赛道运营时将通过氨热泵回收冷凝热，该热量可用于赛区内约10，000m2的室内供暖。

图14 CO2制冷技术可满足不同冰面温度需求，引自参考文献[11]

相较于传统制冷剂选择，R449A可替代现阶段全球范围内普遍使用的R507。R449A的GWP值为1282，较R507降低了68%。绿色环保制冷剂的选择，为世界做出了环保和可持续性的示范，使北京冬奥会成为冬奥会历史上冰上场馆制冷剂GWP值最低的一届冬奥会。

8 总结

从申办冬奥成功伊始，“科技冬奥”就成为冬奥筹办工作的关键词之一。冬奥会作为展示国家形象与创新实力的重要载体，“科技冬奥”肩负着重要的历史使命。由于我国在历史上开展冰雪运动面临很多不利因素，因而冰雪运动的基础相对薄弱，备战经验也较为缺乏，进一步地相关赛区、场馆与平台建设存在一定空白。虽然冰雪运动场馆设计建造与运维中的很多关键技术被国外一些大企业垄断，但是在“科技冬奥”重点研发专项支持下，经过大量相关工作者的不懈努力，调集全国优势力量克服冬奥场馆建设中的共性技术难点，中国完成了大量不同类型雪上场馆、赛区建设的从零到一，相关技术跻身世界前列，并培养了一批冰雪建筑从业人员。不仅如此，绿色冬奥的科技创新价值还体现在“应用”和“带动”效应上，成为助推我国高新技术产业化发展的重要契机。