“北京2022年冬奥会用什么方式制冰好？用什么方式造雪好？”面对冬奥组委的发问 ， 张信荣毫不犹豫地给出答案：用二氧化碳 。
虽然选择新技术必定伴随着风险和压力 ， 但张信荣心里还是有把握的 。 2013年 ， 他就做过一个大型的二氧化碳制冷系统实验 ， 这为后来的冬奥会造冰、造雪奠定了很好的基础 。 “我们用跨临界的方法造冰 ， 还能实现全热回收 ， 这项技术没有问题 。 ”
然而 ， 论证过程一波三折 。 选择这项技术是一条全新的路 ， 国内甚至世界范围内都鲜有先例 。 新技术本身带来的压力和风险并不是全部 ， 还有更为错综复杂的因素 。 “有人会问 ， 既然大家都知道氟利昂不好 ， 为什么不早就用二氧化碳？氟利昂产业已经很大、很成熟 ， 走出一个传统产业、走向一个新兴产业并不是很容易 。 ”
据悉 ， 中国政府、北京冬奥组委下了很大的决心 ， 冬奥组委的同仁们随后用两三年时间 ， 进行了无数次论证 ， 最终才通过这份方案 。 “在碳中和、碳达峰背景下 ， 是非常好的选择 ， 我们国家努力在冬奥史上首次用二氧化碳替代氟利昂制冰 ， 有非常重要的意义 。 ”张信荣说 。
挑战“直冷” ， 能量回收同时实现制冷制热
张信荣介绍 ， “跨临界二氧化碳技术”是一个物理过程 ， 其原理是通过液态二氧化碳蒸发吸热制冰 ， 再将吸收热量的二氧化碳放到高温高压下冷凝释放能量 。
跨临界二氧化碳技术制冷实验室 。 受访者提供
这次张信荣参与的冬奥团队大胆地使用了国际上最前沿最先进的技术 ， 就是“直冷” 。 张信荣解释称 ， “这次冬奥会是1.2万平米的超大型冰面 ， 面积越大 ， 越难保证冰面温度的均匀性 。 如果用过去使用防冻液间接制冷的话 ， 防冻液本身铺开后各个区域温度不同 ， 会导致冰面硬度不均匀 。 ”
而“直冷”的意思是不使用防冻液、直接用二氧化碳去制冰 。 张信荣指出 ， 二氧化碳相变过程中温度是不变的 ， 效率非常高 ， 也比较环保 。
然而 ， 前沿技术必然伴随未知风险 。 张信荣说 ， 跨临界二氧化碳压缩过程目前还离不开润滑油 ， 润滑油会一直随着二氧化碳在系统里流动 ， 特别是压缩完之后 ， 超临界二氧化碳和油是完全互溶的 ， 更加无法分辨 。 “油流到什么地方去了？”
【打造冬奥史上“最快的冰”，北大教授张信荣谈冰下“硬核新科技”】“这是不行的 。 一是油必须要能够及时回到压缩机 ， 否则压缩机就会失去动力没法工作；更重要的是 ， 一定不能让油进到冰面下 ， 否则油会堵塞管道 ， 导致无法制冰 。 这会是一个灾难性的后果 。 ”张信荣意识到 ， 一定要在液态二氧化碳进到冰面下之前 ， 把油全部分离出来 。 这是一项巨大的挑战 。
幸运的是 ， 在此前多次实验中 ， 对于“回油”问题 ， 张信荣已经有了解决思路 。 他向采访人员回忆起2013年那次印象深刻的大型实验 。 “系统都建好了 ， 但是运行的时候发现 ， 润滑油怎么加也加不够 ， 因为油回不来 ， 也不知道油去哪了 。 ”
张信荣带着团队在现场找了一个多星期 。 最终 ， 张信荣发现 ， 大部分油都躲在了气液分离罐中 。 当时 ， “我把阀门一打开 ， 油全都喷出来了 ， 喷得我全身是油 。 ”张信荣解释称 ， 二氧化碳气液分离的时候 ， 油的比重比较大 ， 就沉在下面了 。
有了这次经验 ， 问题解决向前迈进很大一步 。 张信荣带着团队改进了二氧化碳制冷系统设计 ， 让油能够及时回到压缩机 ， 保持系统正常工作 。