北京冬奧會速度滑冰的比賽開賽三天以來，在國家速滑館“冰絲帶”1.2萬平方米晶瑩剔透的冰面上，塵封多年的冬奧會紀錄屢屢被打破。

在二、三厘米厚的冰面下，埋了十餘層不同結構。防潮層、防凍層、滲透層……其中一層，是密布的制冰管，其中流動着液态二氧化碳。它們是這塊冰面下隐藏的“硬核新科技”。

這是人類冬奧曆史上第一次采用天然工質二氧化碳制冷技術替代傳統制冷劑氟利昂制造的冰面。北京大學工學院教授張信榮多年來一直研究與開發“跨臨界二氧化碳技術”，讓溫室氣體化身高效資源，在賽場上實現環保節能最大化。

參賽選手們不關心用什麼技術造冰，他們最關心的是自己的成績。而成績和冰面的硬度有關系。“冰軟會滑得慢一點，冰硬會滑得快。更重要的是冰面硬度的均勻度，有些地方硬、有些地方軟，就會影響滑冰的速度。”張信榮解釋稱，冰的硬度和溫度相關，冰面不同區域溫差越小，冰面的平整度和硬度越均勻，滑行速度就能越快，這有利于運動員創造出好成績。

經過研究與設計團隊的努力，國家速滑館“冰絲帶”這塊通過二氧化碳制冷制造的冰面溫差最終控制在0.5℃，低于奧組委提出的1.5℃标準，硬度均勻。

記者了解到，去年9月份舉行的國際測試賽上，6名運動員中，有5位在這塊冰面上創造了個人最好成績。“這跟冰的質量絕對相關。”可以說，這一次“打造了冬奧曆史上最快的一塊冰”。

國家速滑館這塊冰成功造出後，中國在跨臨界二氧化碳技術方面一下走到了最前列。“我們中國是負責任的大國，果斷決定采用二氧化碳替代氟利昂。借着這個機會，我們也掌握了一系列核心技術，将來對于我們實現‘彎道超車’非常重要。”張信榮說。

北大教授張信榮在國家速滑館指導二氧化碳制冰機組工作場景。受訪者供圖

二氧化碳和氟利昂的“鬥争”

一向“讓人頭疼”的溫室氣體二氧化碳，能否作為資源被加以利用？2003年底，張信榮成為國際上第一個提出利用二氧化碳跨臨界熱力學循環發電的研究者。但當時在世界範圍内，水蒸氣、氟利昂發電的主導地位難以撼動，他的創新性觀點并未得到認同。

時間拉到2015年7月，在得知北京申辦冬奧會成功後，張信榮首先想到冬奧會制冰問題。“已經是21世紀了，難道還要用氟利昂造冰嗎？我們不服氣，就想看看用二氧化碳能不能搞出來。”

記者了解到，過去曆屆冬奧會制冰都采用氟利昂和氨等傳統制冷劑制冷方式。氟利昂是一種人為合成的制冷劑，“使用一噸氟利昂就相當于3980多噸的二氧化碳排放，不但會破壞臭氧層，還會造成地球暖化。”而氨具有微毒、易燃易爆的特性，安全性難以控制。

二者都無法與二氧化碳相比。“二氧化碳作為一種天然工質，在自然界空氣中本身就存在，将其作為一種資源用于制冷，非常高效，制冰質量和環保性能也很好，又非常安全。”

張信榮憑借興趣，2015年9月一開學，就開始帶着學生搞設計，嘗試用二氧化碳搞冰場、造雪，結果效果都很不錯。但那時，能用二氧化碳技術為冬奧做貢獻還隻是張信榮的“美好願望”。

巧合出現在2016年9月。當時張信榮正在參加國外學術會議，突然接到了一個來自北京冬奧組委的電話，邀請他盡快回國參會讨論制冰造雪問題。

“北京2022年冬奧會用什麼方式制冰好？用什麼方式造雪好？”面對冬奧組委的發問，張信榮毫不猶豫地給出答案：用二氧化碳。

雖然選擇新技術必定伴随着風險和壓力，但張信榮心裡還是有把握的。2013年，他就做過一個大型的二氧化碳制冷系統實驗，這為後來的冬奧會造冰、造雪奠定了很好的基礎。“我們用跨臨界的方法造冰，還能實現全熱回收，這項技術沒有問題。”

然而，論證過程一波三折。選擇這項技術是一條全新的路，國内甚至世界範圍内都鮮有先例。新技術本身帶來的壓力和風險并不是全部，還有更為錯綜複雜的因素。“有人會問，既然大家都知道氟利昂不好，為什麼不早就用二氧化碳？氟利昂産業已經很大、很成熟，走出一個傳統産業、走向一個新興産業并不是很容易。”

據悉，中國政府、北京冬奧組委下了很大的決心，冬奧組委的同仁們随後用兩三年時間，進行了無數次論證，最終才通過這份方案。“在碳中和、碳達峰背景下，是非常好的選擇，我們國家努力在冬奧史上首次用二氧化碳替代氟利昂制冰，有非常重要的意義。”張信榮說。

挑戰“直冷”，能量回收同時實現制冷制熱

張信榮介紹，“跨臨界二氧化碳技術”是一個物理過程，其原理是通過液态二氧化碳蒸發吸熱制冰，再将吸收熱量的二氧化碳放到高溫高壓下冷凝釋放能量。

跨臨界二氧化碳技術制冷實驗室。受訪者提供

這次張信榮參與的冬奧團隊大膽地使用了國際上最前沿最先進的技術，就是“直冷”。張信榮解釋稱，“這次冬奧會是1.2萬平米的超大型冰面，面積越大，越難保證冰面溫度的均勻性。如果用過去使用防凍液間接制冷的話，防凍液本身鋪開後各個區域溫度不同，會導緻冰面硬度不均勻。”

而“直冷”的意思是不使用防凍液、直接用二氧化碳去制冰。張信榮指出，二氧化碳相變過程中溫度是不變的，效率非常高，也比較環保。

然而，前沿技術必然伴随未知風險。張信榮說，跨臨界二氧化碳壓縮過程目前還離不開潤滑油，潤滑油會一直随着二氧化碳在系統裡流動，特别是壓縮完之後，超臨界二氧化碳和油是完全互溶的，更加無法分辨。“油流到什麼地方去了？”

“這是不行的。一是油必須要能夠及時回到壓縮機，否則壓縮機就會失去動力沒法工作；更重要的是，一定不能讓油進到冰面下，否則油會堵塞管道，導緻無法制冰。這會是一個災難性的後果。”張信榮意識到，一定要在液态二氧化碳進到冰面下之前，把油全部分離出來。這是一項巨大的挑戰。

幸運的是，在此前多次實驗中，對于“回油”問題，張信榮已經有了解決思路。他向記者回憶起2013年那次印象深刻的大型實驗。“系統都建好了，但是運行的時候發現，潤滑油怎麼加也加不夠，因為油回不來，也不知道油去哪了。”

張信榮帶着團隊在現場找了一個多星期。最終，張信榮發現，大部分油都躲在了氣液分離罐中。當時，“我把閥門一打開，油全都噴出來了，噴得我全身是油。”張信榮解釋稱，二氧化碳氣液分離的時候，油的比重比較大，就沉在下面了。

有了這次經驗，問題解決向前邁進很大一步。張信榮帶着團隊改進了二氧化碳制冷系統設計，讓油能夠及時回到壓縮機，保持系統正常工作。

這項技術中的另一個關鍵詞是“跨臨界”。張信榮稱，“二氧化碳的飽和液體線和飽和氣體線交叉的臨界點是在31.1度，壓力是在7.38個兆帕，這時二氧化碳就會進入到跨臨界狀态。”

過去利用氟利昂制冷，吸收了很多能量，但它吸收的能量最終都散到環境裡去了，浪費掉了。而二氧化碳進到跨臨界狀态時，具有攜帶能量的特性，這樣就可以把制冰過程中吸收和釋放的能量都回收利用。

據悉，傳統場館的熱水、供暖、除濕、預熱、防凍等都是需要燒鍋爐的；而這屆冬奧會中國家速滑館完全不需要燒鍋爐，冰面下地基防凍、冰面平整和場館供暖等，完全靠回收的能量來實現。

“其實二氧化碳就是個搬運能量的載體，用二氧化碳把需要制冷區域的能量攜帶到需要制熱區域，這樣兩個區域的制冷、制熱就同時實現了。”張信榮稱。

張信榮團隊研究與開發的-80度制冷和80度制熱一體化二氧化碳機組。受訪者供圖

解決“卡脖子”問題，希望不止步于冬奧

“我們時刻面臨着兩條路的選擇，要麼就是走現在的老路，要麼就是走沒人走過的新路。”張信榮說。

就像這次冬奧會，我們可以用氟利昂，容易又不用承擔任何風險，但是不會有新興産業，也很難談得上為碳中和做貢獻。走二氧化碳這條新路，一定承擔相應的風險和壓力，但是除了碳中和、環保意義外，還可以帶來新興産業，本質是高質量的發展。

這條路走起來并不容易。現在大家提二氧化碳利用都覺得理所當然，認為用二氧化碳替代氟利昂是一件好事。實際上，20多年前，張信榮在國際上最早提出用二氧化碳來發電。“研究發現，用超臨界的二氧化碳去發電，效率可以大大提高。我們連圖紙都做出來了。”

但是，在20多年前提出這樣的創新性想法，在很多人眼裡簡直是“天方夜譚”。國際、國内很多人都對這一設想打個問号，質疑、否定接踵而至。

那時，張信榮還是個毛頭小夥子，他最早投稿發表的相關論文在國際上屢屢被拒了。“主編問得最多的就是為什麼要用二氧化碳，解釋有時也沒有用，别的論文都4個評審人，到我們這是8個、12個人來評審，提出一堆意見，我們把科學實驗數據拿出來也還是不行。”

“在科研領域，提出新的東西有時很難讓人接受。甚至有評審人會覺得你在挑戰他們的權威。”在很長一個時期内，張信榮經受着“坐冷闆凳”的孤獨。

慢慢地，随着國家發展，局面有了改觀。張信榮感受到，尤其從2012年以後，大家對環保問題越來越重視，随着後來“能源革命”、“雙碳”的提出，自己堅信的事也一步步得到更多認可。“進到十三五以後，煤炭清潔能源利用的重大專項有二氧化碳發電，核能發電的重大專項有二氧化碳發電，太陽能熱發電的重大專項也有二氧化碳發電……一下都上來了。”

在冰絲帶工作的張信榮。受訪者供圖

“這次冬奧會是一個非常好的推動科技創新的契機，但是我們希望絕不止步于此。”多年來，張信榮研究的如何把二氧化碳作為一種資源加以利用，終于迎來即将開花結果的時刻。特别在雙碳目标下，他希望，冬奧會成為一個起點，二氧化碳未來在各行各業的能源替代上都能發揮很好的作用。

其實冰雪産業還是小産業，二氧化碳用好了還可以去發電、去制冷、去做動力。在這項技術後續的轉化和運用上，張信榮團隊也在持續探索。譬如，新型動力，“未來汽車到加油站充的不是電，也不是氫，而是二氧化碳，這是很有可能的。”

另外，煤炭開采行業的能源替代，張信榮也已經有了探索。“現在煤礦越采越深，礦内越來越熱，而礦工下去工作熱得不到一小時就得跑上來；但是煤礦上面礦工洗澡、井口防凍、煤粉幹燥等等又需要很多熱量，還需要燒鍋爐來提供。針對這個狀況，我們設計了一套二氧化碳系統，能夠把礦底下的能量都帶到上面來，這樣，礦工下礦工作也涼快了，礦上面的鍋爐也可以被取代了，變害為寶，一舉兩得。”

“這其實是國外對我們‘卡脖子’的技術。”張信榮告訴記者，日本利用二氧化碳的産品在2006年就已經上市了，目前日本有上百萬家庭熱水器都是使用二氧化碳，但是，到現在都不對中國出口。

“如果我們中國人自己不去解決自己的問題，靠别人來解決，那一定是‘卡脖子’的，是‘天價’的。”張信榮說，這不僅僅是一塊冰的問題，還關系到國家的綜合國力和國際競争力。“最終還是要靠自己。”

新京報記者 馮琪 編輯 巫慧 缪晨霞 校對 賈甯

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