北京冬奧組委曾經(jīng)承諾過，要在2022年北京冬奧會上實現(xiàn)碳中和，而在所有的碳排放源當中，場館的建設和運行所產(chǎn)生的溫室氣體的排放量占到了整個碳排量的超過三分之一。也就是說給場館減碳是顯得尤為重要的，那到底要怎么減，有什么樣的手段和措施，效果又如何呢？
“冰絲帶”：一種新制冰技術(shù)的冬奧首秀
國家速滑館是北京冬奧會唯一新建的冰上競賽場館，從開始建設到正式比賽，這塊近12000平方米的超大冰面一直是外界矚目的焦點，因為在百年冬奧的歷史上，它第一次使用了二氧化碳作為制冷劑。
國家速滑館運行團隊主任 武曉南：所有的體育場館它都存在一個很核心的建設目標，就是它的體育工藝。體育工藝就是你要所建設的場館和場地要滿足你所承擔的比賽項目的需要。那么冰場、速滑館，毋庸置疑就是我們的冰面如何來制冰。
與早期依靠大自然制冷的戶外冰場不同，如今冬奧會所有冰上項目均在室內(nèi)舉行。室內(nèi)冰場采用人工制冰的方式，可以更嚴格地控制冰面溫度、濕度，為運動員創(chuàng)造公平比賽的條件和挑戰(zhàn)極限的基礎。
國家速滑館制冰系統(tǒng)設計總負責人 馬進：現(xiàn)在好多家庭采暖用的是叫“地熱采暖”，這個就反過來了，叫“地冷制冰”，就是說在這個地板下它里面放了很多制冷管道，通過制冷劑在里邊流動，它把地板的溫度降下來。
制冷劑在“地冷制冰”過程中扮演著不可或缺的角色。用什么樣的制冷劑、以何種方式制冰，這是建設國家速滑館必須要決定的核心問題。
作為冬奧會冰上場館最常用的制冷劑，采用氟利昂制冰無疑技術(shù)路線最為成熟可靠，但決策者也深知它的弊端，傳統(tǒng)氟利昂會對人類賴以生存的臭氧層造成破壞。
在一百多年的制冷工業(yè)發(fā)展中，人類始終難以找到完美的制冷劑，總是要面對制冷效率、安全、環(huán)保之間的矛盾。就在速滑館考慮制冷劑的選擇時，來自學者的建議讓他們有了新的方向。
根據(jù)北大教授張信榮的研究，相對于氟利昂，二氧化碳制冷更綠色環(huán)保，在制冷效率、制冷均勻性、熱量回收等方面也都更有優(yōu)勢。但是在2016年他提議使用二氧化碳制冰時，國內(nèi)還沒有二氧化碳制冰的冰場。
北京大學工學院教授 張信榮：我覺得大家可能心里都會打個問號 ，也都會問，你看你這個是不是就是在理論上在紙上做了一些演算。不是能夠真刀真槍地在這么重大的場合下能夠?qū)崿F(xiàn)的。
由于技術(shù)要求高、控制難度大等原因，國內(nèi)應用二氧化碳制冰更多停留在理論和實驗層面。而在世界范圍內(nèi)，即便是最早探索二氧化碳制冰的北歐國家，也是近年來才在相對較小的1800平方米的標準冰場上使用這項技術(shù)。
到底使用氟利昂還是二氧化碳？從2016年下半年到2019年初，兩年多的時間里，北京冬奧組委和國家速滑館進行了專業(yè)而漫長的調(diào)研論證工作。
2019年，在經(jīng)過多次專家論證會，綜合考慮各種因素后，國家速滑館最終選擇了二氧化碳制冷劑，決定采用跨臨界二氧化碳直冷制冰技術(shù)，這被認為是世界上最環(huán)保和最先進的制冰技術(shù)。
國家速滑館運行團隊主任 武曉南：二氧化碳制冰還是一個大家都認可的，非常理性的判斷下的，我們既能通過我們的努力去踮踮腳、摸摸高能夠達到的一個目標，同時又是對賽后、包括賽時，都有很大的綠色環(huán)保、冰面質(zhì)量和賽后長期可持續(xù)，有益的、最有益的這么一個選擇。
相比于其他制冷劑，跨臨界二氧化碳能夠最大程度上將熱進行回收，因此可以實現(xiàn)冰場制冷與制熱的一體化，從場館運營角度看，這對于降低國家速滑館的能耗具有重要作用。
二氧化碳本身也是溫室氣體，但用作制冷劑的二氧化碳，是從工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣中回收而來，它們原本直接排到大氣中。使用二氧化碳制冷，不僅避免了氟利昂制冷產(chǎn)生的“強溫室氣體”，而且將二氧化碳作為資源利用，這對于“碳中和”來說也具有一定的意義。
二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)在國家速滑館的成功應用，其意義不僅是在一屆冬奧會，而是推動冰雪運動和制冰產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展的關鍵。
冰菱花：一座超低能耗建筑的誕生
2021年12月30日，五棵松冰上運動中心正在進行氣密性檢測，這座建筑的外圍結(jié)構(gòu)可以“密不透風”到何種程度，是測量它作為超低能耗建筑的重要指標。
清華同衡規(guī)劃設計院綠建所所長 肖偉：超低能耗建筑，第一個方面就是通過建筑的墻體、通過幕墻，這個熱量就散失到室外了，那么這個時候我們就需要去提高它的保溫的效果。那么第二方面很大的熱量散失，像我們這些門啊，建筑的我們看不到的一些縫隙啊，冬天把熱空氣、夏天把冷空氣傳到室外去了，這就浪費了能量，所以我們第二個角度去做好建筑氣密性的這樣一個特點。
超低能耗建筑最早源于德國“被動房”的概念，它要求最大程度降低建筑供暖供冷需求，以更少的能源消耗提供舒適的環(huán)境。作為冬奧會冰球訓練館，“冰菱花”為什么要追求這樣的建筑標準呢？
“冰菱花”的地下一層南北兩側(cè)各有一塊標準冰場，冬奧會期間是運動員的訓練場地，但未來作為冬奧遺產(chǎn)，它們將在賽后常年運營。冬奧會后場館怎樣可持續(xù)利用是必須要考慮的問題。
2018年初，場館業(yè)主決定，在這座正在建設的冬奧項目中引入超低能耗建設方案。按照北京市現(xiàn)行規(guī)定，超低能耗公共建筑的節(jié)能率需要比普通公共建筑降低60%。
五棵松場館業(yè)主代表 趙燕：它首先節(jié)能減排，如果做成了，每年它能減少二氧化碳排放。它的能耗降低了，我們的運營成本也在降低，第二個，你用了一個新的技術(shù)，你通過這一次你去學習了，今后的話用到你的其它方面，做民用建筑的時候，你相對就容易了。
此前國內(nèi)超低能耗的實踐多用在混凝土結(jié)構(gòu)的住宅，像“冰菱花”這樣的大型公共建筑，想要實現(xiàn)超低能耗的指標，面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。比如，大面積的玻璃幕墻怎樣更好地保溫隔熱。
清華同衡規(guī)劃設計院綠建所所長 肖偉：對于我們這個體育建筑而言，我們不可能像住宅全部都是采用實心墻體，因為我們整個要打造一個比較通透的空間，我們這個項目就必須要采用這種玻璃幕墻，我們整個項目的玻璃幕墻超過了一萬平方米，這一萬平方米就是我們這個房子損失熱量非常重要的一個途徑。
五棵松冰上運動中心采取了房中房的設計，由于內(nèi)外溫差不同，冰場與其他區(qū)域之間的這層玻璃幕墻對于超低能耗要求的保溫隔熱都至關重要。
這種三玻兩腔充氬氣的玻璃系統(tǒng)在“冰菱花”得到大面積使用，根據(jù)測算，玻璃幕墻的傳熱系數(shù)低至常規(guī)玻璃的三分之一。最終，設計團隊通過多種技術(shù)手段，進一步降低建筑能耗水平，讓“冰菱花”滿足了超低能耗的建設標準。
水立方：一座傳奇場館的綠色改造
水立方，2008年北京奧運會的標志性建筑，2022年這里將是冬奧會冰壺的比賽場館。不新建建筑，直接改造已有場館，這意味著資源消耗的減少和建設成本的節(jié)約。
國家游泳中心“水立方”總經(jīng)理 楊奇勇：如果我們沒有這么做而去再建一個空間，這個代價差異是以億元計算。這個成本省掉了，實際上碳排放、垃圾處理都跟著下來了
冰壺是冬奧會場次最多、轉(zhuǎn)播時間最長的項目。世界冰壺聯(lián)合會希望，冬奧會冰壺比賽在水立方這座傳奇建筑中進行可以更好地展現(xiàn)冰壺比賽的魅力，促進冰壺運動的普及，而水立方也希望，通過“水轉(zhuǎn)冰”成為雙奧遺產(chǎn)，將冰壺作為未來可持續(xù)運營的冰上項目。
然而，對于“水立方”來說，想要實現(xiàn)“水冰轉(zhuǎn)換”絕非易事，場地條件是頭號難題。
冰壺比賽需要極其穩(wěn)固的場地，在冬奧會歷史上，這個項目都是在永久混凝土地板上的冰面進行的，這也是世界冰壺聯(lián)合會的規(guī)范標準。然而，如果“水立方”用現(xiàn)澆混凝土打造一塊永久地板，這意味著泳池將不復存在。
國家游泳中心冰壺賽場設計總負責人 鄭方：我們再也看不到這個游泳池，這是不可想象的一件事情。因為這個水里面它記載了這些世界紀錄，記載了在奧運會以后很多重大的活動，是我們歷史的一部分，也是我們生活的這個時代的一個記憶。
盡管艱難，但“水立方”團隊還是開始研究攻關，他們計劃在游泳池中架設支撐系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)之上再鋪設面板，形成可拆裝的比賽場地。
根據(jù)實驗結(jié)果，鋼架和混凝土預制板的組合表現(xiàn)優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)冰壺比賽的精度要求和快速轉(zhuǎn)換的現(xiàn)實需要。
2019年，水立方第一次實現(xiàn)水冰轉(zhuǎn)換，45天搭起的冰場可轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了正式比賽的考驗。2020年，通過科技手段對平整度和安裝精度進行跟蹤掃描，第二次水冰轉(zhuǎn)換僅耗時10天。
在解決了場地問題后，圍繞這塊最敏感的冰進行環(huán)境控制是另一個難題。理想狀態(tài)下，冰壺場館應避免太陽輻射，打造成小而密閉的“冰箱”，這樣更容易對冰面和環(huán)境的溫度濕度精準控制，但這在“水立方”很難做到。
楊奇勇表示，要以更少的能耗、更小的代價，將高溫高濕的游泳賽場，變成低溫低濕的冰壺賽場。“水立方”屋頂鋪的這層膜，有效地阻擋了太陽直射冰面，但對減少熱輻射和降低溫度仍作用有限。
國家游泳中心“水立方”總經(jīng)理 楊奇勇：這時候江憶院士提出來說，你應該考慮那個叫“空腔通風”。“水立方”的墻體是膜結(jié)構(gòu)，兩層膜形成一個氣枕，內(nèi)外兩層氣枕中間，也就是有鋼結(jié)構(gòu)所在的空間是三米四的空腔，空腔與屋頂相連，空腔里的空氣平常不會流通。
利用這種技術(shù)手段，“水立方”空腔內(nèi)的溫度可降低10至15度，這大大減少了空調(diào)的利用，每年節(jié)約百萬級的用電費用。而在冰場內(nèi)部，由于空間較大，為了低能耗并且更精準地控制環(huán)境條件，“水立方”與科研團隊一起，探索研究分區(qū)域控制技術(shù)。
為了讓這樣的控制能夠更加精準，“水立方”在賽場布設了2000多個傳感器，它們的各項數(shù)據(jù)將傳到“水立方”地下的這間機房。能源管控系統(tǒng)也在這里，整個水立方的能源消耗情況可以進行實時監(jiān)測。
2021年，國際奧委會通過了《奧林匹克2020+5議程》，把可持續(xù)性作為奧林匹克三大支柱之一。議程中提到，未來的三屆奧運會，鼓勵使用臨時場地。
國家游泳中心冰壺賽場設計總負責人 鄭方：2008年這些場館，以非常輕的建造方式，就能夠?qū)崿F(xiàn)夏季功能到冬季功能這樣的一個轉(zhuǎn)換，我覺得為未來的奧運會也提供了一個非常好的示范。
中國已經(jīng)向世界作出了承諾，要力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和。作為在確立了“雙碳”目標之后舉辦的第一個國際體育賽事，綠色的北京冬奧已經(jīng)向世界展示出了一個大國的責任與擔當。而我們更加期待的是，在一場簡約、精彩的奧運賽事之后，所有在過程當中所摸索著建立起來的這些低碳的管理模式和技術(shù)經(jīng)驗，能夠和我們一起走向更深遠的未來。
|
