北京冬奧組委曾經承諾過,要在2022年北京冬奧會上實現碳中和,而在所有的碳排放源當中,場館的建設和運行所產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。

1.jpg

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舉行。室內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,為運動員創造公平比賽的條件和挑戰極限的基礎。

國家速滑館制冰系統設計總負責人 馬進:現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路線最為成熟可靠,但決策者也深知它的弊端,傳統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發展中,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保,在制冷效率、制冷均勻性、熱量回收等方面也都更有優勢。但是在2016年他提議使用二氧化碳制冰時,國內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實現的。

由于技術要求高、控制難度大等原因,國內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,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。

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而漫長的調研論證工作。

2019年,在經過多次專家論證會,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,這被認為是世界上最環保和最先進的制冰技術。

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,都有很大的綠色環保、冰面質量和賽后長期可持續,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,是從工業生產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業低碳發展的關鍵。

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,這座建筑的外圍結構可以“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。

2.jpg

清華同衡規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,它們將在賽后常年運營。冬奧會后場館怎樣可持續利用是必須要考慮的問題。

2018年初,場館業主決定,在這座正在建設的冬奧項目中引入超低能耗建設方案。按照北京市現行規定,超低能耗公共建筑的節能率需要比普通公共建筑降低60%。

五棵松場館業主代表 趙燕:它首先節能減排,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,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。

此前國內超低能耗的實踐多用在混凝土結構的住宅,像“冰菱花”這樣的大型公共建筑,想要實現超低能耗的指標,面臨很大的技術挑戰。比如,大面積的玻璃幕墻怎樣更好地保溫隔熱。

清華同衡規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,由于內外溫差不同,冰場與其他區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在“冰菱花”得到大面積使用,根據測算,玻璃幕墻的傳熱系數低至常規玻璃的三分之一。最終,設計團隊通過多種技術手段,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約。

3.jpg

國家游泳中心“水立方”總經理 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、轉播時間最長的項目。世界冰壺聯合會希望,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“水轉冰”成為雙奧遺產,將冰壺作為未來可持續運營的冰上項目。

然而,對于“水立方”來說,想要實現“水冰轉換”絕非易事,場地條件是頭號難題。

冰壺比賽需要極其穩固的場地,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,這也是世界冰壺聯合會的規范標準。然而,如果“水立方”用現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,支撐系統之上再鋪設面板,形成可拆裝的比賽場地。

根據實驗結果,鋼架和混凝土預制板的組合表現優異,能夠實現冰壺比賽的精度要求和快速轉換的現實需要。

2019年,水立方第一次實現水冰轉換,45天搭起的冰場可轉換結構經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境控制是另一個難題。理想狀態下,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”的墻體是膜結構,兩層膜形成一個氣枕,內外兩層氣枕中間,也就是有鋼結構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。

利用這種技術手段,“水立方”空腔內的溫度可降低10至15度,這大大減少了空調的利用,每年節約百萬級的用電費用。而在冰場內部,由于空間較大,為了低能耗并且更精準地控制環境條件,“水立方”與科研團隊一起,探索研究分區域控制技術。

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,它們的各項數據將傳到“水立方”地下的這間機房。能源管控系統也在這里,整個水立方的能源消耗情況可以進行實時監測。

2021年,國際奧委會通過了《奧林匹克2020+5議程》,把可持續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,就能夠實現夏季功能到冬季功能這樣的一個轉換,我覺得為未來的奧運會也提供了一個非常好的示范。

中國已經向世界作出了承諾,要力爭在2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和。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經驗,能夠和我們一起走向更深遠的未來。