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不知不覺，2022年冬奧會迎來閉幕式，這些天看比賽的小編也是非常興奮，都無心工作了。
本次第24屆冬季奧林匹克運動會由北京市與張家口市攜手舉辦，北京市也成為世界首個舉辦過夏季奧運會和冬季奧運會的城市。
冰雪運動的歷史説起冬季的冰雪運動，咱們可就有的嘮了。根據最新的觀點，冰雪運動可能起源於我國新疆阿勒泰地區的舊石器時代晚期，距今足有一萬多年了。
除了滑雪，滑冰也很早就出現了。早在漢代，就有“踏羊角”的記載，所謂“踏羊角”，就是用羊角製成簡單的滑冰器具在冰面滑行。至於清朝就更厲害了，清朝起于山海關外，也就是我國東北，那嘎達，老適合滑冰滑雪了，滿人不僅利用滑冰滑雪狩獵，甚至還用來行軍作戰，努爾哈赤便曾利用“烏拉滑子”晝夜行軍上千裏作戰。清朝建立以後，冰上活動“冰嬉”也成為宮廷體育娛樂活動參與人數曾達到一千六百人之多。
冰嬉圖 | 圖源自參考資料1
人工冰場不過要説起滑冰，你得有冰啊，一直以來，人們都只能在天然冰面滑冰，直到 19世紀，機械製冷技術幫助我們實現了人工建造冰場，滑冰這項運動終於不再受制於天氣了。
人工建造的冰場通常會在場地下方建造混凝土層，並在混凝土層中預埋管網，低温的液體在管網中不斷循環，降低混凝土層温度至水的冰點之下，這樣就可以在混凝土層之上凍結冰層，建造冰場。
典型人工冰場場地構造 | 圖源自參考資料2
本次冬奧會，秉承着“綠色奧運”的理念，我們在場館建設方面便着重考慮了環保的因素。因此本次冬奧會的速滑場館是奧運史上首次大規模使用CO₂ 跨臨界直冷技術，不僅高效而且環保。
CO₂ 跨臨界直冷技術人工冰場的關鍵便是人工製冷，人工製冷又可以分為間接製冷與直接蒸發式製冷。
間接製冷，即載冷劑製冷。其原理很簡單，就是利用液氨或氟利昂做製冷劑，通過製冷機組運行為載冷劑降温，再利用低温的載冷劑再冰場下方混凝土層的管網中，並通過載冷劑冷卻冰層。載冷劑一般選用乙二醇或鹽水，低温載冷劑在冰層下方管網中流動，通過熱交換吸收熱量。
間接式製冷的優點顯而易見，這種製冷方式只需要很少的製冷劑，比較安全；管道可以使用塑料管，成本低。但缺點也比較突出，首先是製冷劑方面，液氨製冷劑易於製取、價格低廉、性質優異、不破壞臭氧層、無温室效應……但！液氨有毒，一旦泄露，會有刺激性氣味，且容易引起燃燒和爆炸。而氟利昂則是非常好的製冷劑，但大家也知道，氟利昂會破壞臭氧層，為落實《蒙特利爾議定書》，氟利昂作為製冷劑已經被逐漸淘汰。
直接製冷便沒有載冷劑，全程只有CO₂ 在管網中流動，其原理圖如下圖所示：
CO₂ 跨臨界直冷技術原理圖 | 圖源自參考資料3
CO₂ 經壓縮與冷卻後，轉變為液態，液態CO₂ 經泵泵入冰場下方管網，冰場在這裏就相當蒸發器，液態CO₂ 在管網中蒸發吸收熱量（當然不是全部CO₂ 都會蒸發），實現降温的目的。
那麼，這個跨臨界是啥意思呢？其實也很簡單，CO₂ 的臨界温度是31.1℃，臨界壓力是7.38MPa。冬天冰場室温較低，CO₂ 只在液態與氣態中轉變，此時，製冷系統在亞臨界運行。但如果在夏天，室温較高時，CO₂ 吸熱可能會超過臨界温度，進入超臨界流體相，回到儲液器之後，經過冷卻，重新轉變為液態。這時，CO₂ 製冷系統便在跨臨界運行。物質的超臨界相是指物質在高壓高温下一種特殊相。這種狀態下，物質已經沒有氣體與液體之分了。
CO₂ 相圖 | 圖源自網絡
CO₂ 直接蒸發式製冷優點十分突出。CO₂ 作為天然製冷劑對自然無危害，不可燃，無毒無味，只在濃度很高的時候才會對人體產生危害，價格低廉容易製取；冰面温度均勻性好，冰面温差不超過0.5℃；傳熱效率高；CO₂ 單位容積製冷量大，所需管網管徑小，所需泵揚程小；當然，這種製冷方式也不是全是優點。CO₂ 直接蒸發式製冷中管路潤滑油十分重要，因此需要設計回油系統，另一方面，CO₂直接蒸發式製冷中管網運行壓力高，對管網強度，焊接工藝要求都很高。
CO₂ 跨臨界直冷技術場地構造 | 圖源自參考資料2
瞭解了製冷技術後，那我們就來看看究竟怎麼製冰吧，先來看看我們的主角——國家速滑館。
冰絲帶冰絲帶國家速滑館，是本次冬奧會唯一新建場館，其將與“鳥巢”、“水立方”共同組成“雙奧”之城標誌性建築羣。
“冰絲帶”國家速滑館 | 圖源自冬奧官網
在“冰絲帶”冰面的鋪設中，製冰師要用花灑一層一層地均勻地在場地上灑水，灑水時應保證步調一致，這樣才能保證水層均勻，才能保證冰層均勻，灑的水也有講究，用的是去除雜質的純水。這樣的灑水過程至少要進行四五十次，才能完成。對於速滑場館，冰面厚度一般要求在40-50mm，400米的冰面鋪設至少要一週以上，在製冰完成後，還要經歷整冰和去冰融冰，才能得到符合要求的冰面。
如此複雜和精細的過程都是為了保證運動員的安全與發揮，冰面的任何瑕疵，都會給運動員帶來致命失誤，甚至讓運動員受傷。速滑館要求冰面要平整，沒有氣泡和裂痕。舉個例子，“冰絲帶”的冰面鋪設完成後，任意3平方米的最大誤差，不超過2mm，可見製冰之精細。
“冰絲帶”速滑館佈局圖 | 圖源自參考資料1
為了提高冰面質量，溜冰場可能還會在冰里加牛奶，這時因為牛奶油性大，往冰里加牛奶可以提高冰的彈性和抗裂能力，即使面對冰刀也可以減少劃痕。不過，“冰絲帶”可沒有用牛奶，指望去現場吃牛奶刨冰的朋友可以安心看比賽了。
説到這，不知道大家有沒有意識到一個問題，“冰絲帶”裏的冰要求沒有裂痕和氣泡，那我能不能利用這種製冰技術在家裏去製作冰可樂裏的冰塊呢？
透明冰塊當然是可以的，你也可以先撒很薄的一層水，等水凝成冰後，再在冰上繼續灑水，讓其凝固，如此下去，你也可以得到一大塊沒有氣泡的冰。不過還有更簡單的方法，你可以用一個保温箱，裏面放滿水，去掉蓋子，放進冰箱，慢慢冷凍，不要徹底凍透，凍住上半部分就可以，讓下半部分還是液態，這樣凍好的上半部分就是沒有氣泡的“完美”冰塊了。
圖源自pixabay
這個原理簡單説，就是利用保温箱，讓水只有表面接觸冷源，這樣水的結晶（即結冰）就會從上往下進行，就會將水中的雜質和氣體“擠下去”，下層的水就是用來承接這些雜質和氣泡的。這個過程其實和“冰絲帶”製冰過程有異曲同工之妙，不過這裏結冰的方向反了而已。當然，你也可以試着去除水中的雜質，不過僅是煮沸並不能完全去除雜質，建議蒸餾試試。
至於更詳細的原理就要涉及到結晶的過程，我們簡單介紹一下結晶的成核和生長理論。
晶體的成核與生長我們認為，結晶並不是一蹴而就的，在物質處於液態時，分子具有較大的自由度，但分子運動中有可能會出現少許分子聚集在一起形成微小的晶粒，晶粒與液體的表面能比較低，因此後續液體中的分子運動到晶粒附近時，就傾向於與晶粒成鍵，按晶格對稱性構建成晶體。這樣，就像搭積木一樣，晶粒就會越長越大，最終形成晶體。
但晶體的成核需要克服勢壘，這也很好理解，如果液相可以自發成核，那物質的液相就不可能是可以穩定存在的。一般對於純淨的液相，成核的動力有三種，即恆壓下的過冷度，恆温下的過飽和蒸氣壓以及恆温恆壓下的過飽和濃度。水的結冰就是温度達到水的冰點以下，在這裏就是恆壓下的過冷度，換句話説，在壓強不變的情況下，當温度達到液相的凝固點之下，晶體便可以克服勢壘成核。當然，關於成核理論，現在也有一些最新的理論。
但當溶液中存在雜質時，會發生非均勻成核。這是因為雜質粒子與液相的分界面的界面能會降低成核的勢壘。在雜質處處天然便存在一個界面，自然比液相分子自發聚集憑空創造一個界面容易。因此，雜質處更容易成核。
冬日肥皂泡的結晶過程 | 圖源自pixabay
我們如果正常冰凍時，成核會首先發生在雜質處，因此除非你能將水中所有雜質全部去除，否則將雜質凍在冰裏無可避免，但如果我們利用保温箱只在水的表面冷凍，水錶面只有一層接觸冷源，在過冷度的驅使下，水在表面附近成核冰向下生長，而生長過程中雜質便不容易摻進去了，因此上層冷凍的冰塊不會包含雜質。
冬奧“冰絲帶”製冰也是同樣的道理，不過比咱們這個高級一些。首先，冬奧用的水本身便幾乎沒有雜質，噴灑的過程中每次又只噴灑薄薄一層，在這一層中幾乎可以認為沒有雜質，因此可以成核和生長過程都不會被打擾，得到的就是完美的冰層。
冰闊落 | 圖源自pixabay
這樣看來，我們在可樂里加的冰塊，還算是“冰絲帶的遠房親戚”呢。
*參考資料：
[1]盧耀星. 速滑館建築設計研究[D].華南理工大學,2017.
[2]王派,李敏霞,宋瑞濤,詹浩淼,馬一太.CO₂ 跨（亞）臨界製冷人工冰場的分析與研究[J].製冷技術,2020,40(02):25-30.
[3]劉楷.自然工質CO₂ 在2022年北京冬奧會冰場的運用[J].製冷技術,2020,40(02):20-24.
[4]張振雯,宇文怡旋,張振迎.CO₂ 製冷技術在人工冰場中的應用現狀[J].製冷,2021,40(02):28-33.
北京2022年冬奧會和冬殘奧會組織委員會網站 (beijing2022.cn)
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