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北京冬奥低碳场馆是如何建成的?

来源:央视新闻客户端2022年01月23日

北京冬奥组委曾经承诺过,要在2022年北京冬奥会上实现碳中和,而在所有的碳排放源当中,场馆的建设和运行所产生的温室气体的排放量占到了整个碳排量的超过三分之一。也就是说给场馆减碳是显得尤为重要的,那到底要怎么减,有什么样的手段和措施,效果又如何呢?本期《新闻调查》和您一起探索北京冬奥低碳场馆是如何建成的。

“冰丝带”:一种新制冰技术的冬奥首秀

国家速滑馆是北京冬奥会唯一新建的冰上竞赛场馆,从开始建设到正式比赛,这块近12000平方米的超大冰面一直是外界瞩目的焦点,因为在百年冬奥的历史上,它第一次使用了二氧化碳作为制冷剂。

国家速滑馆运行团队主任 武晓南:所有的体育场馆它都存在一个很核心的建设目标,就是它的体育工艺。体育工艺就是你要所建设的场馆和场地要满足你所承担的比赛项目的需要。那么冰场、速滑馆,毋庸置疑就是我们的冰面如何来制冰。

与早期依靠大自然制冷的户外冰场不同,如今冬奥会所有冰上项目均在室内举行。室内冰场采用人工制冰的方式,可以更严格地控制冰面温度、湿度,为运动员创造公平比赛的条件和挑战极限的基础。

国家速滑馆制冰系统设计总负责人 马进:现在好多家庭采暖用的是叫“地热采暖”,这个就反过来了,叫“地冷制冰”,就是说在这个地板下它里面放了很多制冷管道,通过制冷剂在里边流动,它把地板的温度降下来。

制冷剂在“地冷制冰”过程中扮演着不可或缺的角色。用什么样的制冷剂、以何种方式制冰,这是建设国家速滑馆必须要决定的核心问题。

作为冬奥会冰上场馆最常用的制冷剂,采用氟利昂制冰无疑技术路线最为成熟可靠,但决策者也深知它的弊端,传统氟利昂会对人类赖以生存的臭氧层造成破坏。

在一百多年的制冷工业发展中,人类始终难以找到完美的制冷剂,总是要面对制冷效率、安全、环保之间的矛盾。就在速滑馆考虑制冷剂的选择时,来自学者的建议让他们有了新的方向。

根据北大教授张信荣的研究,相对于氟利昂,二氧化碳制冷更绿色环保,在制冷效率、制冷均匀性、热量回收等方面也都更有优势。但是在2016年他提议使用二氧化碳制冰时,国内还没有二氧化碳制冰的冰场。

北京大学工学院教授 张信荣:我觉得大家可能心里都会打个问号 ,也都会问,你看你这个是不是就是在理论上在纸上做了一些演算。不是能够真刀真枪地在这么重大的场合下能够实现的。

由于技术要求高、控制难度大等原因,国内应用二氧化碳制冰更多停留在理论和实验层面。而在世界范围内,即便是最早探索二氧化碳制冰的北欧国家,也是近年来才在相对较小的1800平方米的标准冰场上使用这项技术。

到底使用氟利昂还是二氧化碳?从2016年下半年到2019年初,两年多的时间里,北京冬奥组委和国家速滑馆进行了专业而漫长的调研论证工作。

2019年,在经过多次专家论证会,综合考虑各种因素后,国家速滑馆最终选择了二氧化碳制冷剂,决定采用跨临界二氧化碳直冷制冰技术,这被认为是世界上最环保和最先进的制冰技术。

国家速滑馆运行团队主任 武晓南:二氧化碳制冰还是一个大家都认可的,非常理性的判断下的,我们既能通过我们的努力去踮踮脚、摸摸高能够达到的一个目标,同时又是对赛后、包括赛时,都有很大的绿色环保、冰面质量和赛后长期可持续,有益的、最有益的这么一个选择。

相比于其他制冷剂,跨临界二氧化碳能够最大程度上将热进行回收,因此可以实现冰场制冷与制热的一体化,从场馆运营角度看,这对于降低国家速滑馆的能耗具有重要作用。

二氧化碳本身也是温室气体,但用作制冷剂的二氧化碳,是从工业生产排放的废气中回收而来,它们原本直接排到大气中。使用二氧化碳制冷,不仅避免了氟利昂制冷产生的“强温室气体”,而且将二氧化碳作为资源利用,这对于“碳中和”来说也具有一定的意义。

二氧化碳跨临界直冷制冰技术在国家速滑馆的成功应用,其意义不仅是在一届冬奥会,而是推动冰雪运动和制冰产业低碳发展的关键。

冰菱花:一座超低能耗建筑的诞生

2021年12月30日,五棵松冰上运动中心正在进行气密性检测,这座建筑的外围结构可以“密不透风”到何种程度,是测量它作为超低能耗建筑的重要指标。

清华同衡规划设计院绿建所所长 肖伟:超低能耗建筑,第一个方面就是通过建筑的墙体、通过幕墙,这个热量就散失到室外了,那么这个时候我们就需要去提高它的保温的效果。那么第二方面很大的热量散失,像我们这些门啊,建筑的我们看不到的一些缝隙啊,冬天把热空气、夏天把冷空气传到室外去了,这就浪费了能量,所以我们第二个角度去做好建筑气密性的这样一个特点。

超低能耗建筑最早源于德国“被动房”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适的环境。作为冬奥会冰球训练馆,“冰菱花”为什么要追求这样的建筑标准呢?

“冰菱花”的地下一层南北两侧各有一块标准冰场,冬奥会期间是运动员的训练场地,但未来作为冬奥遗产,它们将在赛后常年运营。冬奥会后场馆怎样可持续利用是必须要考虑的问题。

2018年初,场馆业主决定,在这座正在建设的冬奥项目中引入超低能耗建设方案。按照北京市现行规定,超低能耗公共建筑的节能率需要比普通公共建筑降低60%。

五棵松场馆业主代表 赵燕:它首先节能减排,如果做成了,每年它能减少二氧化碳排放。它的能耗降低了,我们的运营成本也在降低,第二个,你用了一个新的技术,你通过这一次你去学习了,今后的话用到你的其它方面,做民用建筑的时候,你相对就容易了。

此前国内超低能耗的实践多用在混凝土结构的住宅,像“冰菱花”这样的大型公共建筑,想要实现超低能耗的指标,面临很大的技术挑战。比如,大面积的玻璃幕墙怎样更好地保温隔热。

清华同衡规划设计院绿建所所长 肖伟:对于我们这个体育建筑而言,我们不可能像住宅全部都是采用实心墙体,因为我们整个要打造一个比较通透的空间,我们这个项目就必须要采用这种玻璃幕墙,我们整个项目的玻璃幕墙超过了一万平方米,这一万平方米就是我们这个房子损失热量非常重要的一个途径。

五棵松冰上运动中心采取了房中房的设计,由于内外温差不同,冰场与其他区域之间的这层玻璃幕墙对于超低能耗要求的保温隔热都至关重要。

这种三玻两腔充氩气的玻璃系统在“冰菱花”得到大面积使用,根据测算,玻璃幕墙的传热系数低至常规玻璃的三分之一。最终,设计团队通过多种技术手段,进一步降低建筑能耗水平,让“冰菱花”满足了超低能耗的建设标准。

水立方:一座传奇场馆的绿色改造

水立方,2008年北京奥运会的标志性建筑,2022年这里将是冬奥会冰壶的比赛场馆。不新建建筑,直接改造已有场馆,这意味着资源消耗的减少和建设成本的节约。

国家游泳中心“水立方”总经理 杨奇勇:如果我们没有这么做而去再建一个空间,这个代价差异是以亿元计算。这个成本省掉了,实际上碳排放、垃圾处理都跟着下来了

冰壶是冬奥会场次最多、转播时间最长的项目。世界冰壶联合会希望,冬奥会冰壶比赛在水立方这座传奇建筑中进行可以更好地展现冰壶比赛的魅力,促进冰壶运动的普及,而水立方也希望,通过“水转冰”成为双奥遗产,将冰壶作为未来可持续运营的冰上项目。

然而,对于“水立方”来说,想要实现“水冰转换”绝非易事,场地条件是头号难题。

冰壶比赛需要极其稳固的场地,在冬奥会历史上,这个项目都是在永久混凝土地板上的冰面进行的,这也是世界冰壶联合会的规范标准。然而,如果“水立方”用现浇混凝土打造一块永久地板,这意味着泳池将不复存在。

国家游泳中心冰壶赛场设计总负责人 郑方:我们再也看不到这个游泳池,这是不可想象的一件事情。因为这个水里面它记载了这些世界纪录,记载了在奥运会以后很多重大的活动,是我们历史的一部分,也是我们生活的这个时代的一个记忆。

尽管艰难,但“水立方”团队还是开始研究攻关,他们计划在游泳池中架设支撑系统,支撑系统之上再铺设面板,形成可拆装的比赛场地。

根据实验结果,钢架和混凝土预制板的组合表现优异,能够实现冰壶比赛的精度要求和快速转换的现实需要。

2019年,水立方第一次实现水冰转换,45天搭起的冰场可转换结构经受住了正式比赛的考验。2020年,通过科技手段对平整度和安装精度进行跟踪扫描,第二次水冰转换仅耗时10天。

在解决了场地问题后,围绕这块最敏感的冰进行环境控制是另一个难题。理想状态下,冰壶场馆应避免太阳辐射,打造成小而密闭的“冰箱”,这样更容易对冰面和环境的温度湿度精准控制,但这在“水立方”很难做到。

杨奇勇表示,要以更少的能耗、更小的代价,将高温高湿的游泳赛场,变成低温低湿的冰壶赛场。“水立方”屋顶铺的这层膜,有效地阻挡了太阳直射冰面,但对减少热辐射和降低温度仍作用有限。

国家游泳中心“水立方”总经理 杨奇勇:这时候江忆院士提出来说,你应该考虑那个叫“空腔通风”。

“水立方”的墙体是膜结构,两层膜形成一个气枕,内外两层气枕中间,也就是有钢结构所在的空间是三米四的空腔,空腔与屋顶相连,空腔里的空气平常不会流通。

利用这种技术手段,“水立方”空腔内的温度可降低10至15度,这大大减少了空调的利用,每年节约百万级的用电费用。而在冰场内部,由于空间较大,为了低能耗并且更精准地控制环境条件,“水立方”与科研团队一起,探索研究分区域控制技术。

为了让这样的控制能够更加精准,“水立方”在赛场布设了2000多个传感器,它们的各项数据将传到“水立方”地下的这间机房。能源管控系统也在这里,整个水立方的能源消耗情况可以进行实时监测。

2021年,国际奥委会通过了《奥林匹克2020+5议程》,把可持续性作为奥林匹克三大支柱之一。议程中提到,未来的三届奥运会,鼓励使用临时场地。

国家游泳中心冰壶赛场设计总负责人 郑方:2008年这些场馆,以非常轻的建造方式,就能够实现夏季功能到冬季功能这样的一个转换,我觉得为未来的奥运会也提供了一个非常好的示范。

中国已经向世界作出了承诺,要力争在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。作为在确立了“双碳”目标之后举办的第一个国际体育赛事,绿色的北京冬奥已经向世界展示出了一个大国的责任与担当。而我们更加期待的是,在一场简约、精彩的奥运赛事之后,所有在过程当中所摸索着建立起来的这些低碳的管理模式和技术经验,能够和我们一起走向更深远的未来。

【责任编辑:任昊】