文｜智造前研
2 月 4 日晚，第二十四屆冬季奧林匹克運動會如期開幕，國家速滑館作為北京賽區(qū)唯一新建的冰上競賽場館，一亮相便吸引了全世界的目光。
這個擁有 1.2 萬平方米亞洲最大全冰面設計的“冰絲帶”，同時也是世界上首個采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術的冬奧速滑場館，這能帶來極高的能效比和極低的碳排放。
01. 從氫氯氟烴到二氧化碳
實現(xiàn)低碳高效制冰的關鍵，在于找到一款先進的制冷劑。制冷劑又稱“冷媒”，是各種熱機中借以完成能量轉化的媒介物質，在 1977 年出現(xiàn)臭氧層空洞問題之前，世界上最廣泛應用的工質是二氟一氯甲烷（R-22），也就是人們常說的“氟利昂”。
10 年之后，鑒于氟利昂排放和臭氧層消失之間直接且密切的聯(lián)系，26 國代表在加拿大蒙特利爾市簽署了《蒙特利爾議定書》，協(xié)議書規(guī)定各代氟代烴類物質的生產及銷售均需被逐步限制、削減、停產，從而推動全球氟致冷劑的升級換代。
制冷劑代際分類及特點
隨著第二代制冷劑開始走向完全淘汰，以氫氟烴為代表的第三代制冷劑開始逐漸占領全球高端市場，其具備優(yōu)異的制冷能效，且 ODP 值幾乎為 0，不會對臭氧層構成威脅。隨著第三代制冷劑消耗量的急劇增加，一些潛在的問題也開始突顯，盡管氫氟烴類產品只占溫室氣體排放總量的 5%，但其 GWP 值仍高達 675-3500，是二氧化碳的成百上千倍。
為了達成“生態(tài)優(yōu)先、資源節(jié)約、環(huán)境友好”的辦奧理念，北京冬奧組委開創(chuàng)性的使用了二氧化碳作為國家速滑館等四個場館的制冷劑，這是目前世界上最為環(huán)保的制冰技術，它的碳排放趨近于零，與傳統(tǒng)制冷方式相比，可實現(xiàn)節(jié)能 30% 以上；同時作為先進的制冰技術，其冰面溫差可控制在 0.5℃ 以內，可確保在賽時期間為運動員提供高標準的競賽場地。此外，國家速滑館制冷產生的余熱回收可用于運動員生活熱水、融冰池融冰、冰面維護等，每年可節(jié)電 180 萬度。
目前，世界上許多知名公司都相繼開發(fā)了不同形式的二氧化碳壓縮機, 其中部分產品已經(jīng)市場化和系列化 , 用于熱泵熱水器、大型超市陳列柜等 , 但成果的關鍵技術都處于保密階段，本次二氧化碳跨臨界直冷制冰技術的應用也標志著我國已經(jīng)在相關技術領域實現(xiàn)突破。隨著研究的不斷深入，整個系統(tǒng)日趨成熟，特別是系統(tǒng)的循環(huán)效率和安全性與可靠性方面，能夠逐步接近主流三代制冷劑水平；二氧化碳將成為最有前途的制冷劑之一，應用前景十分樂觀，推廣二氧化碳制冷系統(tǒng)對我國具有重要的戰(zhàn)略意義。
02. 剝離回用，避護結合
除了制冰造雪，本次冬奧場館在建設的過程中，也盡力把對環(huán)境的影響降到了最低。
國家高山滑雪中心，位于北京市延慶區(qū)西北部小海坨山南麓區(qū)域，這里是北京的“第二高峰”；從山腳下到海拔 2198 米的頂峰，分布著全世界稀缺的亞高山草甸。這些草甸內物種豐富，表土中蘊含著優(yōu)良的土壤種子庫，是難以再生的寶貴資源。工程師們在建設的過程中，充分考慮生態(tài)環(huán)境本底較弱的特點，采取“表土剝離”等方式，剝離收集保護表土資源，減少表土資源在建設施工過程中的流失浪費，并將剝離的表土用于賽區(qū)內的生態(tài)修復，和景觀重建等工作，有效降低了場館建設開發(fā)活動對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響。
由于山勢高低起伏，無法使用大型機械，建設者們只能用人工方式開挖，將表土挖出后分割成 400mm 見方的土塊，再把它們卷起、編號，存放于地勢較高的位置；待到場館建設完成后，再將表土資源全部回用，實現(xiàn)了原土、原地、原樣回填。2017 年 3 月 至 2018 年 4月，僅延慶賽區(qū)就有 81848 立方米表土得以保留。
為避免新建路橋阻礙中型及大型野生動物種群遷移，賽區(qū)新建或利用現(xiàn)有橋涵建設 11 座野生動物通道，為野生動物自由通行活動提供便利，同時在施工現(xiàn)場嚴格設置施工紅線，避免機械設備進入溪流河道，預防油污滲漏污染水體，影響兩棲動物棲息環(huán)境；夜晚施工期間，照明燈光使用遮光罩，結束后關閉電源，減少對昆蟲、鳥類等具有趨光性野生動物的不利影響；組織巡護人員在賽區(qū)及周邊開展動物救助工作，發(fā)現(xiàn)野生動物幼體和受傷的動物 及時進行收容救治。
經(jīng)過 6 年的生態(tài)修復和動植物保護，北京市和張家口市空氣中細顆粒物 (PM2.5) 平均濃度分別由 80.6 微克 / 立方米和 34 微克 / 立方米下降至 33 微克 / 立方米和 23 微克 / 立方米；截至 2021 年 6 月，張家口市森林覆蓋率達到 50%，比 2015 年提高 13 個百分點，其中僅 2020 年即完成造林綠化 7867 公頃。
通過從源頭減少對賽區(qū)的生態(tài)擾動，多種方式對動植物進行保護，實現(xiàn)全面生態(tài)修復，北京冬奧會各賽區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了最大限度的保護，生物多樣性得到了保持，探索形成了人類活動與自然環(huán)境和諧共存的長期可持續(xù)發(fā)展模式，為人、建筑和山林的和諧共存積累了經(jīng)驗，進行了良好示范。
03. 張北的風，點亮了冬奧的燈
張北，中都換流站，柔性直流電網(wǎng)工程的電力輸送主通道。壩上風機群產生的源源不斷的綠色電能將從這里出發(fā)，流經(jīng) 666 公里的線路直達延慶，助力北京冬奧場館在奧運史上首次實現(xiàn) 100% 清潔能源供電，且將賽區(qū)的供電可靠性提高到 99.999%，這是歷屆冬奧會最高標準。
張北柔直工程總投資 125 億元，新建 4 個換流站，總換流容量 900 萬千瓦，是世界上首個輸送大規(guī)模風電、光伏、抽水蓄能等多種能源的四端柔性直流電網(wǎng)工程，也是世界上電壓等級最高、輸送容量最大的柔性直流工程，核心技術和關鍵設備均為國際首創(chuàng)，創(chuàng)造了 12 項世界第一。
由于風、光等間歇式能源自身固有的隨機性、波動性等特征，若采用傳統(tǒng)的交流輸電技術，新能源容量越大，對電網(wǎng)的沖擊也就越大，將交流電轉化為直流電能夠有效抑制交流電壓波動，減少功率波動對受端電網(wǎng)的影響，從而解決新能源大容量并網(wǎng)的難題。
自 2020 年 6 月正式投運以來，每年可向北京電網(wǎng)輸送約 140 億千瓦時清潔能源，約占北京年用電量的十分之一，每年可節(jié)約標準煤 490 萬噸，減排二氧化碳 1280 萬噸，為國家“雙碳”目標的實現(xiàn)提供了穩(wěn)定可靠的解決方案。
我國能源結構發(fā)展情況對比
近年來，我國新能源產業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，在能源結構中的比例不斷擴大，成為能源的重要組成部分。截至 2021 年 12 月，全國新能源裝機容量達到了 6.73 億千瓦，占電源總裝機容量的 28.3%，較 2011 年提高了近 7 倍，太陽能、風電等可再生能源裝機容量均排名世界第一。
按照能源發(fā)展的基本規(guī)律，世界能源正處于從油氣向新能源的轉換期，正在邁入煤炭、石油、天然氣和新能源“四分天下”的新時代，清潔能源發(fā)展將漸入“黃金時期”。
加強新能源科技攻關和資源開發(fā)已達成全球共識，以國家電網(wǎng)、特變電工為首的一眾龍頭企業(yè)，攜特高壓直流輸電、無人值守巡檢、直流融冰兼靜止無功補償?shù)群诵募夹g，正努力走出國門將電力行業(yè)的“中國標準”推向世界。
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