文｜智造前研
2 月 4 日晚，第二十四屆冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)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(gè)擁有 1.2 萬平方米亞洲最大全冰面設(shè)計(jì)的“冰絲帶”，同時(shí)也是世界上首個(gè)采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)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(shí)現(xiàn)低碳高效制冰的關(guān)鍵，在于找到一款先進(jìn)的制冷劑。制冷劑又稱“冷媒”，是各種熱機(jī)中借以完成能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)，在 1977 年出現(xiàn)臭氧層空洞問題之前，世界上最廣泛應(yīng)用的工質(zhì)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(zhì)的生產(chǎn)及銷售均需被逐步限制、削減、停產(chǎn)，從而推動(dòng)全球氟致冷劑的升級(jí)換代。
制冷劑代際分類及特點(diǎn)
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(lǐng)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(huì)對臭氧層構(gòu)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(chǎn)品只占溫室氣體排放總量的 5%，但其 GWP 值仍高達(dá) 675-3500，是二氧化碳的成百上千倍。
為了達(dá)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(gè)場館的制冷劑，這是目前世界上最為環(huán)保的制冰技術(shù)，它的碳排放趨近于零，與傳統(tǒng)制冷方式相比，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能 30% 以上；同時(shí)作為先進(jìn)的制冰技術(shù)，其冰面溫差可控制在 0.5℃ 以內(nèi)，可確保在賽時(shí)期間為運(yùn)動(dòng)員提供高標(biāo)準(zhǔn)的競賽場地。此外，國家速滑館制冷產(chǎn)生的余熱回收可用于運(yùn)動(dòng)員生活熱水、融冰池融冰、冰面維護(hù)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?jí)嚎s機(jī), 其中部分產(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)都處于保密階段，本次二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)的應(yīng)用也標(biāo)志著我國已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。隨著研究的不斷深入，整個(gè)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(yīng)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(hù)結(jié)合
除了制冰造雪，本次冬奧場館在建設(shè)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(nèi)物種豐富，表土中蘊(yùn)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(shè)的過程中，充分考慮生態(tài)環(huán)境本底較弱的特點(diǎn)，采取“表土剝離”等方式，剝離收集保護(hù)表土資源，減少表土資源在建設(shè)施工過程中的流失浪費(fèi)，并將剝離的表土用于賽區(qū)內(nèi)的生態(tài)修復(fù)，和景觀重建等工作，有效降低了場館建設(shè)開發(fā)活動(dòng)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(jī)械，建設(shè)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(hào)，存放于地勢較高的位置；待到場館建設(shè)完成后，再將表土資源全部回用，實(shí)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(dòng)物種群遷移，賽區(qū)新建或利用現(xiàn)有橋涵建設(shè) 11 座野生動(dòng)物通道，為野生動(dòng)物自由通行活動(dòng)提供便利，同時(shí)在施工現(xiàn)場嚴(yán)格設(shè)置施工紅線，避免機(jī)械設(shè)備進(jìn)入溪流河道，預(yù)防油污滲漏污染水體，影響兩棲動(dòng)物棲息環(huán)境；夜晚施工期間，照明燈光使用遮光罩，結(jié)束后關(guān)閉電源，減少對昆蟲、鳥類等具有趨光性野生動(dòng)物的不利影響；組織巡護(hù)人員在賽區(qū)及周邊開展動(dòng)物救助工作，發(fā)現(xiàn)野生動(dòng)物幼體和受傷的動(dòng)物 及時(shí)進(jìn)行收容救治。
經(jīng)過 6 年的生態(tài)修復(fù)和動(dòng)植物保護(hù)，北京市和張家口市空氣中細(xì)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(dá)到 50%，比 2015 年提高 13 個(gè)百分點(diǎn)，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(dòng)，多種方式對動(dòng)植物進(jìn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)全面生態(tài)修復(fù)，北京冬奧會(huì)各賽區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了最大限度的保護(hù)，生物多樣性得到了保持，探索形成了人類活動(dòng)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(yàn)，進(jìn)行了良好示范。
03. 張北的風(fēng)，點(diǎn)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(fēng)機(jī)群產(chǎn)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(dá)延慶，助力北京冬奧場館在奧運(yùn)史上首次實(shí)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(huì)最高標(biāo)準(zhǔn)。
張北柔直工程總投資 125 億元，新建 4 個(gè)換流站，總換流容量 900 萬千瓦，是世界上首個(gè)輸送大規(guī)模風(fēng)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(jí)最高、輸送容量最大的柔性直流工程，核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備均為國際首創(chuàng)，創(chuàng)造了 12 項(xiàng)世界第一。
由于風(fēng)、光等間歇式能源自身固有的隨機(jī)性、波動(dòng)性等特征，若采用傳統(tǒng)的交流輸電技術(shù)，新能源容量越大，對電網(wǎng)的沖擊也就越大，將交流電轉(zhuǎn)化為直流電能夠有效抑制交流電壓波動(dòng)，減少功率波動(dòng)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(yùn)以來，每年可向北京電網(wǎng)輸送約 140 億千瓦時(shí)清潔能源，約占北京年用電量的十分之一，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 490 萬噸，減排二氧化碳 1280 萬噸，為國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了穩(wěn)定可靠的解決方案。
我國能源結(jié)構(gòu)發(fā)展情況對比
近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，在能源結(jié)構(gòu)中的比例不斷擴(kuò)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(jī)容量達(dá)到了 6.73 億千瓦，占電源總裝機(jī)容量的 28.3%，較 2011 年提高了近 7 倍，太陽能、風(fēng)電等可再生能源裝機(jī)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(zhuǎn)換期，正在邁入煤炭、石油、天然氣和新能源“四分天下”的新時(shí)代，清潔能源發(fā)展將漸入“黃金時(shí)期”。
加強(qiáng)新能源科技攻關(guān)和資源開發(fā)已達(dá)成全球共識(shí)，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(bǔ)償?shù)群诵募夹g(shù)，正努力走出國門將電力行業(yè)的“中國標(biāo)準(zhǔn)”推向世界。
參考文獻(xiàn)：
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