不知不覺，2022年冬奧會即將迎來閉幕式，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

說起冬季的冰雪運動，咱們可就有的嘮了。根據最新的觀點，冰雪運動可能起源于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”，就是用羊角制成簡單的滑冰器具在冰面滑行。至于清朝就更厲害了，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”晝夜行軍上千里作戰。清朝建立以后，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

不過要說起滑冰，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，機械制冷技術幫助我們實現了人工建造冰場，滑冰這項運動終于不再受制于天氣了。

人工建造的冰場通常會在場地下方建造混凝土層，并在混凝土層中預埋管網，低溫的液體在管網中不斷循環，降低混凝土層溫度至水的冰點之下，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，秉承著“綠色奧運”的理念，我們在場館建設方面便著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CO? 跨臨界直冷技術，不僅高效而且環保。

CO? 跨臨界直冷技術

人工冰場的關鍵便是人工制冷，人工制冷又可以分為間接制冷與直接蒸發式制冷。

間接制冷，即載冷劑制冷。其原理很簡單，就是利用液氨或氟利昂做制冷劑，通過制冷機組運行為載冷劑降溫，再利用低溫的載冷劑再冰場下方混凝土層的管網中，并通過載冷劑冷卻冰層。載冷劑一般選用乙二醇或鹽水，低溫載冷劑在冰層下方管網中流動，通過熱交換吸收熱量。

間接式制冷的優點顯而易見，這種制冷方式只需要很少的制冷劑，比較安全；管道可以使用塑料管，成本低。但缺點也比較突出，首先是制冷劑方面，液氨制冷劑易于制取、價格低廉、性質優異、不破壞臭氧層、無溫室效應……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制冷劑，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》，氟利昂作為制冷劑已經被逐漸淘汰。

直接制冷便沒有載冷劑，全程只有CO? 在管網中流動，其原理圖如下圖所示：

CO? 跨臨界直冷技術原理圖 | 圖源自參考資料3

CO? 經壓縮與冷卻后，轉變為液態，液態CO? 經泵泵入冰場下方管網，冰場在這里就相當蒸發器，液態CO? 在管網中蒸發吸收熱量（當然不是全部CO? 都會蒸發），實現降溫的目的。

那么，這個跨臨界是啥意思呢？其實也很簡單，CO? 的臨界溫度是31.1℃，臨界壓力是7.38MPa。冬天冰場室溫較低，CO? 只在液態與氣態中轉變，此時，制冷系統在亞臨界運行。但如果在夏天，室溫較高時，CO? 吸熱可能會超過臨界溫度，進入超臨界流體相，回到儲液器之后，經過冷卻，重新轉變為液態。這時，CO? 制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溫下一種特殊相。這種狀態下，物質已經沒有氣體與液體之分了。

CO? 相圖 | 圖源自網絡

CO? 直接蒸發式制冷優點十分突出。CO? 作為天然制冷劑對自然無危害，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，價格低廉容易制取；冰面溫度均勻性好，冰面溫差不超過0.5℃；傳熱效率高；CO? 單位容積制冷量大，所需管網管徑小，所需泵揚程小；當然，這種制冷方式也不是全是優點。CO? 直接蒸發式制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，CO?直接蒸發式制冷中管網運行壓力高，對管網強度，焊接工藝要求都很高。

CO? 跨臨界直冷技術場地構造 | 圖源自參考資料2

了解了制冷技術后，那我們就來看看究竟怎么制冰吧，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”之城標志性建筑群。

“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，制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。對于速滑場館，冰面厚度一般要求在40-50mm，400米的冰面鋪設至少要一周以上，在制冰完成后，還要經歷整冰和去冰融冰，才能得到符合要求的冰面。

如此復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”的冰面鋪設完成后，任意3平方米的最大誤差，不超過2mm，可見制冰之精細。

“冰絲帶”速滑館布局圖 | 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。

說到這，不知道大家有沒有意識到一個問題，“冰絲帶”里的冰要求沒有裂痕和氣泡，那我能不能利用這種制冰技術在家里去制作冰可樂里的冰塊呢？

透明冰塊

當然是可以的，你也可以先撒很薄的一層水，等水凝成冰后，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，你可以用一個保溫箱，里面放滿水，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

這個原理簡單說，就是利用保溫箱，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”制冰過程有異曲同工之妙，不過這里結冰的方向反了而已。當然，你也可以試著去除水中的雜質，不過僅是煮沸并不能完全去除雜質，建議蒸餾試試。

至于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，結晶并不是一蹴而就的，在物質處于液態時，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，因此后續液體中的分子運動到晶粒附近時，就傾向于與晶粒成鍵，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。一般對于純凈的液相，成核的動力有三種，即恒壓下的過冷度，恒溫下的過飽和蒸氣壓以及恒溫恒壓下的過飽和濃度。水的結冰就是溫度達到水的冰點以下，在這里就是恒壓下的過冷度，換句話說，在壓強不變的情況下，當溫度達到液相的凝固點之下，晶體便可以克服勢壘成核。當然，關于成核理論，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，否則將雜質凍在冰里無可避免，但如果我們利用保溫箱只在水的表面冷凍，水表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”制冰也是同樣的道理，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. 速滑館建筑設計研究[D].華南理工大學,2017.

[2]王派,李敏霞,宋瑞濤,詹浩淼,馬一太.CO? 跨（亞）臨界制冷人工冰場的分析與研究[J].制冷技術,2020,40(02):25-30.

[3]劉楷.自然工質CO? 在2022年北京冬奧會冰場的運用[J].制冷技術,2020,40(02):20-24.

[4]張振雯,宇文怡旋,張振迎.CO? 制冷技術在人工冰場中的應用現狀[J].制冷,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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七、晶體的成核與生長 - 豆丁網 (docin.com)

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本文來自微信公眾號“GGV紀源資本”（ID:GGVCapital），作者：穆梓，36氪經授權發布。