2. 采用二氧化碳的制冷机

随着氨制冷机的意外频频发生，19世纪的科学家和工程师们将目光转向了二氧化碳，它无毒无害，不会爆炸，极易制备。即使设备出现泄露，也完全不用担心，直接把它排入空气就好。

1869年，美国人洛威以二氧化碳作为制冷剂制造了一台制冰机，由此拉开了二氧化碳制冰之路的帷幕。不过由于二氧化碳制冷设备的运行压力高出氨制冷系统几倍，它始终没能把氨系统给淘汰。随后的几十年里，在制冰行业里二氧化碳和氨系统平分秋色。

3. 采用氟利昂等人工合成制冷剂的制冷机

在20世纪，合成化工高速发展给各行各业都带来了影响，二氧化碳、氨这些天然制冷剂逐渐被以氟利昂为代表的氯氟烃以及氢氟碳化物所代替。这一类人工合成制冷剂有着很好的制冷性能，并且没有二氧化碳的高压困扰以及氨气的毒性，也因此在开发伊始便被迅速推广。

但这类化合物对环境却不太友好，氟利昂等氯氟烃类制冷剂在紫外线的照射下会与臭氧分子快速反应，地球臭氧层被极大破坏，局部地区例如南极上空甚至出现了巨大的臭氧层空洞；

用以替代氟利昂类制冷剂的氢氟碳化物制冷剂则是很难在大气中分解，这一类物质停留在大气中，会严重阻碍地球向外的散热，直接促进全球变暖的进程，这类物质对全球变暖的贡献值甚至达到了二氧化碳的成百上千倍。

南极上空的臭氧层空洞（图片来源NASA）

联合国为了避免工业产品中的氟氯碳化物对地球臭氧层继续造成恶化及损害，于1987年9月16日邀请所属26个会员国在加拿大蒙特利尔所签署的环境保护公约，我国也于1991年加入《蒙特利尔议定书》缔约国。1997年12月在日本京都由联合国气候变化框架公约参加国签订了《联合国气候变化框架公约的京都议定书》，这两项合约的签订正式标志着氟利昂类以及氢氟碳化物类制冷剂的淘汰提上了日程。

绿色制冰，二氧化碳出手了

旧制冷剂的淘汰就意味着新制冷剂的推出，但找到性能优良却对环境没有影响的制冷剂却异常困难。

我们都知道奥卡姆剃刀原则：如无必要，勿增实体，这句话对大自然也同样适用。因此，被淘汰许久的天然制冷剂又重新回到了人类视野之中。

经过了上百年的发展，人们在机械制造上早已与19世纪有了云泥之别。当初受限的设备问题已经可以被轻松解决，二氧化碳这一安全无毒的制冷剂，更是从无人问津一跃成为了当红明星。

通过种种现代制冷手段，人们已经可以制造出满足日常生活绝大多数需求的低温。随着人类在制冷行业的快速发展。各类制冰设备的推广使得人们不再需要花费巨大的代价便可以得到足够的冰雪场地。

1908年，第4届夏季奥运会上增加了花样滑冰项目，1924年，首届正式的冬季奥林匹克运动会在法国举办。2022年，首届完全实现“碳中和”的绿色冬季奥运会将在北京举办。除了可再生能源、材料的使用，现代绿色制冷技术的应用也是零碳排放冬奥会的关键，其中的代表之作便是国家速滑馆的二氧化碳跨临界直冷制冰技术应用，这是世界上首个采用该技术的大型冰雪运动场馆。

二氧化碳是怎么制冰的？

我们都知道，物质存在三种不同的相态：气相、液相以及固相。而超临界状态则是气液两相的分界线消失的一种特殊状态。当物质处于超临界状态时，它同时存在液体和气体的性质，也因此有许多独特的特性。

二氧化碳在不同温度、压力下的相态（图片来源维基百科）

超临界二氧化碳是超临界物质应用之中的佼佼者，它的临界温度只有31.3℃，临界压力（7.3MPa）和常温时的饱和气压（5.7MPa）相比也不高。所以，在设备允许的情况下，利用二氧化碳作为制冷剂的系统很容易跨过临界点来运行。超临界二氧化碳的传热能力十分优秀，并且密度高于其他制冷剂，这让跨临界二氧化碳制冷系统的体积可以更小，系统的效率也可以更高。

国家速滑馆正是使用了跨临界二氧化碳制冷机组。制冷循环大致分为以下步骤：

二氧化碳气体被吸入压缩机，经过机械压缩后跨越临界点成为了高温、高压的超临界流体；

高温二氧化碳流体被送入热回收器，流过被冷水包裹的管道，把冷水加热到50-70℃，这一部分水将被送往场馆用于生活用水、融冰池融冰以及冰面维护浇水，大幅度减少了电力消耗；

另一边，被逐级降温后的二氧化碳最终跌下临界温度成为液态，再通过节流阀膨胀后，其温度大幅度降低达到-20℃；液态低温二氧化碳经过液体循环泵被均匀输送到埋设在场馆冰面之下的蒸发盘管中，给冰面提供所需的低温。

蒸发后的二氧化碳再进入压缩机中进行下一次循环。

经过研究人员测算，国家速滑馆的二氧化碳制冰系统每年可以节省约180万度电量。

更快、更高、更强是奥运会一贯的宗旨，而科学家在技术上的一次次突破，也正是人类为了应对全球气候变化而不懈努力的缩影。

（文章原载于微信公众号“科学大院”，观察者网已获授权转载。）