零碳冬奥,黑科技解锁新招式

妙盈研究院2022-02-26
#零碳#碳中和#冬奥会

图源:新华网

象征着绿色低碳的氢气燃料火炬在冬日中熊熊燃烧。

除开竞赛本身,绿色冬奥无疑是本届冬奥会承办中最大的亮点之一。北京2022冬奥会实现了真正的“碳中和”赛事,这离不开100%使用可再生能源和利用碳汇实现碳抵消这两个主要手段。与此同时一系列低碳“黑科技”首次亮相在了奥运舞台,例如超低能耗建筑、二氧化碳跨临界直冷制冰、碲化镉(CdTe)发电玻璃。看到这些新名词是不是有点陌生,有点发懵?那下面就让小编带大家了解一下这些名词背后的技术,以及它们是如何承载了相关产业链的创新和成长。

一、超低能耗建筑

北京冬奥会在新建场馆中积极推进超低能耗示范工程。五棵松冰球训练馆、延庆冬奥村D6居住团组、北京冬奥村赛事医疗用房均采用了超低能耗建筑技术,示范面积分别为38400平方米、10731平方米和1140平方米。根据北京奥组委介绍,这些超低能耗建筑全面选择了跨领域的节能技术,例如外墙涂料、照明、能源和设备系统。这些技术保证其能耗水平明显低于传统建筑。

以五棵松冰球训练馆为例,运用到的创新性技术有:

  1. 低碳设计。场馆采用简洁大方的设计,有利于被动式建筑节点设计的同时,减小体形系数。通过建筑布局优化,合理设置建筑自然采光,通过透光幕墙、采光天窗、下沉广场等方式,有效改善地上地下主要功能房间的天然采光效果,节约照明能耗。
  2. 外立面被动保温节能。 建筑外立面设置冰凌格栅,减小辐射热。外墙采用高性能STP真空绝热板(导热系数小于0.006W/mK,常规的岩棉板为0.04W/mK)。大面积采用传热系数小于1.0W/(㎡K)的玻璃幕墙,玻璃采用Low-e三玻两腔中空中间充氩气的构造做法,型材通过断桥设计,严格隔绝冷热桥。
  3. 选用节能高效的暖通电气。空调冷源采用磁悬浮冷水机组,全空气空调机组和新风机组设置全热回收装置,输配系统采用高性能变频风机和水泵,照明采用LED灯具。
  4. 新型冰场除湿系统。冰场采用溶液除湿系统,与传统电动转轮除湿系统相比,节能率高达77.1%;
  5. 光伏建筑一体化(BIPV)。屋面安装了600kW光伏发电系统,未来能实现年供电约70万度,满足冰上中心的部分用电需求。

在小编看来,超低能耗建筑是由低碳设计驱动,节能性能突出的建材和电器为核心,并综合可再生能源的使用而最终达成。被动式超低能耗建筑的政策正趋于完善,在住宅、商用建筑等领域的应用将逐步由示范性项目转变成商业性项目。得益于此趋势,保温遮阳材料、高能效暖通电气等细分领域或能产生规模效应,促成产业链的良性循环。

二、二氧化碳跨临界直冷制冰

制冰机是人工冰场建设的关键核心,从历届冬奥会冰场制冰机来看,主要采用氟利昂等人工合成制冷剂技术或者氨制冷技术,前者具有严重的温室效应和破坏臭氧层风险、后者具有安全隐患。北京冬奥会首次大规模采用二氧化碳环保型制冷剂进行制冰,在“冰丝带”国家速滑馆、首都室内体育馆、短道速滑训练馆、五棵松冰球馆4个冰上运动场馆的5个冰面上进行了应用。

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二氧化碳作为制冷剂,它的臭氧消耗潜能值 (ODP)为 0,全球变暖潜能值 (GWP) 为 1。这代表它完全不会破坏臭氧层,温室气体排放影响也比较低。此外,二氧化碳制冷可以显著降低制冷系统的电力需求,节省20%—30%的电力。在制冷过程中产生的大量高品质余热也可得到回收再利用,产生70℃热水,用于生活用水和除湿再生等用途,大大降低场馆的供暖、防冻、除湿、浇冰成本。在“冰丝带”全冰面运营模式下,仅一个场馆一年就能够节省用电200万度,相当于约120万棵树实现的碳减排量。

以二氧化碳为制冷剂、冰面下直接蒸发的制冰机技术一直掌握在欧美国家企业手中。通过产学研协同攻关,天津大学和8家单位联合研发、设计和建造了具有自主知识产权的二氧化碳跨临界直冷制冰机组。

二氧化碳作为制冷剂还有一些别的应用场景。例如在大众最新推出的ID系列纯电动车上,选用了二氧化碳热泵空调系统,取代原有热敏电阻(PTC)供热。得益于其优良的环保性、安全性、流动换热性和低温制热效果,预计很快会有更多的车企导入 。

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三、碲化镉(CdTe)发电玻璃

在本届冬奥会中,国家速滑馆由22条“冰丝带”构成的独特曲面玻璃幕墙吸引了不少人的眼球。这些玻璃幕墙由1.2万块宝石蓝色的碲化镉(CdTe)发电玻璃拼接而成,不仅造型精美灵动,还能源源不断地产生出电能,在长达数十年的生命周期中为场馆持久输送电力。

普通的玻璃,在涂抹4微米厚的CdTe光电薄膜后(相当于头发丝的百分之一)就能实现“变身”,成为可发电的建筑材料,CdTe发电玻璃具有弱光性能好、抗衰减等特点,早晚都可以发电,即便在弱光条件下也可通过光电转化产生电能。冬奥项目的应用吸引了外界对CdTe技术的关注,实际上,这一技术的市场前景备受认可,是近年来“跨界”研究的热点领域。作为BIPV(光伏建筑一体化)的发电玻璃,尽管其价格要比常规的玻璃幕墙贵,但它发出的电经过一定的回收期,足以覆盖多出来的成本,在节能环保效益之外,还体现出经济效益,具有规模化应用的前景,可以广泛应用在城市CBD写字楼墙面、农村屋顶等场景。

全球能够量产CdTe薄膜太阳能电池的企业屈指可数,行业竞争格局十分清晰。据了解,目前全球能够实现大规模量产的企业仅有美国First Solar一家,能够稳定量产的有美国Toledo Solar和德国Calyxo两家。国内现在主要有三家企业能够实现量产CdTe薄膜太阳能电池,分别是成都中建材光电,龙焱能源和中山瑞科。

参考链接与图片来源:
Beijing 2022 sustainability – All you need to know - Olympic News: https://olympics.com/ioc/news/beijing-2022-sustainability-all-you-need-to-know
新华网:https://xinhuanet.com/
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华夏时报网:https://www.chinatimes.net.cn/
*封面:冬奥会会场 图/视觉中国