A. 什麼是二氧化碳跨臨界直冷製冰技術
國家速滑館
（圖片來源：北京日報）
在這次冰雪盛會里，「冰絲帶」國家速滑館一直以「高科技」的形象出現。可能很多人並不理解，不就是「結冰」嗎？有啥稀奇？可是你知道么，「製冰」這件事里的科技含量並不少，人類真正實現「製冰自由」還是近一百多年的事，而實現「綠色製冰」也是一個曲折的過程。
我不生產冰，我只是大自然的搬運工
弗朗西斯·培根說過：我們可以通過火來得到熱量，但對於冷，我們必須常常到洞穴中去尋找，即使萬事俱備，我們也不能大規模地得到它。
早在先秦時代，古人便利用天然冰來降溫、給食物保鮮和做冷飲。據《周禮》記載，當時周王室為保證夏天有冰塊使用，專門成立了相應的機構管理「冰政」，負責人稱「凌人」。每年大寒季節，古人就開始鑿冰儲藏，他們認為這時的冰塊最堅硬，不易融化。管理藏冰事務的官吏監督奴隸、農民到水質好的地方鑿采冰塊，藏到預先准備好的冰窖里。冰窖都建在陰涼的地方，深入地下。用新鮮稻草跟蘆席鋪墊，把冰放到上面之後就覆蓋稻糠、樹葉等隔溫材料，然後密封窖口，待來年享用。
總之，在古代炎熱的夏日，沒有冰箱、空調這些電器，人們想得到一點清涼往往都要付出巨大的代價，冰塊是只有王公貴族才能享用的奢侈品，更不用談大規模開展滑冰、滑雪這些娛樂項目了。
火葯工匠與煉金術士，
居然首次製成了冰
大約到了唐朝末期/歐洲的中世紀，工匠和煉金術士們在生產火葯時開采了大量硝石。他們偶然發現，硝石溶於水時會吸收大量的熱，能使周圍的水降溫直至結冰。於是他們將水放入罐內，取一個更大的容器，在容器內放水，然後將罐子放在容器內，並不斷地在容器中加入硝石，結果罐內的水結成了冰。
這個過程的原理是：硝石是一種白色味苦的晶體，化學名稱叫硝酸鈣，它溶解於水時會吸收大量熱量，使周圍溫度降低以致結成冰。硝石溶於水後，可以用降溫結晶法或蒸發結晶法將硝石再提出來重復使用。但提純能製冰的硝石極其困難，製冰又要耗費大量人工，人類製冰的代價仍然十分高昂。
終於發現了能量與熱量的秘密
1659年英國科學家羅伯特·波義耳把一隻鳥放入了廣口瓶中，緊接著用真空泵吸出瓶內的空氣，不出所料，這只鳥很快就一命嗚呼。但是，蹊蹺之處在於這只鳥被凍僵了[1]。
油畫：鳥在空氣泵中的實驗
（圖片來源維基網路）[2]
當時的人並沒有搞清楚這件事的原理，直到18世紀蒸汽機的發明，讓人類意識到熱量與能量是可以相互轉化的，伴隨著19世紀能量守恆定律的提出， 現代熱力學的基礎也由此奠定。人們逐漸接受了一項共識：給物質做功或用別的方式輸入能量，它的內能會增加；當物質對外界做功或者輸出能量，它的內能會降低。內能的漲落給一些物質帶來最直觀的變化就是溫度的起伏，也就能利用這個原理來製冷、製冰了。
蒸汽機的原理
（圖片來源Youtube）[3]
1834年,英國的雅可比·珀金斯試製成功用乙醚為工質的製冷機，採用人力轉動，可以連續工作。1844年，美國的戈里醫生利用空氣為介質製造了一台給醫院製造冰塊與低溫空氣的製冷機。戈里的製冷機原理是：通過氣體泵提高空氣的壓力，增壓後同時又升溫的空氣經過冷卻水，被冷卻到與環境相當的溫度又保持著此前的壓力，此時再讓高壓空氣膨脹， 這時空氣的溫度驟降，這些低溫的空氣可以拿來給水降溫從而製造冰塊，也可以給夏日的醫院提供冷風。
隨著戈里醫生的製冷機原型得到推廣，在隨後的幾十年裡，各式各樣的製冷機推陳出新，其中應用最為廣泛的是根據液體蒸發吸熱來製冷的蒸汽壓縮式製冷機，根據所選擇的製冷劑不同，可以分為下面的幾種類型。
1. 採用氨的蒸汽壓縮製冷機
這一類製冷機與空氣介質製冷機相似卻又不同。我們都知道，液體蒸發會帶走大量的熱，這一部分熱量叫做相變的潛熱，也就是遠大於物質溫度變化的顯熱。
蒸汽壓縮製冷機正是利用了這一特性，首先將氨蒸汽通入到壓縮機中升壓，得到了高溫、高壓的氨蒸汽；再用室溫的冷水或者冷風將它降溫，帶走它的熱量，氨蒸汽就此被冷凝；冷凝後的液體氨還保持著很高的壓力，這時將它通入膨脹閥中，和前面的空氣製冷機類似，高壓介質膨脹降溫，我們就得到了低溫的液體氨。製冷機中的低溫液體繼續向前流動到需要製冷的管路中，液體介質快速蒸發，從環境中吸收了大量的熱量，便創造了人們需要的低溫環境（比如冰場）。
這就是一直沿用至今的蒸汽壓縮製冷循環，在19世紀的60年代，所有製冷的需求都可以用氨製冷循環來滿足，但它存在著致命的缺點——氨易爆炸，且有毒。
2. 採用二氧化碳的製冷機
隨著氨製冷機的意外頻頻發生，19世紀的科學家和工程師們將目光轉向了二氧化碳，它無毒無害，不會爆炸，極易制備。即使設備出現泄露，也完全不用擔心，直接把它排入空氣就好。
1869年，美國人洛威以二氧化碳作為製冷劑製造了一台製冰機，由此拉開了二氧化碳製冰之路的帷幕。不過由於二氧化碳製冷設備的運行壓力高出氨製冷系統幾倍，它始終沒能把氨系統給淘汰。隨後的幾十年裡，在製冰行業里二氧化碳和氨系統平分秋色[4]。
3. 採用氟利昂等人工合成製冷劑的製冷機
在20世紀，合成化工高速發展給各行各業都帶來了影響，二氧化碳、氨這些天然製冷劑逐漸被以氟利昂為代表的氯氟烴以及氫氟碳化物所代替。這一類人工合成製冷劑有著很好的製冷性能，並且沒有二氧化碳的高壓困擾以及氨氣的毒性，也因此在開發伊始便被迅速推廣。
但這類化合物對環境卻不太友好，氟利昂等氯氟烴類製冷劑在紫外線的照射下會與臭氧分子快速反應，地球臭氧層被極大破壞，局部地區例如南極上空甚至出現了巨大的臭氧層空洞；用以替代氟利昂類製冷劑的氫氟碳化物製冷劑則是很難在大氣中分解，這一類物質停留在大氣中，會嚴重阻礙地球向外的散熱，直接促進全球變暖的進程，這類物質對全球變暖的貢獻值甚至達到了二氧化碳的成百上千倍。
南極上空的臭氧層空洞
（圖片來源NASA）[5]
聯合國為了避免工業產品中的氟氯碳化物對地球臭氧層繼續造成惡化及損害，於1987年9月16日邀請所屬26個會員國在加拿大蒙特利爾所簽署的環境保護公約，我國也於1991年加入《蒙特利爾議定書》締約國。1997年12月在日本京都由聯合國氣候變化框架公約參加國簽訂了《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》，這兩項合約的簽訂正式標志著氟利昂類以及氫氟碳化物類製冷劑的淘汰提上了日程。
綠色製冰，二氧化碳出手了
舊製冷劑的淘汰就意味著新製冷劑的推出，但找到性能優良卻對環境沒有影響的製冷劑卻異常困難。我們都知道奧卡姆剃刀原則：如無必要，勿增實體，這句話對大自然也同樣適用。因此，被淘汰許久的天然製冷劑又重新回到了人類視野之中。經過了上百年的發展，人們在機械製造上早已與19世紀有了雲泥之別。當初受限的設備問題已經可以被輕松解決，二氧化碳這一安全無毒的製冷劑，更是從無人問津一躍成為了當紅明星。
通過種種現代製冷手段，人們已經可以製造出滿足日常生活絕大多數需求的低溫。隨著人類在製冷行業的快速發展。各類製冰設備的推廣使得人們不再需要花費巨大的代價便可以得到足夠的冰雪場地。
1908年，第4屆夏季奧運會上增加了花樣滑冰項目，1924年，首屆正式的冬季奧林匹克運動會在法國舉辦。2022年，首屆完全實現「碳中和」的綠色冬季奧運會將在北京舉辦。除了可再生能源、材料的使用，現代綠色製冷技術的應用也是零碳排放冬奧會的關鍵，其中的代表之作便是國家速滑館的二氧化碳跨臨界直冷製冰技術應用，這是世界上首個採用該技術的大型冰雪運動場館。
二氧化碳是怎麼製冰的？
我們都知道，物質存在三種不同的相態：氣相、液相以及固相。而超臨界狀態則是氣液兩相的分界線消失的一種特殊狀態。當物質處於超臨界狀態時，它同時存在液體和氣體的性質，也因此有許多獨特的特性。
二氧化碳在不同溫度、壓力下的相態
（圖片來源維基網路）
超臨界二氧化碳是超臨界物質應用之中的佼佼者，它的臨界溫度只有31.3℃，臨界壓力（7.3MPa）和常溫時的飽和氣壓(5.7MPa)相比也不高。所以，在設備允許的情況下，利用二氧化碳作為製冷劑的系統很容易跨過臨界點來運行。超臨界二氧化碳的傳熱能力十分優秀，並且密度高於其他製冷劑，這讓跨臨界二氧化碳製冷系統的體積可以更小，系統的效率也可以更高。
國家速滑館正是使用了跨臨界二氧化碳製冷機組。製冷循環大致分為以下步驟：
二氧化碳氣體被吸入壓縮機，經過機械壓縮後跨越臨界點成為了高溫、高壓的超臨界流體；
高溫二氧化碳流體被送入熱回收器，流過被冷水包裹的管道，把冷水加熱到50-70℃，這一部分水將被送往場館用於生活用水、融冰池融冰以及冰面維護澆水，大幅度減少了電力消耗；
另一邊，被逐級降溫後的二氧化碳最終跌下臨界溫度成為液態，再通過節流閥膨脹後，其溫度大幅度降低達到-20℃；液態低溫二氧化碳經過液體循環泵被均勻輸送到埋設在場館冰面之下的蒸發盤管中，給冰面提供所需的低溫。
蒸發後的二氧化碳再進入壓縮機中進行下一次循環。
經過研究人員測算，國家速滑館的二氧化碳製冰系統每年可以節省約180萬度電量[6]。
更快、更高、更強是奧運會一貫的宗旨，而科學家在技術上的一次次突破，也正是人類為了應對全球氣候變化而不懈努力的縮影。
參考文獻：
[1] Boyle, Robert (2003) [1744]. Works of the Honorable Robert Boyle. Kessinger Publishing. p. 740. ISBN 0-7661-6865-4.
[2] Joseph Wright of Derby，An Experiment on a Bird in the Air Pump，1768
[3]Steam Engine - How Does It Work - YouTube
[4]AUSTIN B T, SUMATHY K. Transcritical carbon dioxide heat pump systems: A review [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(8): 4013-29.
[5]ozonewatch.gsfc.nasa.gov
[6]馬一太,王派.2022年北京冬奧會國家速滑館CO2製冷系統和國家雪車雪橇中心氨製冷系統的簡介[J].製冷技術,2020,40(02):2-7.
作者單位：中國科學院理化技術研究所
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B. 製冷方案設計
空調方案設計首先要算熱負荷，120平米只是控制面積，熱負荷包括：設備、人活動的發熱等，設備要把計算機、燈光及其他用電設備功率計算進去，單個靜止的人體活動也有百瓦的功率
在求得熱負荷後要計算冷量的效率，製冷的冷量不會全部都得到利用，因為通風、密閉等問題會有不少損失，而且損失的量都要靠製冷機補充，此外室外環境溫度也是考量因素，特別是有通風時，環境熱量也是熱負荷之一
由此才能確定製冷功率，樓主的熱負荷估計偏小了
主機運轉肯定可以調節的，採用變頻還是間歇起停都可以
熱泵和地下水直冷是不同的原理，可以混用，但投資就有重復了，最好只選其一
C. 請問我想開設一家製冰廠,賣於海鮮保鮮.請問我要什麼樣的設備
直接一台直冷式製冰機搞定。如果需要存放冰,需要儲冰庫,放個幾十噸、上百噸的。 直冷式塊冰機比傳統的鹽水製冰機好處: 節能,效率高,
D. 如何手工製作簡易製冷設備
自製冰箱、冰櫃蒸發器和毛細管的速算方法
計算冰箱冷櫃毛細管的公式
1 . 毛細管長度的試驗方法
將工藝管打開，高壓管連接壓力表，毛細管的一端連接乾燥過濾器，另一端暫不焊接，啟動壓縮機，如果壓力表的壓力穩定在0.98-----1.177Mpa左右，可以認為合適，壓力過高就要割斷一小段，壓力過小時就加一小段，反復試驗直到合適為止，然後將毛細管和蒸發器連接好。再抽真空、充注製冷劑。
2. 工廠大部分採用測試的方法來判定毛細管的長短，需要的設備有：高壓瓶、流量計、液壓測量和氣壓測量等條件，而在維修當中由於條件的制約，就有些困難; 下面介紹一種方便的測量方法：
在需要更換毛細管的冰箱的冷凝器輸出端換一個雙尾乾燥過濾器，焊接好冷凝器的接頭和工藝管（工藝管選擇直徑5毫米的銅管和三通壓力表架，在選擇一條基本上與原毛細管差不多直徑的毛細管，長度在可根據壓縮機的功率估計，一般在2.0米-2.8米之間，一端焊接到乾燥過濾器的輸出端，插入深度一般在0.5~1厘米左右不能太深，過深會觸到乾燥過濾器的過濾網上造成堵塞，也不能過短，太短會使贓物堵住毛細管的口徑，焊接無誤後，切開壓縮機的工藝口，開啟壓縮機觀查接在乾燥過濾器上的壓力表的壓力，根據所用的製冷劑的不同選擇壓力的大小，如壓力過高可截短一些毛細管，反之要加長，當基本上符合下面提供的壓力范圍內即可。下面提供不同的製冷劑的壓力范圍： R12 11.5~12.5KG/CM2 R134 10.5~11.5KG/CM2 R22 15.5~18KG/CM2 R600 9.6~10.5KG.CM2
在實際維修當中不斷的測試及可得出標準的長度可供以後無需測試及可知道長度，但是必須和測試的毛細管的直徑一致
3 . 自製冰箱、冰櫃蒸發器和毛細管的速算方法！！！
在維修製冷設備時，如遇到冰箱、冰櫃的蒸發器出現內漏時，一般可以不用拆動原蒸發器的盤管，在內包裝皮的基礎上可認重新盤管。然而計算所用銅管的長度，會使許多維修員感到頭痛。下面介紹一種速算方法給大家，供參考。 一、 速算方法
1．電冰箱蒸發器新管長度計算公式 管子總長度=冷凍室長度+冷藏室長度 冷凍室長度=1/3總容積（升）×0.148米/升 冷藏室長度=2/3總容積（升）×0.03米/升 2．電冰櫃蒸發器新管長度計算公式 銅管總長度=1/3總容積×0.148米/升+2/3總容積×0.03米/升
注意：公式中介紹的銅管長度的計算方法，適合於直徑為∮6mm和∮8mm的紫銅管 4.
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電冰箱要求壓縮比達到1:10，才能使製冷系統達到設計規范。
電冰箱的壓縮機是高壓壓縮機，本身的壓縮比遠遠滿足要求，所以1:10的壓縮比就要有節流毛細管來控制了，毛細管加長可以增加壓縮比，毛細管減短可以降低壓縮比。
以製冷系統的低壓壓力0.06MPa為基準，則其絕對壓力為0.16MPa，由於壓縮比為1：10，所以高壓壓力是低壓壓力的10倍，則高壓壓力為1.6MPa，用壓力表讀數為1.5MPa。
實際調試毛細管的時候，是將壓縮機的低壓端開口放置在大氣中，大氣壓力在表上的讀數為0，實際的壓力為0.1MPa。
在壓縮機高壓端接壓力表和毛細管，由於毛細管的阻流產生了高壓壓力讀數，高壓壓力也應該是低壓壓力的10倍，所以高壓壓力的只是1MPa，讀數為0.9MPa。
其實一台好的電冰箱其壓縮比可以達到1:12的，因此調試毛細管的長度高壓讀數為1.1MPa也是可以的。因此毛細管的長度可以有一定的伸縮性的，不一定就是標准要多少的。
一般用電冰箱專用毛細管3m進行調試，觀察壓力表適當剪短毛細管即可。使用年限長的冷櫃製冷效果差
維修時排放製冷劑，感覺製冷劑量並未減少，經打壓檢漏並未發現系統泄漏。懷疑壓縮機排氣效率降低，但更換壓縮機無效。產生此故障的原因是壓機使用年限時間長，壓機線圈絕緣漆與壓機油和製冷劑發生共溶，在毛細管內壁「結蠟」，減小毛細管內徑，造成製冷劑流量減弱，機器出現製冷差。經沖洗無效後，可剪短毛細管0.4M左右，故障即可排除築龍網拉來的：毛細管 毛細管節流的特點
毛細管是一根有規定長度的小孔徑管子，它沒有運動部件，在製冷系統中可產生預定的壓力降，一般用作電冰箱、空調機和小型冷庫的節流元件。 毛細管依*其流動阻力沿長度方向產生壓力降，來控制製冷劑的流量和維持冷凝器和蒸發器的壓差。當有一定過冷度的製冷劑進入毛細管後，會沿著流動方向產生壓力和狀態變化，先是過冷液體隨壓力的逐步降低，先變為相應壓力下的飽和液體，這一段稱液相段，其壓力降不大，且呈線性變化；從出現第一個氣泡開始至毛細管末端，均為氣液共存段，也稱兩相流動段，該段內飽和蒸汽含量沿流動方向逐漸增加，因此壓力降呈非線性變化，愈到毛細管的末端，其單位長度上的壓力降愈大。當壓力降低至相應溫度下的飽和壓力時，就要產生閃發現象，使液體自身蒸發降溫，也就是隨著壓力的降低，製冷劑的溫度也相應降低，既降低至相應壓力下的飽和溫度。
毛細管作節流裝置的特點
毛細管由紫銅管拉制而成，結構簡單，造成方便，價格低廉。
沒有運動部件，本身不易產生故障和泄漏。
具有自動補償的特點，既製冷劑在一定壓差（△P=PK-PO）下，流經毛細管時的流量穩定
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的，當製冷負荷變化，冷凝壓力PK增大或蒸發壓力PO降低時，△P值增大，製冷劑在毛細管內流量也相應增大，以適應製冷負荷變化對流量的要求，但這種補償的能力較小。
製冷壓縮機停止運轉後，製冷系統內的高壓側壓力和低壓側壓力可迅速得到平衡，再次起動運轉時，製冷壓縮機的電動機起動負荷較小，故不必使用起動轉矩大的電動機，這一點對半封閉和全封閉式製冷壓縮機尤其重要。
毛細管的選擇方法
毛細管的內徑和長度必須經選擇，但毛細管的理論計算比較復雜，計算結構誤差也很大，所以一般均在選定內徑之後，再來決定長度，在規定的條件下根據試驗結果來決定毛細管尺寸。
氮氣測定法和液體測量法：測量方法是在毛細管連接在入口壓力為表壓980KPa的容器上，環境溫度保持不變，測量毛細管每分鍾的液體流量值。
在製冷系統上直接測定毛細管流量：在製冷系統排氣管上連接一個壓力計。吸氣口與表壓力為零的乾燥空氣或氮氣源相接。開啟壓縮機後，製冷系統壓力（電冰箱）最好達到1200--1300KPa（蒸發溫度為-15℃至-18℃），如果希望改變蒸發器壓力，只需要加長或減短毛細管的長度就可以實現了。這種方法操作簡單，精度不高，可在維修時使用。
空調機和冷飲機一類的製冷系統一般使用「空調工況」，毛細管較粗，阻力小，用此方法測定毛細管的空氣流量值，表壓力可達到540--590KPa。
最基本的方法是按原毛細管的長度和內徑尺寸更換新的就OK了。
毛細管流量液體測定法 毛細管流量氣體測定法 膨脹閥
膨脹閥的種類
手動膨脹閥：是最簡單的節流閥，它試用於製冷系統手動控制的場合。它實際是一種帶有細牙螺紋調節的針閥，手動調節閥的開啟度。當壓縮機停機後，必須關閉手動膨脹閥，切斷液體通路。
自動膨脹閥：是依*作用在膜片（或波紋管）上相應的吸氣壓力來控制液體流量的一種自動閥，當閥開啟時，製冷劑液體進入蒸發器，引起蒸發器壓力的升高，同時會導致膨脹閥的關小。當壓縮機抽吸蒸發器中的蒸氣時，壓力降低，這種趨勢會促使膨脹閥開打，這樣它能自動調節閥的開啟度。製冷系統運行時，閥永遠不會全關。當壓縮機開動時，針閥立即開大；當壓縮機停止時，蒸發器中的壓力可使膨脹閥全關。
熱力膨脹閥：是一種改進型的自動膨脹閥，廣泛用於製冷和空調設備上，膜片或波紋管上部的壓力來自遠距離感溫包壓力的響應。感溫包內充有與製冷系統相似的工質，感溫包柞縛在蒸發器出口附近的吸氣管上，用毛細管與膨脹閥膜片（或波紋管）腔室相連。製冷系統運行時，熱力膨脹閥的感溫包對吸氣管上所在點的吸氣熱度起響應，自動調節閥的開
度，使蒸發溫度得自動調節。
E. 怎麼自己製作個會自己製冷的小空調，需要什麼材料（像空調扇工作原理的路過就算了）
1，目前製冷有主要是壓縮式製冷，即通過壓縮機壓縮製冷劑做工，進行製冷劑相位的變化制出冷量。
如果採取此種方法需要購買壓縮機，銅管，兩塊換熱器，接頭等等，個人認為，通過個人是不太容易實現的。
2，非壓縮式製冷，這是屬於空調行業類比較前瞻性的東西，目前推向市場的基本上沒有，海爾好像推出一款概念機型。主要有半導體製冷，當然半導體製冷在酒櫃領域已經運用較為廣泛，但在空調方面卻只是未來產品。
如果打算採取此方法製冷，需采購半導體片，散熱片，小風機之類，控制電路也需要設計。個人認為，通過個人也是很難實現。
3，就是類似空調扇式，風吹霧化或者液態水，使水能夠蒸發，吸收熱量，達到降溫目的。此種個人覺得是可以通過個人努力實現的。
需要一個風扇，回風側的水供給可以通過小水泵，或者霧化器提供。
或者回風側添加一個有一定厚度的瓦楞紙，小水泵將水泵到瓦楞紙上，淋下去，下面有個接水盤，水可以循環利用。當然瓦楞紙厚度可能影響到風機回風，對風機大小也是有要求，需要進行匹配。
大概總結了下，希望可以幫助到您。