A. 什么是二氧化碳跨临界直冷制冰技术
国家速滑馆
（图片来源：北京日报）
在这次冰雪盛会里，“冰丝带”国家速滑馆一直以“高科技”的形象出现。可能很多人并不理解，不就是“结冰”吗？有啥稀奇？可是你知道么，“制冰”这件事里的科技含量并不少，人类真正实现“制冰自由”还是近一百多年的事，而实现“绿色制冰”也是一个曲折的过程。
我不生产冰，我只是大自然的搬运工
弗朗西斯·培根说过：我们可以通过火来得到热量，但对于冷，我们必须常常到洞穴中去寻找，即使万事俱备，我们也不能大规模地得到它。
早在先秦时代，古人便利用天然冰来降温、给食物保鲜和做冷饮。据《周礼》记载，当时周王室为保证夏天有冰块使用，专门成立了相应的机构管理“冰政”，负责人称“凌人”。每年大寒季节，古人就开始凿冰储藏，他们认为这时的冰块最坚硬，不易融化。管理藏冰事务的官吏监督奴隶、农民到水质好的地方凿采冰块，藏到预先准备好的冰窖里。冰窖都建在阴凉的地方，深入地下。用新鲜稻草跟芦席铺垫，把冰放到上面之后就覆盖稻糠、树叶等隔温材料，然后密封窖口，待来年享用。
总之，在古代炎热的夏日，没有冰箱、空调这些电器，人们想得到一点清凉往往都要付出巨大的代价，冰块是只有王公贵族才能享用的奢侈品，更不用谈大规模开展滑冰、滑雪这些娱乐项目了。
火药工匠与炼金术士，
居然首次制成了冰
大约到了唐朝末期/欧洲的中世纪，工匠和炼金术士们在生产火药时开采了大量硝石。他们偶然发现，硝石溶于水时会吸收大量的热，能使周围的水降温直至结冰。于是他们将水放入罐内，取一个更大的容器，在容器内放水，然后将罐子放在容器内，并不断地在容器中加入硝石，结果罐内的水结成了冰。
这个过程的原理是：硝石是一种白色味苦的晶体，化学名称叫硝酸钙，它溶解于水时会吸收大量热量，使周围温度降低以致结成冰。硝石溶于水后，可以用降温结晶法或蒸发结晶法将硝石再提出来重复使用。但提纯能制冰的硝石极其困难，制冰又要耗费大量人工，人类制冰的代价仍然十分高昂。
终于发现了能量与热量的秘密
1659年英国科学家罗伯特·波义耳把一只鸟放入了广口瓶中，紧接着用真空泵吸出瓶内的空气，不出所料，这只鸟很快就一命呜呼。但是，蹊跷之处在于这只鸟被冻僵了[1]。
油画：鸟在空气泵中的实验
（图片来源维基网络）[2]
当时的人并没有搞清楚这件事的原理，直到18世纪蒸汽机的发明，让人类意识到热量与能量是可以相互转化的，伴随着19世纪能量守恒定律的提出， 现代热力学的基础也由此奠定。人们逐渐接受了一项共识：给物质做功或用别的方式输入能量，它的内能会增加；当物质对外界做功或者输出能量，它的内能会降低。内能的涨落给一些物质带来最直观的变化就是温度的起伏，也就能利用这个原理来制冷、制冰了。
蒸汽机的原理
（图片来源Youtube）[3]
1834年,英国的雅可比·珀金斯试制成功用乙醚为工质的制冷机，采用人力转动，可以连续工作。1844年，美国的戈里医生利用空气为介质制造了一台给医院制造冰块与低温空气的制冷机。戈里的制冷机原理是：通过气体泵提高空气的压力，增压后同时又升温的空气经过冷却水，被冷却到与环境相当的温度又保持着此前的压力，此时再让高压空气膨胀， 这时空气的温度骤降，这些低温的空气可以拿来给水降温从而制造冰块，也可以给夏日的医院提供冷风。
随着戈里医生的制冷机原型得到推广，在随后的几十年里，各式各样的制冷机推陈出新，其中应用最为广泛的是根据液体蒸发吸热来制冷的蒸汽压缩式制冷机，根据所选择的制冷剂不同，可以分为下面的几种类型。
1. 采用氨的蒸汽压缩制冷机
这一类制冷机与空气介质制冷机相似却又不同。我们都知道，液体蒸发会带走大量的热，这一部分热量叫做相变的潜热，也就是远大于物质温度变化的显热。
蒸汽压缩制冷机正是利用了这一特性，首先将氨蒸汽通入到压缩机中升压，得到了高温、高压的氨蒸汽；再用室温的冷水或者冷风将它降温，带走它的热量，氨蒸汽就此被冷凝；冷凝后的液体氨还保持着很高的压力，这时将它通入膨胀阀中，和前面的空气制冷机类似，高压介质膨胀降温，我们就得到了低温的液体氨。制冷机中的低温液体继续向前流动到需要制冷的管路中，液体介质快速蒸发，从环境中吸收了大量的热量，便创造了人们需要的低温环境（比如冰场）。
这就是一直沿用至今的蒸汽压缩制冷循环，在19世纪的60年代，所有制冷的需求都可以用氨制冷循环来满足，但它存在着致命的缺点——氨易爆炸，且有毒。
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[4]。
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）[5]
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
（图片来源维基网络）
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[6]。
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。
参考文献：
[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]马一太,王派.2022年北京冬奥会国家速滑馆CO2制冷系统和国家雪车雪橇中心氨制冷系统的简介[J].制冷技术,2020,40(02):2-7.
作者单位：中国科学院理化技术研究所
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B. 制冷方案设计
空调方案设计首先要算热负荷，120平米只是控制面积，热负荷包括：设备、人活动的发热等，设备要把计算机、灯光及其他用电设备功率计算进去，单个静止的人体活动也有百瓦的功率
在求得热负荷后要计算冷量的效率，制冷的冷量不会全部都得到利用，因为通风、密闭等问题会有不少损失，而且损失的量都要靠制冷机补充，此外室外环境温度也是考量因素，特别是有通风时，环境热量也是热负荷之一
由此才能确定制冷功率，楼主的热负荷估计偏小了
主机运转肯定可以调节的，采用变频还是间歇起停都可以
热泵和地下水直冷是不同的原理，可以混用，但投资就有重复了，最好只选其一
C. 请问我想开设一家制冰厂,卖于海鲜保鲜.请问我要什么样的设备
直接一台直冷式制冰机搞定。如果需要存放冰,需要储冰库,放个几十吨、上百吨的。 直冷式块冰机比传统的盐水制冰机好处: 节能,效率高,
D. 如何手工制作简易制冷设备
自制冰箱、冰柜蒸发器和毛细管的速算方法
计算冰箱冷柜毛细管的公式
1 . 毛细管长度的试验方法
将工艺管打开，高压管连接压力表，毛细管的一端连接干燥过滤器，另一端暂不焊接，启动压缩机，如果压力表的压力稳定在0.98-----1.177Mpa左右，可以认为合适，压力过高就要割断一小段，压力过小时就加一小段，反复试验直到合适为止，然后将毛细管和蒸发器连接好。再抽真空、充注制冷剂。
2. 工厂大部分采用测试的方法来判定毛细管的长短，需要的设备有：高压瓶、流量计、液压测量和气压测量等条件，而在维修当中由于条件的制约，就有些困难; 下面介绍一种方便的测量方法：
在需要更换毛细管的冰箱的冷凝器输出端换一个双尾干燥过滤器，焊接好冷凝器的接头和工艺管（工艺管选择直径5毫米的铜管和三通压力表架，在选择一条基本上与原毛细管差不多直径的毛细管，长度在可根据压缩机的功率估计，一般在2.0米-2.8米之间，一端焊接到干燥过滤器的输出端，插入深度一般在0.5~1厘米左右不能太深，过深会触到干燥过滤器的过滤网上造成堵塞，也不能过短，太短会使赃物堵住毛细管的口径，焊接无误后，切开压缩机的工艺口，开启压缩机观查接在干燥过滤器上的压力表的压力，根据所用的制冷剂的不同选择压力的大小，如压力过高可截短一些毛细管，反之要加长，当基本上符合下面提供的压力范围内即可。下面提供不同的制冷剂的压力范围： R12 11.5~12.5KG/CM2 R134 10.5~11.5KG/CM2 R22 15.5~18KG/CM2 R600 9.6~10.5KG.CM2
在实际维修当中不断的测试及可得出标准的长度可供以后无需测试及可知道长度，但是必须和测试的毛细管的直径一致
3 . 自制冰箱、冰柜蒸发器和毛细管的速算方法！！！
在维修制冷设备时，如遇到冰箱、冰柜的蒸发器出现内漏时，一般可以不用拆动原蒸发器的盘管，在内包装皮的基础上可认重新盘管。然而计算所用铜管的长度，会使许多维修员感到头痛。下面介绍一种速算方法给大家，供参考。 一、 速算方法
1．电冰箱蒸发器新管长度计算公式 管子总长度=冷冻室长度+冷藏室长度 冷冻室长度=1/3总容积（升）×0.148米/升 冷藏室长度=2/3总容积（升）×0.03米/升 2．电冰柜蒸发器新管长度计算公式 铜管总长度=1/3总容积×0.148米/升+2/3总容积×0.03米/升
注意：公式中介绍的铜管长度的计算方法，适合于直径为∮6mm和∮8mm的紫铜管 4.
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电冰箱要求压缩比达到1:10，才能使制冷系统达到设计规范。
电冰箱的压缩机是高压压缩机，本身的压缩比远远满足要求，所以1:10的压缩比就要有节流毛细管来控制了，毛细管加长可以增加压缩比，毛细管减短可以降低压缩比。
以制冷系统的低压压力0.06MPa为基准，则其绝对压力为0.16MPa，由于压缩比为1：10，所以高压压力是低压压力的10倍，则高压压力为1.6MPa，用压力表读数为1.5MPa。
实际调试毛细管的时候，是将压缩机的低压端开口放置在大气中，大气压力在表上的读数为0，实际的压力为0.1MPa。
在压缩机高压端接压力表和毛细管，由于毛细管的阻流产生了高压压力读数，高压压力也应该是低压压力的10倍，所以高压压力的只是1MPa，读数为0.9MPa。
其实一台好的电冰箱其压缩比可以达到1:12的，因此调试毛细管的长度高压读数为1.1MPa也是可以的。因此毛细管的长度可以有一定的伸缩性的，不一定就是标准要多少的。
一般用电冰箱专用毛细管3m进行调试，观察压力表适当剪短毛细管即可。使用年限长的冷柜制冷效果差
维修时排放制冷剂，感觉制冷剂量并未减少，经打压检漏并未发现系统泄漏。怀疑压缩机排气效率降低，但更换压缩机无效。产生此故障的原因是压机使用年限时间长，压机线圈绝缘漆与压机油和制冷剂发生共溶，在毛细管内壁“结蜡”，减小毛细管内径，造成制冷剂流量减弱，机器出现制冷差。经冲洗无效后，可剪短毛细管0.4M左右，故障即可排除筑龙网拉来的：毛细管 毛细管节流的特点
毛细管是一根有规定长度的小孔径管子，它没有运动部件，在制冷系统中可产生预定的压力降，一般用作电冰箱、空调机和小型冷库的节流元件。 毛细管依*其流动阻力沿长度方向产生压力降，来控制制冷剂的流量和维持冷凝器和蒸发器的压差。当有一定过冷度的制冷剂进入毛细管后，会沿着流动方向产生压力和状态变化，先是过冷液体随压力的逐步降低，先变为相应压力下的饱和液体，这一段称液相段，其压力降不大，且呈线性变化；从出现第一个气泡开始至毛细管末端，均为气液共存段，也称两相流动段，该段内饱和蒸汽含量沿流动方向逐渐增加，因此压力降呈非线性变化，愈到毛细管的末端，其单位长度上的压力降愈大。当压力降低至相应温度下的饱和压力时，就要产生闪发现象，使液体自身蒸发降温，也就是随着压力的降低，制冷剂的温度也相应降低，既降低至相应压力下的饱和温度。
毛细管作节流装置的特点
毛细管由紫铜管拉制而成，结构简单，造成方便，价格低廉。
没有运动部件，本身不易产生故障和泄漏。
具有自动补偿的特点，既制冷剂在一定压差（△P=PK-PO）下，流经毛细管时的流量稳定
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的，当制冷负荷变化，冷凝压力PK增大或蒸发压力PO降低时，△P值增大，制冷剂在毛细管内流量也相应增大，以适应制冷负荷变化对流量的要求，但这种补偿的能力较小。
制冷压缩机停止运转后，制冷系统内的高压侧压力和低压侧压力可迅速得到平衡，再次起动运转时，制冷压缩机的电动机起动负荷较小，故不必使用起动转矩大的电动机，这一点对半封闭和全封闭式制冷压缩机尤其重要。
毛细管的选择方法
毛细管的内径和长度必须经选择，但毛细管的理论计算比较复杂，计算结构误差也很大，所以一般均在选定内径之后，再来决定长度，在规定的条件下根据试验结果来决定毛细管尺寸。
氮气测定法和液体测量法：测量方法是在毛细管连接在入口压力为表压980KPa的容器上，环境温度保持不变，测量毛细管每分钟的液体流量值。
在制冷系统上直接测定毛细管流量：在制冷系统排气管上连接一个压力计。吸气口与表压力为零的干燥空气或氮气源相接。开启压缩机后，制冷系统压力（电冰箱）最好达到1200--1300KPa（蒸发温度为-15℃至-18℃），如果希望改变蒸发器压力，只需要加长或减短毛细管的长度就可以实现了。这种方法操作简单，精度不高，可在维修时使用。
空调机和冷饮机一类的制冷系统一般使用“空调工况”，毛细管较粗，阻力小，用此方法测定毛细管的空气流量值，表压力可达到540--590KPa。
最基本的方法是按原毛细管的长度和内径尺寸更换新的就OK了。
毛细管流量液体测定法 毛细管流量气体测定法 膨胀阀
膨胀阀的种类
手动膨胀阀：是最简单的节流阀，它试用于制冷系统手动控制的场合。它实际是一种带有细牙螺纹调节的针阀，手动调节阀的开启度。当压缩机停机后，必须关闭手动膨胀阀，切断液体通路。
自动膨胀阀：是依*作用在膜片（或波纹管）上相应的吸气压力来控制液体流量的一种自动阀，当阀开启时，制冷剂液体进入蒸发器，引起蒸发器压力的升高，同时会导致膨胀阀的关小。当压缩机抽吸蒸发器中的蒸气时，压力降低，这种趋势会促使膨胀阀开打，这样它能自动调节阀的开启度。制冷系统运行时，阀永远不会全关。当压缩机开动时，针阀立即开大；当压缩机停止时，蒸发器中的压力可使膨胀阀全关。
热力膨胀阀：是一种改进型的自动膨胀阀，广泛用于制冷和空调设备上，膜片或波纹管上部的压力来自远距离感温包压力的响应。感温包内充有与制冷系统相似的工质，感温包柞缚在蒸发器出口附近的吸气管上，用毛细管与膨胀阀膜片（或波纹管）腔室相连。制冷系统运行时，热力膨胀阀的感温包对吸气管上所在点的吸气热度起响应，自动调节阀的开
度，使蒸发温度得自动调节。
E. 怎么自己制作个会自己制冷的小空调，需要什么材料（像空调扇工作原理的路过就算了）
1，目前制冷有主要是压缩式制冷，即通过压缩机压缩制冷剂做工，进行制冷剂相位的变化制出冷量。
如果采取此种方法需要购买压缩机，铜管，两块换热器，接头等等，个人认为，通过个人是不太容易实现的。
2，非压缩式制冷，这是属于空调行业类比较前瞻性的东西，目前推向市场的基本上没有，海尔好像推出一款概念机型。主要有半导体制冷，当然半导体制冷在酒柜领域已经运用较为广泛，但在空调方面却只是未来产品。
如果打算采取此方法制冷，需采购半导体片，散热片，小风机之类，控制电路也需要设计。个人认为，通过个人也是很难实现。
3，就是类似空调扇式，风吹雾化或者液态水，使水能够蒸发，吸收热量，达到降温目的。此种个人觉得是可以通过个人努力实现的。
需要一个风扇，回风侧的水供给可以通过小水泵，或者雾化器提供。
或者回风侧添加一个有一定厚度的瓦楞纸，小水泵将水泵到瓦楞纸上，淋下去，下面有个接水盘，水可以循环利用。当然瓦楞纸厚度可能影响到风机回风，对风机大小也是有要求，需要进行匹配。
大概总结了下，希望可以帮助到您。