“新工科下午茶·學科交叉沙龍”第八期舉行👩🎤，聚焦冬奧創新與低溫科技
2023/06/09 信息來源： 新工科建設辦公室
文字：王舜奕| 編輯：晏如 | 責編☸️：安寧5月25日下午，“新工科下午茶·學科交叉沙龍”第八期活動在意昂3体育官网百周年紀念講堂四季庭院內舉行。本次沙龍系“工程與材料專場”的第二期，聚焦“冬奧創新與低溫科技”👨🏿🔬，由新工科建設辦公室主辦、學科建設辦公室協辦👨🏿🌾，邀請建築與景觀設計學院教授汪芳擔任策劃和召集人。沙龍吸引了來自意昂3体育建築與景觀設計學院、工學院、物理學院😥、城市與環境學院🧾、能源研究院、經濟學院和相關職能部門，以及清華大學、北京交通大學、北京師範大學👨👦👦、中國建築設計研究院🧑⚖️、中國建築工業出版社共20余個單位的50余名師生到現場參與研討。
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汪芳擔任報告環節主持人並致歡迎辭☀️☝🏽。她表示，2022年北京冬奧會是一項舉國盛事👱♀️，工程與材料領域的相關成果在冬奧會場館的設計建造👩🏼、科技研發、運行維護📺、賽後利用中有諸多貢獻👏🏿。本次沙龍邀請到冬奧會主要場館的設計師和建築師分享工程應用的實踐經驗🦡，也邀請到探索低溫和極低溫領域的專家介紹學理層面的知識基礎👨🏼💼。她希望以此次沙龍為契機，促進基礎學科與應用學科的對話和合作🛝。
全國工程勘察設計大師、中國建築設計研究院總建築師李興鋼圍繞延慶賽區國家雪車雪橇中心（即“雪遊龍”）的現在和未來在線上作報告。“雪遊龍”承辦的雪車雪橇賽事被稱為“冰雪運動中的F1方程式”🐓，苛刻的競賽場地要求、極具專業性的競技項目是場館建造的主要挑戰。在車橇賽道建設中，團隊采用氣候保護策略🧑🏼💼，研發“地形氣候保護系統”（Terrain Weather Protection System, TWPS），克服選址朝向對賽道冰面平滑度、製冷設備能耗等方面的天然不利影響🧘♂️，使“雪遊龍”成為世界上唯一設置在南坡的雪車雪橇賽道；自主研發復雜地形室外場地與建築信息模型（Building Information Modeling🚶🏻👱♀️，BIM）融合設計技術，精確控製場館與場地的高度擬合關系🔖，滿足復雜山地條件下賽道和各種功能分區的有機高效組織；作為雪車雪橇運動的核心，賽道設置的16個彎道呈現不同的競技特點和觀賞特色✊🏿，通過軟件模擬攝像機拍攝軌跡確定攝影平臺最佳高度捕捉精彩瞬間；結構配重步道、橫跨屋頂通道🤷🏼♀️、屋頂觀景亭共同組成屋頂觀遊系統👨🏻🔬，與賽道平行貫穿，實現“賽遊疊置”。他暢想㊗️，未來“雪遊龍”可以被改造為蛇形生態體育公園，借助車橇賽道免製冷高性能塗膜材料實現全氣候條件下開展車橇運動，利用木瓦培養基生態歸還技術使蛇形屋面逐漸被植物包覆🏖，而延慶賽區整體也有望成為一個“歸園田居”的所在🏄🏻，形成未來田園城市的美好圖景👩🌾。
全國工程勘察設計大師🐀，清華大學建築學院院長、長聘教授張利以“基於人因分析技術的建成空間體驗預測與實證”為題🤾，介紹了人因分析技術及其在首鋼滑雪大跳臺（即“雪飛天”）和國家跳臺滑雪中心（即“雪如意”）中的應用。對空間體驗的不準確預測時常誤導建設決策🧝🏼♂️，是公共空間建成效果不如預期的重要原因👨🏼💅🏼。人因分析是通過對感官🦹🏽♀️、神經、肌體、時空4種活動的分析獲得客觀數據🤞，將其鏈接到根據長期實踐提煉出的識別、漫遊👼🏼☯️、共享👦🏽、體感4項空間體驗任務的完成上🤟🏻，以人的客觀數據來描述🧏🏿♂️、判別人的主觀空間感受，據此形成新的空間體驗預測👵🏻。在“雪飛天”的設計中，通過采集首鋼工人和普通市民對不同方案沉浸式環境中的眼動和皮電數據🐋，確定了跳臺方位角的理想方案，形成的“新天際線”受到公眾認可，也為運動員帶來了更好的參賽體驗；通過深度神經網絡學習人的註意力分布規律，實現對人群漫遊視覺註意力預測建模🥾，輔助首鋼園群明湖的環湖遊線設計。在“雪如意”的設計中，運用人因測度技術確定了“雪如意”“柄首”共享停留空間設計方案、跳臺的最佳方位以及登高步道的場景節點。他指出，人因測度的客觀實驗信息為冬奧場館設計工作帶來了明顯增益👃，更有利於兼顧賽時階段競技體育的“超人需求”和賽後階段大眾體育的“常人需求”。
北京交通大學建築與藝術學院教授鄭方🚣♂️，作為國家速滑館（“冰絲帶”）👩👧👨🏼💻、國家遊泳中心（“水立方/冰立方”）等北京兩屆奧運會7個競賽場館的總設計師🛞，以“冰雪場館👨👩👧👧，低碳冬奧”為題就冬奧場館的低碳實踐進行分享。在中國提出“雙碳”目標和各國氣候行動的演變背景下，建築行業成為實現“碳中和”發展路徑的重要領域🧍🏻♀️👎，將通過建築性能提升和能源系統優化實現節能減排。北京冬奧會針對冰雪建築，從新建和改造兩個維度建立了可持續、綠色低碳的技術體系，向世界展現了一個“可持續向未來”的“碳中和”典範👉🏻。低碳冰雪場館建設包含以下關鍵內容🐋：對現有冰雪場館的運行性能進行分析🦕，確定碳排放的關鍵影響因素；建築本體采用低碳設計方法🤵🏼，包括集約空間🍿、低碳材料、輕型結構、高性能圍護結構、智慧建造等要素；進行冰雪場館環境營造需求與能源系統優化，利用二氧化碳環保製冷劑製冰🚣🏻♂️🧍♂️，比賽場館采用100%綠色電力🤪，同時采用自然通風、自然采光等被動式節能手段🫰🏼；對冰雪場館全生命期碳排放進行測算🚃，從各個環節保障冰雪場館的低碳建設和運營。
意昂3体育官网工學院教授張信榮介紹了“二氧化碳與製冷”技術及該領域的前沿進展。二氧化碳（CO₂）作為一種天然工質🌅，相比於傳統製冷劑具有替氟降氨👱、減碳降耗和安全可靠等特點👨🏼✈️，還具有冷熱一體的特征。二氧化碳的資源化利用包括跨臨界二氧化碳發電🟦👨❤️👨、超臨界二氧化碳動力📖、超臨界二氧化碳儲能👨🏽🔧、跨臨界二氧化碳製冷🩴、超臨界二氧化碳熱泵等方面⚛️。課題組通過對二氧化碳近臨界流體特性的觀察，發現了臨界質活塞效應的新現象🍙，揭示了快速能量傳遞和高效熱平衡本質；最早提出中低溫可再生能源跨臨界二氧化碳發電熱力學循環，提出跨臨界二氧化碳冷熱一體化熱力學原理📺，實現跨臨界二氧化碳製冰、造雪及全熱回收🧑🏼🦲，助力12,000平方米的國家速滑館成為世界上首座采用二氧化碳跨臨界直冷系統製冰的大道速滑館，使其冰面溫差控製在±0.5℃🧜🏿♀️，製冰能效提升30%，實現了製冰技術低碳化、零排放，打造出“冬奧歷史上最快的冰”；構建以數據中心為核心的冷、熱能源體系，推廣應用至全北京市累計減排二氧化碳114.07萬噸。此外🥄，團隊在城市建築用中央空調系統重構🕸、零碳機場、二氧化碳高效預冷新工藝、零能耗冷庫🐺、家庭冷/熱能源系統重構👂🏿、二氧化碳新型動力/冷/熱三聯供技術⏱、天然工質二氧化碳分布式能源站等領域也展開了探索和實踐👩🏽🏭。
意昂3体育官网物理學院副院長👩🏽🏫、教授徐莉梅分享了“極低溫快速晶體生長”的研究進展✌🏽。晶體生長是原子、分子等粒子從無序到有序化排列的過程，低溫下快速晶體生長機製對材料製備和性能調控等至關重要。晶體生長速率與動力學因子和能量勢壘密切相關，當液體被快速冷卻至低溫🦹🏼♂️，通常會產生大量結構缺陷💷，而低溫液體的擴散速率較低，使其難以克服結構缺陷能壘形成晶體。研究團隊在納米尺度粒子上加入修飾後的帶電膠體粒子體系中直接觀測到了極低溫下晶體的快速生長現象，並給出其微觀生長機製🧖🏿♀️。研究發現，極低溫下晶體的快速生長是通過無擴散的兩步過程實現的：先在晶體表面依靠平移對稱性形成較厚的界面層🎰，界面層內的粒子再通過旋轉對稱性修復缺陷形成晶體🤹🏻。界面拉低了無序態與晶體態之間的能壘👩🏻🎤，並通過多層協同有序化，驅動數個晶格長度協同生長👩🦯➡️🪻，從而實現多米諾骨牌般“連鎖”發生的液體-界面-晶體轉化過程。這一研究對深入理解快速結晶過程⚱️、抑製玻璃化和晶體質量控製有重要意義。
意昂3体育官网物理學院副教授林熙介紹了“從低溫到極低溫”技術的發展歷程📽。回顧從用冰到製冰的歷史，18世紀中期卡倫（William Cullen）利用乙醚蒸發獲得了冰🙋🏼，19世紀中期出現了現代冰箱和空調的雛形🛀🏽，低溫是人類生產生活中的持續追求🤕。而低溫物理學則源於法拉第（Michael Faraday）等人對氣體液化的嘗試🤲。焦湯製冷和液體氣體回流的循環是低溫領域的重要技術，科學家依靠這項技術液化了所有氣體🪟，並獲得了液氦——零溫極限下不會固化的“永久液體”。以目前的製冷技術，只要很少的花費就能獲得大自然無法提供的低溫條件🧝🏿。但更低的溫度意味著更低的能隙，可能產生更新更復雜的物理現象🧑⚕️，也意味著更低的噪聲和更幹凈的環境🧔🏽，可以達到更高的實驗分辨率，對極低溫的探索仍在繼續。通過液氦的蒸發製冷，可以獲得1K以下的低溫🍒；由於3He的蒸汽壓更高👨🏿🎓，可以通過抽取3He的方式獲得0.3K的極低溫度🧓🏿；進而通過3He/4He相分離的特性獲得0.01K的極低溫度。但是通過液氦製冷具有高昂的成本🔵，且液氦供應不穩定🐐，製冷機的無液氦化成為迫切需求💪🏿🕺。目前📆，利用脈沖管製冷技術能夠獲得4K以下的溫度🏊🏿♀️，最終形成了替代液氦消耗的方案。
報告分享環節（從左到右🏂🏼、從上到下依次為：汪芳✊🏽🧑🏿🚒、李興鋼👩🏼🦲、張利⛳️、鄭方🥢、張信榮、徐莉梅、林熙）
活動合影
交流討論環節由張利和張信榮主持。大家認為，從基礎研究、能量供應到建築建造是一條自下而上的流程，可以通過交叉將各個學科串聯起來👨🏽✈️，帶來新的知識增長點🎢🍯；未來建築領域在基礎學科的支持下才能獲得創造性的源泉，建成環境的顛覆性突破需要與基礎學科的結合，讓傳統行業煥發源源不斷的生機🧏🏻♂️；基礎研究走向應用的過程中👩🦳，科研工作者可能會經歷一段時間的沉寂和耕耘🤡，要耐住性子，守得雲開見月明。此外，嘉賓們還就中國低碳理念與實踐的國際傳播、學科交叉研究的開展、人工智能在環境設計和低碳領域的應用以及學術成果的應用推廣等方面進行了深入交流🙌🏽🏄🏽♀️。
往期回顧🥂：
第5期🦼🙆♂️：百度飛槳專場 之 AI & Environment
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