5月25日下午，“新工科下午茶·学科交叉沙龙”第八期活动在北京大学百周年纪念讲堂四季庭院内举行。本次沙龙系“工程与材料专场”的第二期，聚焦“冬奥创新与低温科技”，由新工科建设办公室主办、学科建设办公室协办，邀请建筑与景观设计学院教授汪芳担任策划和召集人。沙龙吸引了来自北大建筑与景观设计学院、工学院、物理学院、城市与环境学院、能源研究院、经济学院和相关职能部门，以及清华大学、北京交通大学、北京师范大学、中国建筑设计研究院、中国建筑工业出版社共20余个单位50余名师生现场参与研讨。
活动现场
汪芳担任报告环节主持人并致欢迎辞。她表示，2022年北京冬奥会是一项举国盛事，工程与材料领域的相关成果在冬奥会场馆的设计建造、科技研发、运行维护、赛后利用中有诸多贡献。本次沙龙邀请到冬奥会主要场馆的设计师和建筑师分享工程应用的实践经验，也邀请到探索低温和极低温领域的专家介绍学理层面的知识基础。她希望以此次沙龙为契机，促进基础学科与应用学科的对话和合作。
李兴钢
全国工程勘察设计大师、中国建筑设计研究院总建筑师
全国工程勘察设计大师、中国建筑设计研究院总建筑师李兴钢围绕延庆赛区国家雪车雪橇中心（即“雪游龙”）的现在和未来在线上作报告。
“雪游龙”承办的雪车雪橇赛事被称为“冰雪运动中的F1方程式”，苛刻的竞赛场地要求、极具专业性的竞技项目是场馆建造的主要挑战。在车橇赛道建设中，团队采用气候保护策略，研发“地形气候保护系统”（Terrain Weather Protection System, TWPS），克服选址朝向对赛道冰面平滑度、制冷设备能耗等方面的天然不利影响，使“雪游龙”成为世界上唯一设置在南坡的雪车雪橇赛道；自主研发复杂地形室外场地与建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）融合设计技术，精确控制场馆与场地的高度拟合关系，满足复杂山地条件下赛道和各种功能分区的有机高效组织；作为雪车雪橇运动的核心，赛道设置的16个弯道呈现不同的竞技特点和观赏特色，通过软件模拟摄像机拍摄轨迹确定摄影平台最佳高度捕捉精彩瞬间；结构配重步道、横跨屋顶通道、屋顶观景亭共同组成屋顶观游系统，与赛道平行贯穿，实现“赛游叠置”。
他畅想，未来“雪游龙”可以被改造为蛇形生态体育公园，借助车橇赛道免制冷高性能涂膜材料实现全气候条件下开展车橇运动，利用木瓦培养基生态归还技术使蛇形屋面逐渐被植物包覆，而延庆赛区整体也有望成为一个“归园田居”的所在，形成未来田园城市的美好图景。
张利
全国工程勘察设计大师、清华大学建筑学院院长、长聘教授
全国工程勘察设计大师，清华大学建筑学院院长、长聘教授张利以“基于人因分析技术的建成空间体验预测与实证”为题，介绍了人因分析技术及其在首钢滑雪大跳台（即“雪飞天”）和国家跳台滑雪中心（即“雪如意”）中的应用。
对空间体验的不准确预测时常误导建设决策，是公共空间建成效果不如预期的重要原因。人因分析是通过对感官、神经、肌体、时空4种活动的分析获得客观数据，将其链接到根据长期实践提炼出的识别、漫游、共享、体感4项空间体验任务的完成上，以人的客观数据来描述、判别人的主观空间感受，据此形成新的空间体验预测。在“雪飞天”的设计中，通过采集首钢工人和普通市民对不同方案沉浸式环境中的眼动和皮电数据，确定了跳台方位角的理想方案，形成的“新天际线”受到公众认可，也为运动员带来了更好的参赛体验；通过深度神经网络学习人的注意力分布规律，实现对人群漫游视觉注意力预测建模，辅助首钢园群明湖的环湖游线设计。在“雪如意”的设计中，运用人因测度技术确定了“雪如意”“柄首”共享停留空间设计方案、跳台的最佳方位以及登高步道的场景节点。
他指出，人因测度的客观实验信息为冬奥场馆设计工作带来了明显增益，更有利于兼顾赛时阶段竞技体育的“超人需求”和赛后阶段大众体育的“常人需求”。
郑方
北京交通大学建筑与艺术学院教授
北京交通大学建筑与艺术学院教授郑方，作为国家速滑馆（“冰丝带”）、国家游泳中心（“水立方/冰立方”）等北京两届奥运会7个竞赛场馆的总设计师，以“冰雪场馆，低碳冬奥”为题就冬奥场馆的低碳实践进行分享。
在中国提出“双碳目标”和各国气候行动的演变背景下，建筑行业成为实现“碳中和”发展路径的重要领域，将通过建筑性能提升和能源系统优化实现节能减排。北京冬奥会针对冰雪建筑，从新建和改造两个维度建立了可持续、绿色低碳的技术体系，向世界展现了一个“可持续向未来”的“碳中和”典范。
低碳冰雪场馆建设包含以下关键内容：对现有冰雪场馆的运行性能进行分析，确定碳排放的关键影响因素；建筑本体采用低碳设计方法，包括集约空间、低碳材料、轻型结构、高性能围护结构、智慧建造等要素；进行冰雪场馆环境营造需求与能源系统优化，利用二氧化碳环保制冷剂制冰，比赛场馆采用100%绿色电力，同时采用自然通风、自然采光等被动式节能手段；对冰雪场馆全生命期碳排放进行测算，从各个环节保障冰雪场馆的低碳建设和运营。
张信荣
北京大学工学院教授
北京大学工学院教授张信荣介绍了“二氧化碳与制冷”技术及该领域的前沿进展。
二氧化碳（CO2）作为一种天然工质，相比于传统制冷剂具有替氟降氨、减碳降耗和安全可靠等特点，还具有冷热一体的特征。二氧化碳的资源化利用包括跨临界二氧化碳发电、超临界二氧化碳动力、超临界二氧化碳储能、跨临界二氧化碳制冷、超临界二氧化碳热泵等方面。
课题组通过对二氧化碳近临界流体特性的观察，发现了临界质活塞效应的新现象，揭示了快速能量传递和高效热平衡本质；最早提出中低温可再生能源跨临界二氧化碳发电热力学循环，提出跨临界二氧化碳冷热一体化热力学原理，实现跨临界二氧化碳制冰、造雪及全热回收，助力12,000平方米的国家速滑馆成为世界上首座采用二氧化碳跨临界直冷系统制冰的大道速滑馆，使其冰面温差控制在±0.5℃，制冰能效提升30%，实现了制冰技术低碳化、零排放，打造出“冬奥历史上最快的冰”；构建以数据中心为核心的冷、热能源体系，推广应用至全北京市累计减排二氧化碳114.07万吨。
此外，团队在城市建筑用中央空调系统重构、零碳机场、二氧化碳高效预冷新工艺、零能耗冷库、家庭冷/热能源系统重构、二氧化碳新型动力/冷/热三联供技术、天然工质二氧化碳分布式能源站等领域也展开了探索和实践。
徐莉梅
北京大学物理学院副院长、教授
北京大学物理学院副院长、教授徐莉梅分享了“极低温快速晶体生长”的研究进展。
晶体生长是原子、分子等粒子从无序到有序化排列的过程，低温下快速晶体生长机制对材料制备和性能调控等至关重要。晶体生长速率与动力学因子和能量势垒密切相关，当液体被快速冷却至低温，通常会产生大量结构缺陷，而低温液体的扩散速率较低，使其难以克服结构缺陷能垒形成晶体。
研究团队在纳米尺度粒子上加入修饰后的带电胶体粒子体系中直接观测到了极低温下晶体的快速生长现象，并给出其微观生长机制。
研究发现，极低温下晶体的快速生长是通过无扩散的两步过程实现的：先在晶体表面依靠平移对称性形成较厚的界面层，界面层内的粒子再通过旋转对称性修复缺陷形成晶体。界面拉低了无序态与晶体态之间的能垒，并通过多层协同有序化，驱动数个晶格长度协同生长，从而实现多米诺骨牌般“连锁”发生的液体-界面-晶体转化过程。这一研究对深入理解快速结晶过程、抑制玻璃化和晶体质量控制有重要意义。
林熙
北京大学物理学院副教授
北京大学物理学院副教授林熙介绍了“从低温到极低温”技术的发展历程。
回顾从用冰到制冰的历史，18世纪中期卡伦（William Cullen）利用乙醚蒸发获得了冰，19世纪中期出现了现代冰箱和空调的雏形，低温是人类生产生活中的持续追求。而低温物理学则源于法拉第（Michael Faraday）等人对气体液化的尝试。焦汤制冷和液体气体回流的循环是低温领域的重要技术，科学家依靠这项技术液化了所有气体，并获得了液氦——零温极限下不会固化的“永久液体”。
以目前的制冷技术，只要很少的花费就能获得大自然无法提供的低温条件。但更低的温度意味着更低的能隙，可能产生更新更复杂的物理现象，也意味着更低的噪声和更干净的环境，可以达到更高的实验分辨率，对极低温的探索仍在继续。
通过液氦的蒸发制冷，可以获得1K以下的低温；由于3He的蒸汽压更高，可以通过抽取3He的方式获得0.3K的极低温度；进而通过3He/4He相分离的特性获得0.01K的极低温度。但是通过液氦制冷具有高昂的成本，且液氦供应不稳定，制冷机的无液氦化成为迫切需求。目前，利用脉冲管制冷技术能够获得4K以下的温度，最终形成了替代液氦消耗的方案。
交流讨论环节由张利和张信荣主持。大家认为，从基础研究、能量供应到建筑建造是一条自下而上的流程，可以通过交叉将各个学科串联起来，带来新的知识增长点；未来建筑领域在基础学科的支持下才能获得创造性的源泉，建成环境的颠覆性突破需要与基础学科的结合，让传统行业焕发源源不断的生机；基础研究走向应用的过程中，科研工作者可能会经历一段时间的沉寂和耕耘，要耐住性子，守得云开见月明。此外，嘉宾们还就中国低碳理念与实践的国际传播、学科交叉研究的开展、人工智能在环境设计和低碳领域的应用以及学术成果的应用推广等方面进行了深入交流。
活动合影
转载自：公众号“北大新工科”
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/jqsVTgx5SkFajmmgt2k0VQ
