全球降溫冰河世紀?如何享有清涼一夏？科學家們在制冷領域不懈努力，在材料複合、物理結構設計等維度上無限創想，未來方向日漸明晰制冷創新，全球正熱，我來為大家科普一下關于全球降溫冰河世紀?下面希望有你要的答案，我們一起來看看吧!

全球降溫冰河世紀

如何享有清涼一夏？科學家們在制冷領域不懈努力，在材料複合、物理結構設計等維度上無限創想，未來方向日漸明晰。制冷創新，全球正熱。

從古印度的蒸發制冷

到氟利昂的大起大落

人類與酷熱鬥争的曆史，可以追溯到幾千年前。在中國，先秦時代的人已經掌握采冰、儲冰技術。希伯來人、古希臘人和古羅馬人把大量的雪埋在儲藏室地下的坑中，然後用木闆和稻草來隔熱。在古印度，蒸發制冷技術也得到了應用。當一種流體快速蒸發時，它迅速膨脹，升起的蒸汽分子的動能迅速增加，而增加的能量來自周圍的環境中，周圍環境的溫度因此而降低。

中世紀時，冷卻食物是通過在水中加入硝酸鈉或硝酸鉀而使溫度降低，1550年的相關記載中，冷卻酒就是通過這種方法。這就是制冷工藝的起源。

在法國，冷飲是1660年開始流行的。人們通過在水裡旋轉裝有溶解硝石的長頸瓶，來使水冷卻。這個方法可以産生非常低的溫度并且可以制冰。17世紀末，帶冰的酒和結凍的果汁在法國社會已非常流行。

1842年，美國佛羅裡達醫院的一位内科醫生為了給黃熱病患者治療，設計和制造了一台空氣冷卻裝置給病房降溫。其基本原理是：壓縮一種氣體，通過盤管使它冷卻，而後膨脹使其溫度進一步降低，這也就是今天用得最多的制冷器。後來，他沒有滿足于病房的實踐，進一步投入到制冰實驗中，并在1851年獲得關于機械制冰的第一項專利。

商業制冷起源于1856年，由一位美國商人開創。1859年，法國人開利發明了一種更加複雜的制冷系統。以前的壓縮機用空氣作制冷劑，開利發明的設備用快速蒸發的氨作制冷劑。由于氨比水液化時的溫度低，因此可以吸收更多熱量。新一代制冷機得到了大範圍推廣。值得一提的是，蒸汽壓縮式制冷仍是應用最廣泛的制冷方法。曆史記載，1914年，美國幾乎所有肉聯廠都安裝了制冷機械的氨壓縮系統，每天的制冷能力超過90000噸。

在當時，這種制冷機也有其缺點，即成本高，體積大，系統複雜，再加上氨制冷劑有毒性，因此阻礙了其在家庭中的普遍應用。許多家庭的冰櫃仍使用當地制冷工廠提供的冰塊。

随着制冷技術的成熟，制冷劑這一核心要素的安全性問題進入人們的視野。1929年，發生在美國俄亥俄州克利夫蘭某家醫院的冰箱洩漏事故使超過100人喪生。于是，科學家們對研制一種穩定、不易燃、不腐蝕且無毒的新型制冷劑産生了濃厚興趣。借助于門捷列夫的化學地圖，他們發現隻有位于周期表右邊的非金屬元素能生成在室溫下呈氣态的化合物，同時化合物的可燃性從左到右依次減小。

1920年，Frigidaire公司開發了幾種人工合成制冷劑，稱為氯氟烴或CFCs，制冷工程師才找到可接受的替代品。這就是人們所共知的新的代替物氟利昂。在化學上，氟利昂的結構是甲烷（CH4）裡的4個氫原子被兩個氯原子和兩個氟原子所代替。除了分子量大之外，無臭無毒。

20世紀80年代後期，氟利昂的生産達到了高峰，産量超過144萬噸。在對氟利昂實行控制之前，全世界向大氣中排放的氟利昂已達到了2000萬噸。由于它們在大氣中的平均壽命達數百年，所以仍留在大氣層中，其中大部分停留在對流層，一小部分升入平流層。在對流層相當穩定的氟利昂，進入平流層後，會在強烈的紫外線作用下被分解，釋放出的氯原子同臭氧會發生連鎖反應，不斷破壞臭氧分子。科學家估計一個氯原子可以破壞數萬個臭氧分子。根據資料，2003年臭氧空洞面積已達2500萬平方公裡。臭氧層被大量損耗後，吸收紫外線輻射的能力大大減弱，導緻到達地球表面的紫外線明顯增加，給人類健康和生态環境帶來多方面的危害。

尋找新材料、新路線

向太陽要清涼

“尋找氟利昂的代替品，科研人員的路線産生了分歧。”上海市能源研究會副理事長、上海海事大學動力工程及工程熱物理學科帶頭人章學來教授介紹，當時，美國人考慮到破壞臭氧層的“元兇”是氟利昂中的氯原子，所以決定探索一種不含氯原子的人工制冷劑，歐洲則選擇向天然工質“異丁烷”發展。

這兩條線路成為科研主流，但也各有利弊。比如，前者雖然對臭氧層沒有傷害，但可能帶來更多溫室氣體排放；後者則不夠穩定，易燃易爆。而起步較晚的中國科學工作者們，則選擇充分發揮後發優勢，對兩者均有涉獵，謹慎而大膽。

目前，研制和發展對臭氧層無損耗、無溫室效應而且節能環保的制冷技術，已成為該領域研究者的共識。一系列傳統制冷技術以外的新材料、新路線，帶來百花齊放。

首先是太陽能制冷。太陽能制冷主要包含吸收式、吸附式、噴射式和光伏等制冷類型。太陽能吸收式制冷是用太陽能集熱器收集太陽能來驅動吸收式制冷系統，通過儲存液态冷劑的相變潛熱來儲存能量，利用其在低壓低溫下汽化而制冷。

太陽能吸附式制冷，以太陽能為熱源，采用的工質通常為活性炭―甲醇、分子篩―水、矽膠―水及氯化鈣—氨等，可利用太陽能集熱器将吸附床加熱後用于脫附制冷劑，通過加熱脫附、冷凝、吸附、蒸發等幾個環節實現制冷。

太陽能噴射式制冷是通過太陽能集熱器加熱使低沸點工質變為高壓蒸汽，通過噴管時因流出速度高、壓力低，在吸入室周圍吸引蒸發器内生成的低壓蒸汽進入混合室，同時制冷劑在蒸發器中汽化而達到制冷效果。

太陽能半導體制冷系統中，光電轉換器輸出直流電，一部分直接供給半導體制冷裝置進行制冷運行，另一部分則進入儲能設備儲存，以供陰天或晚上使用，保證系統可以全天候正常運行。目前，随着太陽能電池和熱電材料的推廣使用，這一半導體制冷系統得到廣泛應用。

與太陽能相比，磁制冷和熱聲制冷更加鮮為人知。磁制冷技術是一種熱效率高而且節能環保的制冷技術，利用磁熱效應制冷，磁制冷工質在等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱去磁時從外界吸收熱量。熱聲制冷技術主要通過熱聲效應來完成工作，在聲波稠密和稀疏之間完成熱量的加入和排出。

考量技術全生命周期

實現新的彎道超車

同樣不可不提的是冰蓄冷和水蓄冷技術。晚間用電低谷期間，用電把水凍成冷水或冰；白天用電高峰期，則通過夜晚儲備好的冷水或冰水混合物來釋放冷氣降溫——作為一項解決夏日用電緊張的“削峰填谷”的技術，在美國、日本、德國等地已得到應用。

水蓄冷技術應用也有很大的限制條件，尤其是需要對溫度進行有效控制，借助于智能管理系統、溫度傳感器等設備，在前期投入方面成本更高。與之相比，冰蓄冷技術蓄冰槽占用的體積更小，儲蓄的冷量是水蓄冷技術的數十倍。單從應用節能性能來說，水蓄冷技術在空調制冷中運用，比傳統智能空調節約1/3的電費。

水蓄冷，冰蓄冷，在制冷創新領域中，科幻小說中描述的諸多場景已然成真。那麼，科學家目光所及之處，制冷技術的未來在哪裡？章學來教授提出自己的看法。

首先是加強對自然能源的開發利用，包括常見的可再生能源太陽能、風能、地熱能，甚至海洋能，都可以為人類低碳地獲得冷量提供幫助。

其次，應考慮技術的整體生命周期。一方面，在包含制冷劑、制冷部件、制冷體系等工藝技術方面進行優化，獲得更為節能環保的清涼。另一方面，節能和環保的标準設定和評測，需涵蓋相關設備、耗材的制造、使用、廢棄、處理等各環節全過程，不拘泥于一時一物。

第三，不斷發現新材料，突破固有制冷模式，實現對傳統的彎道超車。例如，在制冷劑領域，對相變材料的研究成為前沿。固态相變材料在磁場、電場、單軸壓和淨水壓等外場驅動下會迅速發生熱響應，即固态相變熱效應。由于這類材料對環境影響極小，因此固态相變熱效應為研發新一代綠色制冷技術提供了可能。

在追求溫度的控制以外，提升舒适度也是關鍵。研究發現，空調制冷營造的最大舒适度離不開适宜的溫度、濕度和風速等。科學家和企業合作，研發成功了環繞式風空調，通過智能化的風量調節器控制風速、風向和冷熱程度等。

更為值得一提的是，網絡技術的普及和發展也使空調制冷技術的智能化、信息化發展成為趨勢。制冷技術在大數據分析技術的輔助下，更好地服務于醫學、生物科技、冷藏冷凍、農業和建築等行業。

欄目主編：龔丹韻 題圖來源：新華社

題圖說明：以冰制冷，幾千年前人類就是大自然的搬運工。

來源：作者：彭德倩

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