春分時節(jié)，陽光明媚，天氣回暖。

本周，北京最高氣溫達到20℃，雪糕、冰淇淋等冷飲，冰箱、空調(diào)等制冷設備逐漸進入日常生活，而這些都離不開背后默默無聞工作的制冷劑。

【資料圖】

你知道世界上最早的冰箱嗎？戰(zhàn)國青銅冰鑒（圖1），現(xiàn)藏于中國國家博物館?！吨芏Y·凌人》記載：“春始治鑒，凡外內(nèi)饔之膳羞鑒焉，凡酒漿之酒醴亦如之，祭祀共冰鑒?！惫湃嗽谧饟魞?nèi)裝酒，鑒、岳壁之間的空間放置冰塊，在春夏之季就可以喝到冰爽的酒。

圖1 世界上最早的冰箱——戰(zhàn)國青銅冰鑒[3]

制冷劑是什么？有什么作用？

制冷劑（又稱冷媒）是一種在制冷循環(huán)系統(tǒng)中用來吸收熱量并轉(zhuǎn)移熱量的物質(zhì)。

在典型的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)中（圖2），制冷劑先在蒸發(fā)器（低溫區(qū)）吸收熱量，后在冷凝器（高溫區(qū)）釋放熱量，同時制冷劑從蒸發(fā)器轉(zhuǎn)移到冷凝器，并將熱量從低溫區(qū)轉(zhuǎn)移到高溫區(qū)，實現(xiàn)低溫區(qū)降溫。

日常生活中，冰箱（空調(diào)）對應的高溫區(qū)和低溫區(qū)分別冷凍室/冷藏室（房間）和屋內(nèi)環(huán)境（屋外環(huán)境）。

圖2 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)示意圖[1,2]

制冷劑有哪些種類？

ASHRAE（美國暖通空調(diào)工程師協(xié)會）標準34給出了100多種制冷劑，可按照化學組成、物理性質(zhì)、應用領域、環(huán)境友好性等不同的方法進行分類，詳見表1。

表1 制冷劑的分類方法

常見的分類方法是根據(jù)化學成分將制冷劑分為無機化合物、氯氟化碳（CFCs）氫氯氟化碳（HCFCs）、氫氟化碳（HFCs）和碳氫化合物（HCs），其中氯氟化碳（CFCs）、氫氯氟化碳（HCFCs）和氫氟化碳（HFCs）就是大家常說的氟利昂（圖3）。

氫氯氟化碳（HCFCs）制冷劑R22

氫氟化碳（HFCs）制冷劑R32

圖3 氟利昂制冷劑產(chǎn)品[4]

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制冷劑在現(xiàn)代社會扮演著不可或缺的角色（圖4），通過以空調(diào)、冰箱、冷機等為代表的制冷設備吸收和釋放熱量實現(xiàn)溫度控制。

日常生活中，家用空調(diào)和冰箱的普及改善了人們的生活品質(zhì)和生產(chǎn)效率；食品存儲和運輸行業(yè)，冷藏和冷凍技術(shù)可以保持食品的新鮮度，延長貨物的保質(zhì)期；醫(yī)療保健和生化領域，制冷劑常用于確保藥品、器械和試劑等保存和使用的溫度適宜[5]；冰雪運動場地，制冰存冰過程更是離不開制冷劑。

圖4 制冷劑的廣泛應用

制冷劑對于人體和環(huán)境有沒有破壞？

部分早期使用的氟利昂制冷劑會對環(huán)境造成破壞，導致臭氧層漏洞和全球氣候變暖（圖5）。

因此，聯(lián)合國制定了《蒙特利爾議定書》，包括我國在內(nèi)的多數(shù)國家已于1987年8月簽署該議定書，逐步淘汰和禁止使用氟利昂制冷劑。具體來說：

氯氟化碳（CFCs）破壞臭氧層，導致紫外線輻射增加，也會影響生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候。《蒙特利爾議定書》列為一類受控物質(zhì)，2010年全球范圍內(nèi)已淘汰并禁產(chǎn)。

氫氯氟化碳（HCFCs）對臭氧層的破壞比氯氟化碳（CFCs）小許多，目前是后者的最重要過渡性替代物質(zhì)，《蒙特利爾議定書》中部分被限定2020年或2030年淘汰。

氫氟化碳（HFCs）不破壞臭氧層，但導致氣候變暖的潛能很大，《蒙特利爾議定書》沒有規(guī)定使用期限，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》京都協(xié)議書中定性為溫室氣體。

此外，氯氟化碳（CFCs）和氫氯氟化碳（HCFCs）因其毒性而可能引起皮膚、呼吸系統(tǒng)等癥狀。

然而，隨著新技術(shù)和環(huán)保意識的不斷提高，這些破壞性的制冷劑已經(jīng)逐漸被二氧化碳、碳氫化合物（HCs）等環(huán)保、安全和健康的新型綠色制冷劑所替代。

北京大學張信榮教授采用二氧化碳跨臨界制冷系統(tǒng)研制出冬奧史上最環(huán)保的冰面雪道[10]，應用到國家速滑館“冰絲帶”（圖4d）。

圖5 臭氧層漏洞和全球氣候變暖

制冷劑回收的必要性體現(xiàn)在哪？

制冷劑的使用需綜合考慮能效、環(huán)保、安全、成本等諸多因素。

在我國，制冷劑是除甲烷和氧化亞氮外，第三大非二氧化碳溫室氣體排放源（圖6），估算年排放量超過5億噸二氧化碳當量，其中在設備使用、維修和拆除過程的排放總和占到全生命期排放總量的90%以上。

制冷劑回收可以減少大氣環(huán)境的污染，降低溫室效應，節(jié)省成本和資源，促進可持續(xù)發(fā)展。

然而目前，我國制冷劑年回收量不足年使用量的3%，與發(fā)達國家的差距明顯。

造成這一問題主要原因有回收成本高、缺乏制冷劑生命期管理制度設計、用戶及從業(yè)者環(huán)保意識淡薄等[13]。

圖6 2014年我國非二氧化碳溫室氣體排放占比[14]

國內(nèi)制冷劑發(fā)展情況如何？

過去幾十年，我國的制冷劑行業(yè)發(fā)展迅速，一直處于快速增長的階段，近年來制冷劑的供需關系逐漸進入平衡。

我國已成為主要的制冷劑生產(chǎn)國（圖7）和消費國，同時也出臺了一系列涉及制冷劑的環(huán)保政策和法規(guī)（表2），以促進可持續(xù)發(fā)展。

例如，2010年頒布《消耗臭氧層物質(zhì)管理條例》，限制使用和生產(chǎn)CFC和其他臭氧層空氣污染物。

目前，國內(nèi)制冷劑正逐步向更加環(huán)保、節(jié)能、智能化和可持續(xù)的方向發(fā)展。

圖7 2016-2020年我國R22和R32制冷劑產(chǎn)量[15]

表2 制冷劑有關政策和法規(guī)

國際上制冷劑發(fā)展得怎么樣？

國際上制冷劑朝著綠色環(huán)保、高效節(jié)能、與時俱進等趨勢發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

綠色環(huán)保型制冷劑的使用增加：早期的氯氟化碳（CFCs）制冷劑已被淘汰或禁用，越來越多的國家和地區(qū)正在使用綠色環(huán)保制冷劑，以滿足環(huán)保要求并降低溫室氣體排放。

制冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化：提高制冷系統(tǒng)的能效和減少能源消耗能夠滿足日益嚴苛的節(jié)能減排要求。

多功能制冷劑的應用擴展：除了傳統(tǒng)的空調(diào)、冰箱等領域，制冷劑被越來越廣泛地應用于醫(yī)療保健、生命科學、工業(yè)制造等多個領域。

制冷劑回收和再生技術(shù)的發(fā)展：制冷劑回收和再生技術(shù)得到了更多的關注[16]，日本等國家和地區(qū)甚至制定了強制性的法規(guī)和政策。

圖8 日本2003-2018年各領域制冷劑回收情況[16]

參考文獻：

[1] 王如竹, 丁國良, 吳靜怡, 等. 制冷原理與技術(shù)[M]. 北京: 科學出版社, 2003.

[2] 石文星, 王寶龍, 邵雙全. 小型空調(diào)熱泵裝置設計[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2013.

[3] 青銅冰鑒[EB/OL]. 中國國家博物館, [2023-03-14] .https://www.chnmuseum.cn/zp/zpml/kgdjp/202008/t20200824_247219.shtml.

[4] 制冷劑[EB/OL]. 山東華安新材料有限公司, [2023-03-15] .http://www.sdhazl.com/cn/cold.html.

[5] 劉靜. 低溫生物醫(yī)學工程學原理[M]. 北京: 科學出版社, 2007.

[6] 美的冰箱[EB/OL]. [2023-03-14] .https://www.midea.cn/1/1000000000400692349799.html.

[7] 助力出口大閘蟹空降新加坡，讓“中國生鮮”走出國門[EB/OL]. [2023-03-15] .https://intl-img.sf-express.com/zh/xwgg/20171103/838.html.

[8] Cryopreservation: Applications and Advances[EB/OL]. Cell Science from Technology Networks, [2023-03-15] .http://www.technologynetworks.com/cell-science/articles/cryopreservation-applications-and-advances-349021.

[9] 國家速滑館“冰絲帶”首次制冰取得成功[EB/OL]. 新華網(wǎng), [2023-03-15] .http://www.xinhuanet.com/politics/2021-01/22/c_1127015176.htm.

[10] 冬奧對話 | 專訪北大工學院張信榮：研制出冬奧史上最環(huán)保的冰面雪道[EB/OL]. 北京大學, [2023-03-15] .https://www.coe.pku.edu.cn/newsfocus/topic/11285.html.

[11] GRAY E. NASA Reports Arctic Ozone Hit Record Low in March[EB/OL]. NASA, 2020-04-15.(2020-04-15)[2023-03-15] .http://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-reports-arctic-stratospheric-ozone-depletion-hit-record-low-in-march.

[12] Past eight years confirmed to be the eight warmest on record[EB/OL]. World Meteorological Organization, 2023-01-11.(2023-01-11)[2023-03-15] .https://public.wmo.int/en/media/press-release/past-eight-years-confirmed-be-eight-warmest-record.

[13] 全國政協(xié)委員唐俊杰：加強制冷劑回收[EB/OL]. 2023年全國兩會, [2023-03-07] .https://www.spb.gov.cn/gjyzj/2022lhjytap/202303/320e80e1a6db4c62ba9de23762c7d39c.shtml.

[14] 清華大學氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院項目綜合報告編寫組. 《中國長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究》綜合報告[J]. 中國人口·資源與環(huán)境, 2020, 30(11): 1–25.

[15] 高恩元, 韓美順. 2020年度中國制冷劑產(chǎn)品市場分析[J]. 制冷技術(shù), 2021, 41(S1): 51–59.

[16] 高歡, 顧昕, 丁國良. 制冷劑回收與再生現(xiàn)狀分析[J]. 制冷學報, 2021, 42(5): 17–26.

供稿單位：北京制冷學會

作者：張旋 北京理工大學機械與車輛學院副教授，入選北京市科協(xié)2023-2025年度青年人才托舉工程項目