现代社会中的制冷空调及其热点

张建一
集美大学机械工程学院 

一、             制冷的历史

我国是最早利用天然冷源的国家之一。3000多年前就懂得贮藏和利用天然冰，战国时就有专门的“冰房”，三国时代已把冰加以专门贮存，就象粮食、食盐一样。由于近代中国科技落后，1949年新中国建立时，仅上海、天津、汉口等几个口岸城市有几座冷库。制冷空调行业、制冷空调科学研究和教育完全是空白。一直到1956年我国才开始在大学中设立制冷学科。

利用天然冷源严格说还不是人工制冷，人工制冷始于十九世纪。1834年英国人波尔金斯制成了用乙醚为制冷剂的第一台制冷机，1844年美国人高斯发明了空气压缩式制冷机，1862年法国人卡尔里制成吸收式制冷机。1874年德国人林德发明了世界上第一台氨压缩机，使制冷技术进入实际应用的广阔天地。人工制冷不受季节、区域等的限制，可以根据需要制取不同的低温。随后，人们又发现了蒸汽喷射式制冷、半导体制冷等制冷方法。 

二、             制冷空调的方法和原理

1.       制冷的通俗意义
在一般意义上，制冷意味着降低某对象的温度，使之低于环境温度的过程。在日常生活的常识中，大家知道，比环境温度高的物体，其温度会逐渐降低到环境温度。但物体的温度不可能升高到高于环境温度，除非用高温对物体加热。这就是说，热量只能从高温传递到低温。人工制冷就是使热量从低温传递到高温的技术。

2.       工程热力学角度的制冷
在自然界中，水只能从高处流到低处。但是，借助水泵对水做功，就能使水从低处流向高处。从工程热力学的角度，制冷技术的基本原理就是消耗功，使热量从低温传递到高温。因此，制冷机可以说是热泵，消耗功把热量从低温泵送到高温。

图1. 压缩式制冷循环原理图 

3.       工程上实用的各种制冷方法
制冷的具体实现有许多方法，工程上常用的有压缩式制冷、吸收式制冷、半导体制冷等制冷方法。每一种方法都有其特点，可以根据使用的条件进行选择。

4.       最广泛应用的制冷方法与原理—压缩式制冷
在各种制冷方法中，其中最常用的是压缩式制冷，大约占90%以上。压缩式制冷的原理是利用制冷剂（一种物质）在低温下沸腾吸热，由于沸腾吸热时的温度低于制冷对象的温度，制冷对象的热量就传递给了制冷剂，制冷对象的温度就降低。通过压缩机做功，使吸热后的制冷剂温度和压力升高（高于环境温度）。这时，制冷剂就可以把热量传递给环境。然后，通过节流降压，制冷剂重新在低温下沸腾吸热。不断循环制冷。图1为压缩式制冷循环原理图。 

三、             制冷空调的应用

可能有些人会认为制冷空调用处不大，可有可无。实际上，制冷空调的水平是一个国家现代化的重要标志。在现代社会中，从国民经济各个行业、在高科技、在建筑水利、医疗卫生、日常生活等各个方面，制冷空调都是必不可少的。

1.       食品工业

食品工业是利用制冷最早最多的部门。大多数食品是容易腐败的，并且食品的生产有较强的季节性和地区性。到目前为止，制冷被认为是加工、贮存食品最好的方法。为此，人们提出了食品冷藏链的概念，即易腐食品的冷却与冻结加工、贮藏、运输、分配、零售直至消费者的每一个环节，并都必须处在规定的温度状态和环境。可以说，没有制冷技术，食品工业将无法运转。

2.       钢铁工业

炼钢需要氧气，氧气要靠制冷得到。机械加工中的低温冷处理，可以改变钢材的金相组织，提高钢材的质量。

3.       石油化工、有机合成

在石油化工、有机合成、基本化工中的分离、结晶、浓缩、液化、控制反应温度等，都离不开制冷。

4.       轻工业、精密仪表工业

纺织、印刷、精密仪表、电子工业都需要控制温度和湿度，进行空气调节。

5.       农业、水产业

农业中的良种保存、种子处理、人工气候室，都需要低温。没有制冷，海洋渔业将无法生产。

6.       建筑水利

对于大型混凝土构件，凝固过程的放热将造成开裂。例如葛洲坝的建筑过程就离不开制冷。在矿山、隧道建设中，遇到流沙等恶劣地质条件，可以用制冷将土壤冻结。

7.       医疗医药

许多医药的生产和保存需要制冷技术。冷冻医疗正在蓬勃发展。

8.       产品性能试验

许多产品需要进行低温性能试验。例如航空器、枪械等各种可能在低温下使用的器械，都必须进行低温性能试验。

9.       日常生活

   日常生活中的冰箱，空调器，啤酒、胶卷的生产，都离不开制冷。没有制冷技术，卫星地面站就不能正常传输信号，电视节目就看不成了。

10.   高科技

在高科技领域，如激光、红外、超导、遥感、核工业，都离不开制冷。 

综上所述，可见没有制冷空调，就没有现代社会。美国工程院2000年评出20世纪20项对人类社会和生活影响最大的工程技术成就，制冷空调技术就是其中的一项。 

四、             制冷空调行业国内外关注的热点 

1.       制冷剂破坏臭氧层问题

制冷剂是压缩式制冷中的工作介质，在系统中循环流动。 它在低温下吸热汽化，再在高温下凝结放热。历史上曾用过氨、二氧化碳、二氧化硫、空气等作为制冷剂。1930年美国开发出氟利昂，是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称，氟利昂是一大类，有几十种。它们的热力性质有很大的区别，但它们的物理和化学性质又有许多共同的优点。因此，从1930年到1990年，氟利昂得到了广泛的应用。

1975年美国学者提出，含氯的氟利昂中的氯原子会破坏臭氧层。臭氧层在离地面25-40的平流层。它能够屏蔽对地球上生物有害的紫外线。太阳辐射的紫外线有各种波长，其中的波长为0.28-0.32微米以下的紫外线会危害生命。臭氧层能够阻挡这些有害的紫外线，保护地球上的人类和生物。氟利昂中的氯原子会破坏臭氧层的理论到九十年代被广泛接受，该理论于1995年得到了诺贝尔化学奖。根据该理论，含氯的氟利昂中的氯原子在平流层会分离出来，与臭氧分子作用生成氧化氯和氧分子。氧化氯能与臭氧作用，重又生成氯原子和氧分子。这样不断重复，使臭氧大量被破坏。

研究表明，臭氧层的臭氧每减少1%，则有害辐射增加2%。其后果是皮肤癌和眼病增加，人体的免疫系统性能下降、海洋生物的食物链被破坏、一些植物生长受影响（包括农作物减产）。有人提出，当臭氧层余下1/5 时，是地球生命的临界点。

应该说明，并不是所有的氟利昂都会破坏臭氧层。为了便于区分，现在经常把氟利昂分为氯氟烃（CFC）、含氢氯氟烃（HCFC）、含氢氟烃（HFC）三类。其中CFC类（如R11和R12）对臭氧有明显破坏作用，是当前淘汰的重点。HCFC的破坏作用比CFC类小的多，作为过渡物质目前还可以使用。第三类氢氟烃（HFC）不含氯，对臭氧层没有破坏作用。由此可见，破坏臭氧层的只是含氯的氟利昂。破坏臭氧层的实际上是氯原子，并不是氟原子。无氟冰箱的提法是错误的。

CFC与HCFC排入大气后即无国界。因此保护臭氧层需要世界各国协调行动。我国于1992年加入《蒙特利尔》议定书，对消耗臭氧层的物质进行控制。1993年我国批准了《中国消耗大气臭氧层物质逐步淘汰国家方案》。应该说明，CFC并不是只用于制冷空调。从世界平均水平来看，用作制冷剂的CFC大约占30%，其余用于塑料发泡、各种行业的喷雾剂、清洗剂、溶剂。因此，淘汰CFC保护臭氧层涉及许多行业，是一个系统工程，是一个逐步进行的过程。

根据“国家方案”，对于我国的制冷空调行业，最终淘汰消耗臭氧层物质（ODS）的时间表如下：

--家电行业： 1999年实现40%新生产冰箱、冷柜的替代； 2003年完成70%新生产冰箱、冷柜的替代；

--汽车空调行业： 自2001年12月31日起禁止所有新空调车中使用CFC-12，并逐步削减在用车的CFC消费量。 2009年后只允许使用回收的CFC。

--工商制冷行业： 透平式制冷机生产在2003年停止CFC-11和CFC-12的新灌装； 2010年停止CFC-11和CFC-12维修补充的再灌装。

--泡沫行业： 2005年前完成挤出泡沫和聚氨酯垂直/水平泡沫工艺中使用的ODS替代； 2007年前完成聚氨酯板材、管材泡沫工艺中使用ODS替代； 2010年前实现聚氨酯喷涂和箱式工艺中使用的ODS替代。

从目前情况分，CFC与HCFC的替代工质有许多种。潜在的替代物（绿色环保制冷剂）有合成的和天然的两大类。合成的替代物有HFC_S，天然的有氨、二氧化碳、水、碳氢化合物等。表1列出了21世纪绿色环保制冷剂的趋势。

表1 21世纪绿色环保制冷剂的趋势

臭氧层的破坏和全球气候变化，是当前全球所面临的主要环境问题。由于制冷、空调、热泵行业广泛采取的CFC与HCFC类物质对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应，使全世界的制冷、空调与热泵行业面临严重的挑战。CFC与HCFC的替代已成为当前国际性的热门话题，该领域的研究和发展还在热烈进行中。

2.     制冷空调的节能 

我国的人均能源资源占有量相对不足，仅为世界平均水平的40%-50%。能源问题是制约我国现代化建设的关键之一。因此，我国制订了能源建设“开发和节约并重，近期要把节能放在优先地位”的总方针。1997年11月，第八届人大通过了《中华人民共和国节约能源法》，并从1998年1月开始生效。

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，制冷空调的应用越来越广泛。制冷空调是耗能大的行业之一。目前广泛采用的压缩式制冷消耗大量的电能，其消耗电能所占的比重越来越大。据报道，1995年北京、深圳的夏季集中空调用电量，已分别占全市总用电量的25%和35%。因此，制冷空调的节能也就越来越显得重要。

如果经常阅读国外文献，你会发现，过去为人们熟知的“节能”的英文词“ Energy Saving”已经逐渐为“Energy Efficiency” （能量效率）所取代。这一字之差，实际上反映了对节能的认识从单纯地抑制需求、减少耗能量，发展成为用同样的耗能量，或用少许增加的耗能量，来满足需求，进而提高工作效率和生活质量。

换言之，制冷空调的节能应以提高能量效率(energy efficiency)，用有限的资源和最小的能源消费代价来取得最大的经济和社会效益，满足日益增长的需求为目标。节能并不意味着限制发展，并不意味着降低生产和生活标准。

制冷空调的节能实际上是一个最优化的问题。它包括制冷空调每一个部件和整个系统设计的优化、操作调节的优化、维护管理的优化。通过每一个环节的优化，达到运行的优化，即整个系统的高效率运行。用最小的能源消费代价来满足制冷空调的需求。详细可参见笔者撰写的《制冷装置节能技术》一书。

3.     食品冷藏链的完善

食品冷藏链在发达国家已经基本完善。我国的食品冷藏链还很不完善。食品冷藏链的完整概念应包括易腐食品的冷却与冻结加工、贮藏、运输、分配、零售直至消费者的一个完整环节，都必须处在规定的温度状态和环境。它是充满高科技含量的一项系统工程。组成食品的冷藏链的几个主要环节包括：

●冷藏库
   世界总冷藏能力约5100万吨。近几年来，由于统计工作没有跟上，因此对我国现有食品冷藏库的容量缺乏确切的统计数字。目前全国食品冷藏库估算容量超过500万吨。

●冷藏运输
目前，我国冷藏运输主要是铁路和公路冷藏运输

--铁路冷藏运输

   铁路冷藏运输工具一直以加冰冷藏车和机械冷藏车为主。至2000年初统计，现有加冰冷藏车5055辆，机械冷藏车2339辆。

--公路冷藏运输
    随着高速公路和高等级公路的迅速发展，公路运输的快捷灵便，装卸环节少，可实行“门对门”运输的优越性进一步得到体现。现拥各式冷藏（保温）汽车30000余辆，具有年生产4000余辆的生产能力。
冷藏集装箱目前主要应用外贸进出口，纯内贸系统应用甚少。

●商用冷藏陈列柜

    随着城市食品超市的兴建，商用冷藏陈列柜的匹配已成为重要组成部分。目前十余家规模较大的生产厂，产量已能满足国内需要，唯品质、外观、可靠性等尚需提高。

●家用冰箱和冷柜

    这是食品冷藏链的终端设备，我国现有家用电冰箱和冷柜的生产能力逾1500万台/年，目前冰箱的普及率在城市接近饱和，现正向中小城市和农村发展。

●制冷机器设备及速冻装置

    从目前我国制冷机器设备生产的能力、型号已基本能满足食品冷藏链发展的需要。特别是近年来，独资和合资企业的兴起，是对我国制冷机器设备行业发展的促进，减少原装机从海外直接进口的数量。
    目前，用于食品冷藏链配套的主机主要是活塞式和螺杆式压缩机，小型的以活塞式为主，开始有涡旋压缩机使用在冷冻方面。
    速冻装置（设备）是随着速冻食品的发展而发展。目前已有近20家规模化生产能力的生产厂，年生产能力超过2000台（套），从数量来说已能满足当前发展速冻食品的需要。

食品冷藏链在我国已有近20年的发展历程，这亦是我国易腐食品业发展不平常的岁月。改革开放，使我国食品冷藏链的发展得到了机遇，也给予了挑战。面对我国12.59亿人口，占世界人口1/5强的大市场，食品冷藏链牵动着亿万人的生活。我国现行的食品冷藏链及其各个环节，包括硬件和软件与国外先进国家相比差距较大，有些环节还很薄弱。加入了WTO后，面临着严峻的考验。食品冷藏链是21世纪国际制冷科技发展中的重点之一，也是我国制冷技术发展的重要课题之一。