春分時(shí)節(jié)，陽(yáng)光明媚，天氣回暖。

本周，北京最高氣溫達(dá)到20℃，雪糕、冰淇淋等冷飲，冰箱、空調(diào)等制冷設(shè)備逐漸進(jìn)入日常生活，而這些都離不開背后默默無(wú)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(guó)青銅冰鑒（圖1），現(xiàn)藏于中國(guó)國(guó)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(guó)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(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)低溫區(qū)降溫。

日常生活中，冰箱（空調(diào)）對(duì)應(yīng)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(guó)暖通空調(diào)工程師協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)34給出了100多種制冷劑，可按照化學(xué)組成、物理性質(zhì)、應(yīng)用領(lǐng)域、環(huán)境友好性等不同的方法進(jìn)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(xué)成分將制冷劑分為無(wú)機(jī)化合物、氯氟化碳（CFCs）氫氯氟化碳（HCFCs）、氫氟化碳（HFCs）和碳?xì)浠衔铮℉Cs），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(shuō)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(huì)扮演著不可或缺的角色（圖4），通過(guò)以空調(diào)、冰箱、冷機(jī)等為代表的制冷設(shè)備吸收和釋放熱量實(shí)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(chǔ)和運(yùn)輸行業(yè)，冷藏和冷凍技術(shù)可以保持食品的新鮮度，延長(zhǎng)貨物的保質(zhì)期；醫(yī)療保健和生化領(lǐng)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(yùn)動(dòng)場(chǎng)地，制冰存冰過(guò)程更是離不開制冷劑。

圖4 制冷劑的廣泛應(yīng)用

制冷劑對(duì)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(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，導(dǎo)致臭氧層漏洞和全球氣候變暖（圖5）。

因此，聯(lián)合國(guó)制定了《蒙特利爾議定書》，包括我國(guó)在內(nèi)的多數(shù)國(guó)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(lái)說(shuō)：

氯氟化碳（CFCs）破壞臭氧層，導(dǎo)致紫外線輻射增加，也會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候?！睹商乩麪栕h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(duì)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(guò)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(dǎo)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(guó)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(shí)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?xì)浠衔铮℉Cs）等環(huán)保、安全和健康的新型綠色制冷劑所替代。

北京大學(xué)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(yīng)用到國(guó)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(guó)，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(guò)5億噸二氧化碳當(dāng)量，其中在設(shè)備使用、維修和拆除過(guò)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(yīng)，節(jié)省成本和資源，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

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

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

圖6 2014年我國(guó)非二氧化碳溫室氣體排放占比[14]

國(guó)內(nèi)制冷劑發(fā)展情況如何？

過(guò)去幾十年，我國(guó)的制冷劑行業(yè)發(fā)展迅速，一直處于快速增長(zhǎng)的階段，近年來(lái)制冷劑的供需關(guān)系逐漸進(jìn)入平衡。

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

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

目前，國(guó)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(guó)R22和R32制冷劑產(chǎn)量[15]

表2 制冷劑有關(guān)政策和法規(guī)

國(guó)際上制冷劑發(fā)展得怎么樣？

國(guó)際上制冷劑朝著綠色環(huán)保、高效節(jié)能、與時(shí)俱進(jìn)等趨勢(shì)發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(lái)越多的國(guó)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(yán)苛的節(jié)能減排要求。

多功能制冷劑的應(yīng)用擴(kuò)展：除了傳統(tǒng)的空調(diào)、冰箱等領(lǐng)域，制冷劑被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療保健、生命科學(xué)、工業(yè)制造等多個(gè)領(lǐng)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(guān)注[16]，日本等國(guó)家和地區(qū)甚至制定了強(qiáng)制性的法規(guī)和政策。

圖8 日本2003-2018年各領(lǐng)域制冷劑回收情況[16]

參考文獻(xiàn)：

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[10] 冬奧對(duì)話 | 專訪北大工學(xué)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(xué), [2023-03-15] .https://www.coe.pku.edu.cn/newsfocus/topic/11285.html.

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

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

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供稿單位：北京制冷學(xué)會(huì)

作者：張旋 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)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(xiàng)目