制冷及低温工程学科发展报告

摘自《制冷及低温工程学科发展报告》（中国科学技术出版社）
——中国制冷学会编著
制冷学科的定义、范围及重要性
制冷学科的中心任务就是营造不同于自然界环境温度的微环境或物质状态，从较低的温度状态下提取热量，并在较高的温度状态下释放这部分热量。

通过这种方式营造低于自然界环境温度的低温状态，称为狭义的制冷；通过这种方式获得高于自然界环境温度的高温状态，称为“热泵制热”。

实际上这两种目的的物理过程相同，同属于制冷学科的基本任务。

制冷技术是伴随工业**而诞生、并逐渐发展起来的传统技术，而同时又随着科学技术的发展和人类文明、社会进步、经济发展而不断发展、产生新概念、萌发新技术、扩充新领域。

制冷学科的应用
在现代科学技术的发展中，制冷学科提供重要的技术支撑和研究平台。

无论是正负电子对撞的现代物理学研究还是受控热核聚变或低温超导等现代技术前沿，都需要制冷技术产生极端低温环境或提供精准的热环境状态。

制冷技术已经成为现代科学发展不可或缺的关键技术。

制冷学科提供各种气体分离、气体液化技术，是诸多重化工业、能源产业的关键技术；所提供的多种冷冻技术又是大型水利工程、地下工程的重要施工技术；而为超大规模集成电路、超级计算机、大功率激光器等前沿技术装备提供有效的冷却方式，则成为这些技术进一步发展的关键。

制冷学科还应用于低温生物医学，提供有效的外科手术措施，保存和运送细胞、血浆、皮肤、软骨和各类器官等生物材料，成为现代医学不可替代的技术和方法。

而制冷学科最大的应用领域则是食品（包括农产品、水产品、禽类产品等）储藏保鲜和冷藏链。

随着食品供应模式从小规模就地产销的手工业方式向大规模生产加工和异地产销的现代工业模式的转变，食品冷藏冷冻储运和冷藏链系统成为现代食品工程中决定食品安全、优质与低损耗的重要的环节。

空调制冷与热泵工程则是另一项制冷学科的重要和广泛的应用。

以满足人的舒适要求为目标的空调制冷系统已经成为各种现代化民用建筑必须具备的条件。

而为各种工业生产、科学研究营造各种恒温、低温、恒湿、干燥环境的空调制冷又成为现代科学研究和工业生产过程的基本要求。

制冷技术不仅用于降低温度排出热量，还越来越广泛的用于从较低温度下提取热量以满足对较高温度的热量的需求。

用这一方式替代直接燃烧化石燃料制备生活热水、冬季为建筑供热以及满足其他一些对常温热量的需求。

此外，航空、航天、航海、潜海以及各类陆地交通工具中的生命保障系统或人工环境系统的主要构成部分也是制冷空调。

21世纪初，美国国家工程院曾通过广泛征集评比，得出“二十世纪最伟大的20项工程技术成就”，空调和制冷技术被列为其中的第10项。

从学科发展和科学研究的角度看，可以从新的制冷过程机理与装置，制冷的替代工质；制冷压缩机；吸收式、吸附式制冷系统；和制冷的几个主要应用系统的发展现状和进展来对制冷学科进行归纳总结。

这些主要的应用包括低温生物医学，食品冷冻冷藏贮运，空调制冷及热泵，气体分离与液化，吸收式换热与工业余热利用，以及在大型工程建设中制冷技术的应用。

下面，分别介绍我国在上述各分支的发展现状级重要进展。

低温生物医学
这一领域主要包括通过低温技术对生物材料（细胞、组织、器官）进行有效的保存和采用低温医疗设备的临床手术治疗。

其中，前者是实现细胞、组织替代治疗的重要基础，后者是新兴的可以解决许多疑难问题的外科手段。

随着医学与制冷科学的深入结合，近年来我国在这两方面的科学研究和医学应用都有了可喜的进步。

在生物材料的体外保存方面，将纳米技术与低温医学工程相结合，开展了纳米低温保存技术对生物材料降温和复温阶段作用的探索。

评估了添加有不同纳米颗粒的低温保护剂溶液的差示扫描量热曲线，分析了其热学性质的变化规律，并从纳米流体的均相和异相成核理论阐述了纳米颗粒对冻结过程的影响及其在低温保存中的潜在应用价值。

提出了借助磁性纳米颗粒的强化微波复温方法，研究结果表明该方法可大大提高复温速率以及保证复温过程中温度分布的均匀性，从而能有效防止不均匀复温及复温速率慢对生物材料造成的损伤；对组织、细胞在冷冻保存过程中细胞蛋白及细胞信号转导的改变进行了深入研究，从分子水平探讨低温损伤及防护作用。

在技术方法上，将血液透析原理引入冰冻红细胞洗涤过程，降低红细胞解冻过程中的渗透性损伤；将小分子糖类引入红细胞的非甘油化冷冻保存体系中，简化了传统的甘油脱洗程序；对室温及冰冻冻干红细胞、血小板技术进行探索性研究，取得重要进展，可以大幅度提高冻干血小板的回收率并对其超微结构提供有效保护；围绕细胞、组织及器官的基础研究不断深入的同时，成熟的技术已经应用于临床，我国已经建成7座脐血干细胞库，不同的医院先后建立了精子库、角膜库、皮肤库、血管及软骨库等，为需要移植的病人提供了有效的组织替代物，为生命科学研究进展提供保障。

为满足生物工程材料的低温保存所需要的-40ºC以下的机械式制冷低温冷冻储存箱技术，长期以来为少数国外企业垄断，国内需求基本依赖进口。

我国通过对新型制冷技术和应用工艺及低温冷冻储存箱技术的创新和优化，克服了国际上通用的机械式制冷低温冷冻储存箱技术的重大缺陷，首次采用同一种机械式制冷技术实现了“全温区系列机械式制冷低温冷冻储存箱”的全温区覆盖，比国际上通用技术产品能耗降低30%以上，生产效率提高30%以上，硬件成本降低20%以上。

全温区系列均已实现规模生产并批量出口。

具有自主知识产权的新型“全温区系列机械式制冷低温冷冻储存箱”技术的成功产业化，使我国一跃成为世界上全面掌握先进低温冷冻储存箱核心技术和生产技术的国家，同时也满足了低温生物医学工程发展的需求。

低温外科手术技术与装置方面我国近年也有显著进展，这是一大类比较新颖的物理疗法，其实施通常是以一种微创的方式将冷冻探针（人们习惯称之为冷刀）插入到恶性肿瘤部位，并利用制冷技术在刀头实现可控的降温和升温功能，生物组织在冷冻过程中，会在探针周围形成冰球，于是，通过探针持续不断的冷冻、解冻病灶，可以产生一系列不可逆损伤而达到消除病灶的目的。

在这些冰球生长、消融的过程中，探针周围可根据需要产生各种复杂的冰球组合。

低温手术由于具有麻醉镇痛、止血或减少出血以及能防止肿瘤扩散等优点，并且其副作用远低于放疗和化疗，因而在肿瘤治疗方面赢得了“绿色疗法”之誉。

我国的一些医院相继开展冷冻外科治疗肿瘤研究，取得了良好的临床效果。

纳米低温冷冻治疗也是我国低温生物医学研究的新亮点。

我国将纳米技术与低温工程学相结合，以发展先进肿瘤微创治疗方法的技术理念，相继开展的机理分析、试验研究和医疗仪器的研制等方面取得系列进展。

由于这一方法在调控冰球生长方向和强度、确保肿瘤适形治疗、提高医学成像分辨率乃至实现纳米化疗与冷冻复合治疗等方面均优于传统手段，因此有望成为难治性肿瘤的有效治疗手段。

我国提出独创的冷冻刀技术方案，并研究出相应装置，正等待全面的检验和实验，以正式进入临床使用。

食品冷冻冷藏贮运技术
食品工业是涉及民生的重要行业，随着我国的食品供应逐渐从小规模生产、当地销售的手工业模式向集约生产、产销异地的现代化工业模式的转移，冷冻冷藏贮运成为保证食品安全，提高食品质量，减少食品损耗的关键问题，也成为食品冷藏链和食品加工的主要问题。

低温储藏生物学基础
通过研究各类食品在不同储藏环境下的组织状态变化，物性变化（导热、比热、热扩散率呼吸热等），得到各类食品（禽肉、水产品、果蔬、花草、食用菌、蛋类、速冻食品、生物制品、鲜奶等）的生物特性和营养成分在不同储藏期的变化，并确定最佳储藏保鲜环境参数。

此部分乃是食品冷藏链保鲜的基础，尽管这一数据库没有完全建立，但通过储藏品的针对性研究，已经有了一些基本的物性数据。

近几年对冷鲜肉的基础研究也取得了较好进展，并获得较好的应用效果；“菜篮子”工程经过近20年的发展，获得了多种蔬菜储藏和运输条件的基础参数；我国特有水果（如荔枝、冬枣、大桃等）的储藏条件也取得了一定的技术数据，使贮藏期逐步延长；食用菌的储藏条件研究也得到重视，如云南松茸通过冰温技术的应用研究，其鲜果保质储藏期由原来的7天延长到20天；水产品无水或微水活体储藏也取得了一定的进展，实验研究结果做到鲫鱼微水储藏30小时，无水储藏16小时。

食品加工过程中的预冷、速冻和解冻过程中的工艺研究与相关装置的研发
以产地预冷为目标的果蔬预冷技术在我国已有10多年的发展，但在果蔬流通中普及率非常低，导致货架期缩短，流通损耗加大。

我国已经确定压差预冷技术与装置、真空预冷技术与装置为蔬菜水果预冷技术的首选技术，并相继开发出高湿差压预冷装置和一体化差压预冷装置产品并得到应用。

肉类食品的速冻和解冻技术与装置在我国有20多年的历史，近年来在速冻设备流场分布、进出料口耗冷特性方面有了进一步研究和进展；速冻设备制造已基本形成了产业链，关键部件均有生产厂家，整机设备已出口俄美等国家。

针对冻结畜肉产品的解冻装置近2年已开始得到一定范围的应用，我国的自主产品基本可满足国内的应用。

块冰（含碎冰），冰浆在食品保鲜方面有了较广泛的应用基础，促进了设备制造技术的发展。

冷库的节能运行与安全可靠
冷库节能运行是我国制冷行业亟待解决的问题，缺乏理论研究和应用数据的统计及相关的实验平台。

结合应用现状，已从节能操作开始，立项制定《冷库节能运行指南》行业标准，并正在制定冷库性能检测方法的系列国家标准。

冷库建造、设备应用、安全运行管理也存在一些薄弱环节，已经提交完成《冷库安全规程》强制性国家标准的报批稿，有待批准发布实施。

我国在役和新建造规模冷库中氨制冷系统占有绝对优势，由于氨的特殊性，2010年新颁布的国家标准《冷库设计规范》对氨制冷系统机房设计和系统氨充灌量设计等方面提出了更高的要求，以保证系统的安全性。

新设计规范同时对冷库保温层的最低要求进行了更新，使库体耗冷量比原标准减少10%以上，使系统能耗相对减少。

近两年在冷库设计建造实例中，采用了冷风机空气融霜，不仅使制冷系统能耗降低，而且简化了制冷系统，提高了系统的可靠性，并减少了氨的充灌量，提高了安全性。

冷藏运输技术
我国冷藏运输设施严重不足，是制约冷藏链发展的瓶颈。

近年来随着民生建设的发展，冷藏运输成为发展的重点之一。

2009年8月，我国首部冷藏运输国家规范《易腐蚀品控温运输技术要求》正式颁布实施。

在监控方面，无线传感器网络和无线数据运输技术等技术也得到初步运用；在装备优化方面，冷藏运输装备的部件、性能、模拟等研究都有一定的进展；为降低运行能耗，在VIP隔热材料、内部温湿度分布、气流组织、货物堆码方式、包装形式等问题上也展开研究，并有一定成果。

通过合资和引进技术，我国冷藏车技术有了一定发展，但在质量上和数量上都很不足。

根据我国飞速发展的铁路系统，我国提出今后重点发展冷藏
集装箱技术，使其成为长途食品冷藏链的主要方式。

这一方向的确定和逐步实施将带动相关设备和技术的发展，也会使我国食品冷藏链出现**性的发展
冷藏销售终端
冷藏销售终端主要是食品冷藏陈列柜。

我国相应的制造厂商以中日或中美合资和独资公司为主，其生产制造水平基本上达到国际先进水平，但多数为引进和模仿国外技术。

部分企业的研发也开始安排在我国，我国目前是冷藏销售终端的世界第一制造大国和出口大国，也是最大的消费市场。

与之相应的配套部件也基本上由国内生产厂商供应。

降低运行能耗、提高食品储藏质量，是目前冷藏销售终端发展的主要方向，我国近年主要开展风幕柜风幕性能的研究、供冷系统方式的研究，获得了一定的研究成果。

为规范市场和提高我国冷藏陈列柜的技术水平，冷藏陈列柜的系列国家标准于2007年颁布实施，相关的能效标准也在制定中。

空调制冷系统及热泵技术
我国城镇民用建筑空调普及率已经超过70%，民用建筑空调的在役运行容量和年生产与销售量都处于全球第一的地位；随着建筑节能工作的深入，各类热泵又被广泛地用于建筑冬季供暖和生活热水制备；而为工业、科研和医疗部门营造各种低温和恒温、干燥和恒湿、净化等特殊环境，也是空调制冷技术应用的一个重要领域。

在这些方面我国近年来的主要研究进展如下：
地源热泵系统
通过地埋管形成地下热交换器，从而以土壤为蓄热体，构成热泵系统为建筑供冷供热。

这一技术近年来在我国飞速发展。

围绕大量的工程需求，我国在技术上也有突破性进展：开发出现场热物性测量的专用设备，可以较高精度地测出土壤热物性参数；在国际上率先提出各种埋管形式的地下不稳定传热过程的解析解，从而可以建立可靠的数学模型和计算机软件对地源热泵系统进行模拟和设计分析；形成了较好的回填工艺和防止埋管端头淤堵的工艺，从而保证了系统可靠性；形成了全套的设计计算与分析方法，保证系统的可靠和高效。

在此基础上我国已制定和颁布了地源热泵的设计标准，保证了工程的规范化。

目前我国地源热泵的应用在单体规模上和整体容量上都处于世界第一。

今天，随着社会生产力的发展和人们生活水平的提高，其应用范围已扩大到国民经济各个行业和人们日常生活各方面：
1．冷冻冷藏营养学家的研究表明，食品的合理冷藏温度一般为。

一lo℃之间，面大多致食品在5℃条件下冷藏，营养损失较小，细菌繁殖及有害物质生长得到控制。

要长期保存鱼肉类食品，则需要更低温度，即进行冷冻。

“快速冷冻Dap在o一一5℃温度内的降温速度要快．可大大减小食品营养和鲜味的损失。

通过这段温度区间，时间不超过30分钟为宜。

现代的食品加工、贮藏、运输和销售，直到用户之间需要形成一个一环扣一环的“冷藏链”。

所采用的制冷装置有速冻机或急冻间、冷库、冷藏汽车、冷藏船和冷藏列车，有商业和食堂、餐厅用的冷藏柜、陈列柜；以至供家庭用的各类型电冰箱等。

2．空气调节这是制冷技术应用的一个最广泛的领域。

空气调节既有制冷，同时又包含对空气的处理过程，即调节空气的温度、湿度、洁净度和进行气流分配，以达到热舒适性要求和工业生产的工艺性要求。

前者称舒适性空气调节，例如宾馆、商店、办公室、剧场等公共场所以及家庭住宅等处的空调设备。

后者称生产工艺性空气调节，例如高温车间、纺织厂、印刷厂、仪器仪表车间、计量室等处的空调设备。

L工业生产在化学工业中，利用制冷可使气体液化，混合气体分离，带走化学反应中的反应热，结晶、脱脂、石油裂解、合成橡胶、合成树脂、合成染料、化肥、天然气液化等。

在机械制造中，也需要制冷技术对钢进行低温处理(一70一一90℃)，
以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。

在机械装配过程中，利用金属热胀冷缩的性能，能方便地实现过盈配合。

3:工业生产在化学工业中，利用制冷可使气体液化，混合气体分离，带走化学反应中的反应热，结晶、脱脂、石油裂解、合成橡胶、合成树脂、合成染料、化肥、天然气液化等。

在机械制造中，也需要制冷技术对钢进行低温处理(一70一一90℃)，以改变其金相组织，使奥氏体变成马氏体，提高钢的硬度和强度。

在机械装配过程中，利用金属热胀冷缩的性能，能方便地实现过盈配合。

4．农牧业利用制冷对农作物种子进行低温处理，创造人工气候室幼苗和某些不同季节的作物，丰富人们的餐桌。

利用制冷还可以保存良种精液，以便进行人工配种工程的许多要求，而创造出一些奇迹。

5．医疗卫生冷冻手术如肿瘤、心脏、白内障、扁桃腺等切除手术，皮肤和眼球的保存和移植、低温麻醉等，都需要制冷技术。

另外，保存疫苗、药品、血液、皮肤和肢体等，也与制冷技术息息相关。

6．建筑工程用制冷技术可实现冻土法开采土方。

在挖掘矿井、隧道，建筑江河堤坝时，或在泥沼砂水处掘进时，采用冻土法可使工作面不坍塌，保证施工安全。

拌和混凝土时，用冰代水，借冰的熔化热补偿水泥固化反应热，可以制出大型的改构件，可有效地避免大型构件因得不到充分散热而产生内应力和裂纹等缺陷。

7．国防高寒条件下工作的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需作环境模拟试验，航空仪表、飞机t火箭、导弹及其控制仪表也需要在地面模拟高空低温环境进行性能实验。

这些实验都需要制冷技术为其提供条件。

原子能反应堰的控制也离不开制冷技术8．高新技术微电子、新型原材料(如超导体和纳米材料)、新型燃料(如火箭燃料——液氢)、生物工程、宇宙开发等尖端科技领域，制冷技术都起着一定作用。

总之，制冷技术在当今生活的各个方面都有广泛的应用，相信随着国民经济的发展和人民生活水乎的提高，制冷技术必将有着更加广阔的应用前景。

冰箱技术发展方向：节能环保智能化
在中国家用电器协会2011年11月3日发布的中国家电产业技术路线图(2011版)中，除了制定中国家电行业总体技术发展方向外，还分别编制了冰箱、空调、洗衣机的技术路线图。

其中，冰箱产业技术路线图分别就社会及市场需求、产业目标、技术瓶颈和研究需要四个方面，为冰箱产业未来发展指明了方向，确立了目标。

根据冰箱产业市场和社会需求，中国家用电器协会在冰箱技术路线图(2011版)中，分别就节能、低碳环保、产品结构升级、质量、智能化和先进制造6个方面，提出了具体产业目标。

在节能方面，到2015年，冰箱能效水平要比2009年提高20%，冰箱压缩机COP值提高到A级(GB/T9098-2008)，变频压缩机使用占比10%以上，冰箱的绝热性能较现有水平提高5%，到2020年时，再提高5%。

2020年冰箱能效水平比2015年提高15%。

在低碳环保方面，冰箱产业研发重点是新制冷剂、发泡材料HCFC替代、有害物质控制、回收再利用、噪声等。

其中，对于新制冷剂的研究，要求到2015年，中国冰箱、冰柜行业HCFC-141b 发泡替代完成。

在产业结构升级方面，到2015年，国内市场250L以上大容量、多门、对开门等高档冰箱的比重由现在的15%提升至25%，并制定冰箱、冷柜尺寸标准化行业标准;到2020年，实现冰箱、冷柜尺寸标准化，并建立嵌入式冰箱标准。

在质量方面，到2015年，冰箱当年维修率比2011年下降20%，2020年比2015年再下降10%。

对于智能化，要求到2015年完成家电互联接口通信协议的标准化和协调一致。

最后，产业目标关于先进制造方面提出，要在2015年时，整机生产能耗(吨标煤/万元产值)平均降低15%。

目前，中国冰箱产业技术瓶颈主要涉及冰箱压缩机变频技术、低导热绝热技术、大容量多门风冷冰箱技术、冰箱化霜技术和自动制冷技术。

其中，冰箱变频压缩机性能与国外先进水平还存在一定的差距，尤其在控制系统的核心技术以及与压缩机的结合研发方面差距很大。

未来应加强变频控制系统的研发，达到智能化和低功耗的要求;提高压缩机的效率，加强压缩机噪声、振动(共振)及可靠性研究。

研发需求是冰箱产业技术路线图最重要的部分，确定了满足社会和市场需求、实现产业目标、解决技术瓶颈的主要技术领域，主要包括节能、低碳环保、产品结构升级、智能化、冰箱压缩机五个方面。

在节能领域，冰箱产业的研发重点包括制冷系统优化，绝热技术、控制技术、变频技术、节能照明技术、全天候节能。

预计到2015年，制冷系统优化对整机节能贡献率提高15%。

绝热技术涉及真空绝热板、新型发泡技术、中空玻璃隔热防露、节能型门封四部分，目前冰箱产业所用发泡材料的导热系数在0.019~0.0205W/(m·K)之间，到2015年整机绝热保温性能提高5%，到2020年再提升5%。

控制技术主要涉及低功耗控制器及显示器和待机功耗。

目前低功耗控制器及显示器空载功率在1.5W左右，到2015年要求降低30%，到2020年，要求比2015年再降低20%;待机功耗也将由现在的1W左右，降到2015年的0.5W和2020年的0.3W。

此外，变频技术对冰箱节能来说至关重要，冰箱产业技术路线图要求，到2015年，变频冰箱占比达10%，能效提升20%;到2020年变频冰箱占比20%，能效再提升10%。

对于节能照明技术，要求在2015年实现全面应用LED灯的目标。

另外，全天候节能设计冰箱也要逐渐发展起来，到2015年全天候节能设计冰箱市场占比5%，到2020年，市场占比15%。

在低碳环保领域，冰箱产业重点研究噪声、新制冷剂、废弃冰箱回收技术、混合能源应用、发泡材料HCFC替代等。

安全环保节能将成为新制冷剂研发和应用的重点，目前，R290出口已有定制，R744(CO2)已有压缩机，预计到2015年，R290工质在冷柜上批量使用，到2020年，R744(CO2)工质在冰箱、冷柜上批量使用。

废弃冰箱回收技术包括冰箱拆解技术、发泡料回收处理技术、包装材料回收技术。

目前，欧盟WEEE指令规定了冰箱3R指标，但国内关于废弃家电回收处理的法规还不完善。

冰箱产业技术路线图提出，到2015年，冰箱产业应实施绿色设计，3R指标符合产品可再生利用率要求，拆解成本降低20%。

目前，冰箱、冷柜行业超过90%的企业已经采用零ODP的环戊烷作发泡剂，到2015年，国内冰箱冰柜行业HCFC-141b发泡替代将完成。

冰箱结构升级的研究方向主要针对对开多门风冷冰箱技术、保鲜技术、整机尺寸标准化三个方面。

现在应用对开多门风冷冰箱技术的冰箱在市场占比为8%，到2015年，市场占比要达到12%，能效水平提升20%;到2020年，市场占比达到18%，能效水平提升15%。

对开门风冷冰箱技术研究包括新型低功耗化霜技术、仿真技术应用、降噪研究、冰箱湿度调节技术研究。

保鲜技术中，需要研究真空保鲜技术、温湿度精确控制技术、抗菌及除菌技术、食品保鲜度预警等。

目前，抗菌冰箱标准已实施，到2015年，完善冰箱抗菌标准，建立冰箱保鲜标准。

此外，到2020年，冰箱产业应当完成制定整机尺寸标准化行业标准，并实现整机尺寸标准化，建立嵌入式冰箱标准。

在智能化领域，冰箱智能化技术和网络化技术是重点研究方向。

其中，冰箱智能化技术主要涉及智能控制技术、功能智能化、人机交互人性化。

目前，在冰箱智能控制技术方面已经具备一定基础，但只有少量概念产品，到2015年，会有智能冰箱推向市场，2020年，智能冰箱进入推广。

在智能购物和远程控制方面目前只有少量概念产品出现，且功能不完善。

到2015年，完成家电互联接口通信协议的标准化和协调一致，2020年时，适合市场应用的物联网冰箱技术成熟。