春分時節，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？戰國青銅冰鑒（圖1），現藏于中國國家博物館。《周禮·凌人》記載：“春始治鑒，凡外內饔之膳羞鑒焉，凡酒漿之酒醴亦如之，祭祀共冰鑒。”古人在尊擊內裝酒，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）是一種在制冷循環系統中用來吸收熱量并轉移熱量的物質。
在典型的蒸汽壓縮式制冷循環系統中（圖2），制冷劑先在蒸發器（低溫區）吸收熱量，后在冷凝器（高溫區）釋放熱量，同時制冷劑從蒸發器轉移到冷凝器，并將熱量從低溫區轉移到高溫區，實現低溫區降溫。
日常生活中，冰箱（空調）對應的高溫區和低溫區分別冷凍室/冷藏室（房間）和屋內環境（屋外環境）。
圖2 蒸汽壓縮式制冷循環系統示意圖[1,2]
制冷劑有哪些種類？
ASHRAE（美國暖通空調工程師協會）標準34給出了100多種制冷劑，可按照化學組成、物理性質、應用領域、環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 氟利昂制冷劑產品[4]
我們為什么需要制冷劑？
制冷劑在現代社會扮演著不可或缺的角色（圖4），通過以空調、冰箱、冷機等為代表的制冷設備吸收和釋放熱量實現溫度控制。
日常生活中，家用空調和冰箱的普及改善了人們的生活品質和生產效率；食品存儲和運輸行業，冷藏和冷凍技術可以保持食品的新鮮度，延長貨物的保質期；醫療保健和生化領域，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境有沒有破壞？
部分早期使用的氟利昂制冷劑會對環境造成破壞，導致臭氧層漏洞和全球氣候變暖（圖5）。
因此，聯合國制定了《蒙特利爾議定書》，包括我國在內的多數國家已于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，也會影響生態系統和全球氣候。《蒙特利爾議定書》列為一類受控物質，2010年全球范圍內已淘汰并禁產。
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，《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》沒有規定使用期限，《聯合國氣候變化框架公約》京都協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、呼吸系統等癥狀。
然而，隨著新技術和環保意識的不斷提高，這些破壞性的制冷劑已經逐漸被二氧化碳、碳氫化合物（HCs）等環保、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研制出冬奧史上最環保的冰面雪道[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在哪？
制冷劑的使用需綜合考慮能效、環保、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境的污染，降低溫室效應，節省成本和資源，促進可持續發展。
然而目前，我國制冷劑年回收量不足年使用量的3%，與發達國家的差距明顯。
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、用戶及從業者環保意識淡薄等[13]。
圖6 2014年我國非二氧化碳溫室氣體排放占比[14]
國內制冷劑發展情況如何？
過去幾十年，我國的制冷劑行業發展迅速，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國（圖7）和消費國，同時也出臺了一系列涉及制冷劑的環保政策和法規（表2），以促進可持續發展。
例如，2010年頒布《消耗臭氧層物質管理條例》，限制使用和生產CFC和其他臭氧層空氣污染物。
目前，國內制冷劑正逐步向更加環保、節能、智能化和可持續的方向發展。
圖7 2016-2020年我國R22和R32制冷劑產量[15]
表2 制冷劑有關政策和法規
國際上制冷劑發展得怎么樣？
國際上制冷劑朝著綠色環保、高效節能、與時俱進等趨勢發展，主要表現在以下幾個方面：
綠色環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正在使用綠色環保制冷劑，以滿足環保要求并降低溫室氣體排放。
制冷系統的節能優化：提高制冷系統的能效和減少能源消耗能夠滿足日益嚴苛的節能減排要求。
多功能制冷劑的應用擴展：除了傳統的空調、冰箱等領域，制冷劑被越來越廣泛地應用于醫療保健、生命科學、工業制造等多個領域。
制冷劑回收和再生技術的發展：制冷劑回收和再生技術得到了更多的關注[16]，日本等國家和地區甚至制定了強制性的法規和政策。
圖8 日本2003-2018年各領域制冷劑回收情況[16]
參考文獻：
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[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, [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.
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[15] 高恩元, 韓美順. 2020年度中國制冷劑產品市場分析[J]. 制冷技術, 2021, 41(S1): 51–59.
[16] 高歡, 顧昕, 丁國良. 制冷劑回收與再生現狀分析[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2023-2025年度青年人才托舉工程項目
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