如何享有清凉一夏？科学家们在制冷领域不懈努力，在材料复合、物理结构设计等维度上无限创想，未来方向日渐明晰制冷创新，全球正热，我来为大家科普一下关于全球降温冰河世纪?下面希望有你要的答案，我们一起来看看吧!
全球降温冰河世纪
如何享有清凉一夏？科学家们在制冷领域不懈努力，在材料复合、物理结构设计等维度上无限创想，未来方向日渐明晰。制冷创新，全球正热。
从古印度的蒸发制冷
到氟利昂的大起大落
人类与酷热斗争的历史，可以追溯到几千年前。在中国，先秦时代的人已经掌握采冰、储冰技术。希伯来人、古希腊人和古罗马人把大量的雪埋在储藏室地下的坑中，然后用木板和稻草来隔热。在古印度，蒸发制冷技术也得到了应用。当一种流体快速蒸发时，它迅速膨胀，升起的蒸汽分子的动能迅速增加，而增加的能量来自周围的环境中，周围环境的温度因此而降低。
中世纪时，冷却食物是通过在水中加入硝酸钠或硝酸钾而使温度降低，1550年的相关记载中，冷却酒就是通过这种方法。这就是制冷工艺的起源。
在法国，冷饮是1660年开始流行的。人们通过在水里旋转装有溶解硝石的长颈瓶，来使水冷却。这个方法可以产生非常低的温度并且可以制冰。17世纪末，带冰的酒和结冻的果汁在法国社会已非常流行。
1842年，美国佛罗里达医院的一位内科医生为了给黄热病患者治疗，设计和制造了一台空气冷却装置给病房降温。其基本原理是：压缩一种气体，通过盘管使它冷却，而后膨胀使其温度进一步降低，这也就是今天用得最多的制冷器。后来，他没有满足于病房的实践，进一步投入到制冰实验中，并在1851年获得关于机械制冰的第一项专利。
商业制冷起源于1856年，由一位美国商人开创。1859年，法国人开利发明了一种更加复杂的制冷系统。以前的压缩机用空气作制冷剂，开利发明的设备用快速蒸发的氨作制冷剂。由于氨比水液化时的温度低，因此可以吸收更多热量。新一代制冷机得到了大范围推广。值得一提的是，蒸汽压缩式制冷仍是应用最广泛的制冷方法。历史记载，1914年，美国几乎所有肉联厂都安装了制冷机械的氨压缩系统，每天的制冷能力超过90000吨。
在当时，这种制冷机也有其缺点，即成本高，体积大，系统复杂，再加上氨制冷剂有毒性，因此阻碍了其在家庭中的普遍应用。许多家庭的冰柜仍使用当地制冷工厂提供的冰块。
随着制冷技术的成熟，制冷剂这一核心要素的安全性问题进入人们的视野。1929年，发生在美国俄亥俄州克利夫兰某家医院的冰箱泄漏事故使超过100人丧生。于是，科学家们对研制一种稳定、不易燃、不腐蚀且无毒的新型制冷剂产生了浓厚兴趣。借助于门捷列夫的化学地图，他们发现只有位于周期表右边的非金属元素能生成在室温下呈气态的化合物，同时化合物的可燃性从左到右依次减小。
1920年，Frigidaire公司开发了几种人工合成制冷剂，称为氯氟烃或CFCs，制冷工程师才找到可接受的替代品。这就是人们所共知的新的代替物氟利昂。在化学上，氟利昂的结构是甲烷（CH4）里的4个氢原子被两个氯原子和两个氟原子所代替。除了分子量大之外，无臭无毒。
20世纪80年代后期，氟利昂的生产达到了高峰，产量超过144万吨。在对氟利昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟利昂已达到了2000万吨。由于它们在大气中的平均寿命达数百年，所以仍留在大气层中，其中大部分停留在对流层，一小部分升入平流层。在对流层相当稳定的氟利昂，进入平流层后，会在强烈的紫外线作用下被分解，释放出的氯原子同臭氧会发生连锁反应，不断破坏臭氧分子。科学家估计一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。根据资料，2003年臭氧空洞面积已达2500万平方公里。臭氧层被大量损耗后，吸收紫外线辐射的能力大大减弱，导致到达地球表面的紫外线明显增加，给人类健康和生态环境带来多方面的危害。
寻找新材料、新路线
向太阳要清凉
“寻找氟利昂的代替品，科研人员的路线产生了分歧。”上海市能源研究会副理事长、上海海事大学动力工程及工程热物理学科带头人章学来教授介绍，当时，美国人考虑到破坏臭氧层的“元凶”是氟利昂中的氯原子，所以决定探索一种不含氯原子的人工制冷剂，欧洲则选择向天然工质“异丁烷”发展。
这两条线路成为科研主流，但也各有利弊。比如，前者虽然对臭氧层没有伤害，但可能带来更多温室气体排放；后者则不够稳定，易燃易爆。而起步较晚的中国科学工作者们，则选择充分发挥后发优势，对两者均有涉猎，谨慎而大胆。
目前，研制和发展对臭氧层无损耗、无温室效应而且节能环保的制冷技术，已成为该领域研究者的共识。一系列传统制冷技术以外的新材料、新路线，带来百花齐放。
首先是太阳能制冷。太阳能制冷主要包含吸收式、吸附式、喷射式和光伏等制冷类型。太阳能吸收式制冷是用太阳能集热器收集太阳能来驱动吸收式制冷系统，通过储存液态冷剂的相变潜热来储存能量，利用其在低压低温下汽化而制冷。
太阳能吸附式制冷，以太阳能为热源，采用的工质通常为活性炭―甲醇、分子筛―水、硅胶―水及氯化钙—氨等，可利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂，通过加热脱附、冷凝、吸附、蒸发等几个环节实现制冷。
太阳能喷射式制冷是通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽，通过喷管时因流出速度高、压力低，在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室，同时制冷剂在蒸发器中汽化而达到制冷效果。
太阳能半导体制冷系统中，光电转换器输出直流电，一部分直接供给半导体制冷装置进行制冷运行，另一部分则进入储能设备储存，以供阴天或晚上使用，保证系统可以全天候正常运行。目前，随着太阳能电池和热电材料的推广使用，这一半导体制冷系统得到广泛应用。
与太阳能相比，磁制冷和热声制冷更加鲜为人知。磁制冷技术是一种热效率高而且节能环保的制冷技术，利用磁热效应制冷，磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量。热声制冷技术主要通过热声效应来完成工作，在声波稠密和稀疏之间完成热量的加入和排出。
考量技术全生命周期
实现新的弯道超车
同样不可不提的是冰蓄冷和水蓄冷技术。晚间用电低谷期间，用电把水冻成冷水或冰；白天用电高峰期，则通过夜晚储备好的冷水或冰水混合物来释放冷气降温——作为一项解决夏日用电紧张的“削峰填谷”的技术，在美国、日本、德国等地已得到应用。
水蓄冷技术应用也有很大的限制条件，尤其是需要对温度进行有效控制，借助于智能管理系统、温度传感器等设备，在前期投入方面成本更高。与之相比，冰蓄冷技术蓄冰槽占用的体积更小，储蓄的冷量是水蓄冷技术的数十倍。单从应用节能性能来说，水蓄冷技术在空调制冷中运用，比传统智能空调节约1/3的电费。
水蓄冷，冰蓄冷，在制冷创新领域中，科幻小说中描述的诸多场景已然成真。那么，科学家目光所及之处，制冷技术的未来在哪里？章学来教授提出自己的看法。
首先是加强对自然能源的开发利用，包括常见的可再生能源太阳能、风能、地热能，甚至海洋能，都可以为人类低碳地获得冷量提供帮助。
其次，应考虑技术的整体生命周期。一方面，在包含制冷剂、制冷部件、制冷体系等工艺技术方面进行优化，获得更为节能环保的清凉。另一方面，节能和环保的标准设定和评测，需涵盖相关设备、耗材的制造、使用、废弃、处理等各环节全过程，不拘泥于一时一物。
第三，不断发现新材料，突破固有制冷模式，实现对传统的弯道超车。例如，在制冷剂领域，对相变材料的研究成为前沿。固态相变材料在磁场、电场、单轴压和净水压等外场驱动下会迅速发生热响应，即固态相变热效应。由于这类材料对环境影响极小，因此固态相变热效应为研发新一代绿色制冷技术提供了可能。
在追求温度的控制以外，提升舒适度也是关键。研究发现，空调制冷营造的最大舒适度离不开适宜的温度、湿度和风速等。科学家和企业合作，研发成功了环绕式风空调，通过智能化的风量调节器控制风速、风向和冷热程度等。
更为值得一提的是，网络技术的普及和发展也使空调制冷技术的智能化、信息化发展成为趋势。制冷技术在大数据分析技术的辅助下，更好地服务于医学、生物科技、冷藏冷冻、农业和建筑等行业。
栏目主编：龚丹韵 题图来源：新华社
题图说明：以冰制冷，几千年前人类就是大自然的搬运工。
来源：作者：彭德倩
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