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1、制冷及低溫工程學科發展報告一、引言制冷及低溫工程學科是圍繞營造低于自然環境溫度的微環境或物質狀態所展開的科學研究、工程實施和相關設備裝置制造。它是現代科學研究和現代工程技術賴以實現的重要平臺，也是現代食品工程、建筑環境、醫療體系三大民生服務體系的重要技術支撐。低溫技術營造從接近絕對零度到120K范圍的低溫，是超導、遠紅外觀測和成像等技術的關鍵；也為受控核聚變、正負電子對撞機等許多現代科學研究裝置解決關鍵問題。而120K到常溫帶的制冷技術，則廣泛用于重化工業和能源產業中的氣體分離、液化；食品的冷藏、保鮮和冷藏鏈；低溫生物醫學工程中細胞、血液、皮膚、軟骨等生物材料的保存和冷凍外科手術；建筑舒適性空2、調和為科研與生產過程提供的低溫、恒溫、干燥、恒濕的微環境；航天、航空、航海、潛水和陸地交通工具的生命保障系統；大型土木工程的冷凍工法及材料的低溫改性等。制冷技術是現代科學技術、現代產業、現代化生活都不可缺少的支撐技術。研究表明，目前我國制冷系統及其輔助系統的運行目前消耗的能源占全國總的能源消耗量的20。在現有運行基礎上，尚有2030的節能空間，節能潛力很大；作為主要制冷方式的蒸汽壓縮制冷所使用的制冷劑HCFC屬于破壞大氣臭氧層、具有較強溫室效應的物質，將被逐漸停止使用。節能減排、保護大氣環境還是制冷學科必須面對和承擔的社會責任與歷史使命。在制冷空調、冷藏保鮮等領域，我國是世界上最大的設備制造國3、和消費市場。吸收式制冷機、房間空調器、冰箱、冷藏展示柜等設備，產量均占全球生產量的一半以上。制冷行業對我國的經濟發展和對外出口有重要影響。近年來，我國制冷學科有不少重大創新和進展，但總體上看，相比我國制冷行業眾多的數量第一的國際地位，在基礎研究上、高端產品上、整體制造水平上以及系統運行的能源效率上，我國還處在相對落后的地位。除少數突出的研究成果外，總體上缺少原創、核心和領先技術。主要原因是制冷學科的基礎研究跟不上應用需求的發展，整體的科學研究水平落后于制冷設備制造和制冷技術應用領域的發展，中國制冷學術領域在國際學術界的地位滯后于中國制冷企業和工程應用界的國際地位。二、本學科主要進展和國內外狀況4、比較制冷及低溫工程學科涉及眾多學科和領域，現就主要內容的進展和國內外狀況比對如下。（一）新型制冷技術我國在熱聲制冷方面的研究總體水平處于世界前列。在基礎理論研究方面，提出交變流動熱機和制冷機的介觀熱力學理論，指出交變流動熱機的理想循環不是斯特林循環，糾正了200年來的錯誤認識；提出熱聲轉換的非線性理論，建立了弱非線性的熱聲學解析理論，解決了傳統線性化熱聲理論的重大理論困惑；提出了揭示可壓縮交變流傳熱機制和設計的“交變流復傳熱學”理論框架。在熱聲制冷新流程方面，我們與美國幾乎在國際上同步且獨立地開展了高效率的行波熱聲壓縮機和行波熱聲制冷技術，特別是我國提出了采用變截面諧振管抑制非線性耗散的“聚能5、型熱聲發動機”技術，一舉獲得了國際上的最高壓比，率先在國際上研制完全無運動部件的液氮和液氫溫度制冷機。在室溫熱聲制冷方面，我國提出了雙行波熱聲制冷流程，并研制了在冰箱制冷溫度下有數百瓦制冷量的實驗樣機，其制冷性能居于國際前列。我國在磁制冷材料的研究方面處于國際前列，所提出的鐵基合金材料的性能優于美國和歐洲的，而且具有價格低廉、合成制作工藝簡單等優勢，但在磁制冷樣機研究方面與最先進的美國有差距。我國總體在磁制冷、激光制冷、半導體制冷等方面的研究整體落后于世界先進水平。美國在室溫回轉式取得零溫跨下接近800W制冷量的結果，而中國則僅取得50度無負荷的制冷溫跨。而激光制冷主要研究工作涉及激光制冷材料6、和激光系統，我國還沒有實際開展這一方向的研究工作,與國外差距很大。美國近年來在半導體制冷材料研究上也有大的突破，而我國的基本研究上處于停滯狀態。（二）制冷工質替代我國積極參與制冷工質限制和替換的各項國際行動，是各相關協議的簽約國。為了保證中國制冷業的發展，我國必須發展一條有中國特色的自主創新性制冷工質替代路線。通過相關的共同努力，初步形成我國的工質替代路線及制冷工質替換的國家方案。并在混合工質研發上取得了國內外認可的成果，并已有一系列共沸和非共沸混合物專利；在工質熱物性測量和熱物性推算上也有了新的進展。為了與各類替代工質相適應，國內研究界和企業界相繼開展了大量的替代工質應用性研究，并取得顯著進7、展。發展天然工質也是解決制冷工質替換另一條技術路線。我國在采用CO2、氨和碳氫化合物作為制冷工質的研究方面也取得了一定的進展，開發出擁有自主知識產權的用于氨和CO2復疊制冷系統的螺桿壓縮機，其性能達到世界先進水平，并積極開發CO2熱泵熱水器和用于汽車空調的CO2壓縮機。針對回收膨脹功這一CO2制冷機的特殊需求，提出多項發明專利并試制出引射器、膨脹機等樣機。開發出采用碳氫化合物為工質的冰箱，并已大量出口，然而，在應用CO2工質方面我國無論是壓縮機還是應用系統，都和世界先進水平有較大差距。我國還參與了測試和評價壓縮機性能相關國際標準的討論和制定，建立了CO2制冷系統綜合性能實驗臺，為我國相關標準的8、實施做好了準備。（三）低溫生物醫學我國在生物材料的體外保存方面，將納米技術與低溫醫學工程相結合，開展了熱學和生物學方面的系列研究，在組織、細胞、血液的保存研究上都有重要進展，已經建成7座臍血干細胞庫，不同的醫院先后建立了精子庫、角膜庫、皮膚庫，血管及軟骨庫等，為需要移植的病人提供了有效的組織替代物，為生命科學研究進展提供保障。為滿足醫學生物材料保存的需求，我國還在40以下的低溫冰箱上有重大創新和優化，首次采用同一種機械式制冷技術實現了全溫區系列機械式制冷低溫冷凍儲存箱，比國際通用技術產品能耗降低30%以上、生產效率提高30%以上、硬件成本降低20%以上，全溫區系列已實現規模生產并批量出口。使我9、國一躍成為世界上全面掌握先進低溫冷凍儲存箱核心技術和生產技術的國家，同時也滿足了低溫生物醫學工程發展的需求。 在低溫外科手術技術與裝置方面，我國近年也有顯著進展，將納米技術與低溫工程學相結合, 發展先進腫瘤微創治療方法的技術理念, 相繼開展的機理分析、試驗研究和醫療儀器的研制等方面取得系列進展，提出獨創的冷凍刀技術方案，研究出相應裝置，正等待全面的檢驗和實驗，以正式進入臨床使用。 與國外相比，我國此領域的研究多數仍屬于跟蹤性的研究，自主創新的東西仍然較少，低溫生物學的基礎研究仍然很薄弱，醫學生物材料保存的應用范圍也遠不及發達國家，冷凍外科所用冷刀還依靠進口，我國自行提出并研制的冷凍刀等手術器械10、距批準臨床使用還有較大差距。（四）制冷設備的研發我國目前是世界上制冷設備生產的大國，在這一領域已基本上形成完整的生產能力，在家用制冷設備（白色家電）、螺桿式制冷機、吸收式制冷機等方面是世界上最大的生產商和代工制造者，制造能力基本上達到國際先進水平。在小型冷凍冷藏設備上，我國已具備旋轉、渦旋壓縮機的研發、設計和制造能力；在小型變頻壓縮機方面近年來有所突破，主要性能達到國際先進水平；在線性壓縮機方面，也實現了零的突破，但與國際先進水平仍有差距。在大、中等規模制冷機領域，我國目前已經成為世界上螺桿壓縮機的主要研發基地之一，近年來在轉子型線設計及優化、轉子嚙合間隙帶密封特性的轉子刀具設計及加工、內部壓11、縮過程微觀特性的理論及可視化研究、螺桿壓縮機設計計算軟件等方面獲得突破，整體上處于國際先進水平。但國外開始三螺桿壓縮機研究開發，還缺少核心技術，與國外有一定差距。在離心式制冷機方面，由于20世紀90年代的一段停滯，使得我國相對落后。近年來幾個企業開始加速開展離心式壓縮機和系統的研發，目前已引進并二次開發出大型三元計算軟件對葉輪和進口導葉、出口擴壓器進行優化設計，通過改進空氣動力學特性和熱力特性以提高能效。為配合國家向境外投資大型液化天然氣項目的需要，已開始進行為年產百萬噸級LNG液化廠配套的混合制冷工質大型離心式壓縮機的研發工作。但在設計方法、加工工藝等方面還有一定差距，主要的關鍵技術基本上由12、國外相關企業掌握。尤其是在代表離心式制冷機發展的未來的磁懸浮離心壓縮機方面，目前發達國家已陸續開發出成熟產品，但我國僅有初步工作，與國外有很大差距。在吸收式制冷方面，我國近20年來發展迅速，在技術水平和生產規模上處于世界領先地位。近年來在新的工質對、系統流程、降膜換熱結構等多方面又有所發展，在制造工藝上也有很大改進。除了制冷應用，目前在工業余熱、熱電聯產等方面又提出大量的吸收式熱泵的應用，由此也在流程和裝置結構方面有重要突破。在吸附式制冷方面，我國也處在世界領先地位。在工質、流程、裝置結構等方面近年來都有突破，并成功的應用于建筑太陽能空調，大型客車空調、遠洋漁船冷藏，并且開始嘗試推廣。（五）食13、品冷凍冷藏鏈我國的農牧漁產品的生產與供應方式目前正處在重要的轉型期，從傳統的就地生產就地銷售的手工業模式正在向規模生產、長途輸配、異地銷售的工業化模式轉型。由此產生對食品冷凍冷藏鏈研究、運行管理的巨大需求。近年來，我國在相關的基礎研究方面有了重要進展，開始獲得了一部分食品儲藏基礎數據，如荔枝、冬棗、大桃、食用菌等儲藏物的儲藏條件，使貯藏期逐步延長；水產品無水或微水活體儲藏也取得了一定的進展，實驗研究已達到鯽魚微水儲藏30小時、無水儲藏16小時，但與發達國家已建成的豐富完整的儲藏數據庫相比，我國還有相當的差距。在冷凍冷藏工藝與設施方面，近年來相繼開發出預冷、速冷、速凍和解凍設備，并得到一定程度的14、應用推廣；在冷庫的節能與安全運行方面，通過制定新的節能設計標準、采用新的末端方式，使新建冷庫運行能耗有所降低。與發達國家相比，我國冷凍冷藏基礎設施和相應設施的技術水平還有較大差距。在冷藏運輸方面，我國長期運力不足，成為冷藏鏈的瓶頸。隨著鐵路建設的飛速發展，提出發展冷藏集裝箱技術和裝備，依托鐵路實現冷藏鏈發展的飛躍。這一新的技術路線的實施很可能帶來冷藏運輸技術和設備的大發展，與發達國家相比，我國冷藏運輸設備制造技術研究力量仍很薄弱、加工制造和產業需求仍存在很大的發展空間。在冷藏銷售終端方面，我國是世界上最大的產品制造國，但主要技術均來源于國外，創新很少。利用國內市場的飛速發展和巨大需求的機遇，促15、進這一領域的創新，有可能形成其新的發展。（六）建筑空調制冷我國城鎮民用建筑空調普及率已經超過70，民用建筑空調的在役運行容量和年生產與銷售量目前都處于全球第一。隨著建筑節能工作的深入，各類熱泵又被廣泛地用于建筑冬季供暖和生活熱水制備；而為工業、科研和醫療部門營造各種低溫和恒溫、干燥和恒濕、凈化等特殊環境，也是空調制冷技術應用的一個重要領域。在這樣巨大的市場需求的驅動下，相關研究已取得多項新的成果。在地源、地下水源、地表水源和污水源熱泵方面，我國取得重大進展。作為分析和設計地源熱泵的基礎，我國推導出各類地下埋管換熱器的傳熱和蓄熱過程的解析解或積分形式的解；率先提出能夠直接從污水中采集熱量而不對污16、濁物進行任何處理的裝置和工藝流程，已大范圍用于實際工程項目；為配合地下水源熱泵的應用，廣泛開展了水文地質與勘測方法的研究，以確定回灌的可能性和水源熱泵的可應用性；提出獨到的單井垂直采集與回灌技術，從而在適宜的地質條件下可以減少井位并確保回灌；率先提出渦旋壓縮機中間補氣的方法，解決了空氣源熱泵低溫下壓縮比不足、制熱量不足的問題。目前我國用于各類建筑冬季采暖的熱泵系統在總裝機容量、單體規模、應用范圍等各方面均處世界第一。對民用和工業建筑的中央空調系統，我國率先提出溫度濕度獨立控制的空調系統新方案，克服了常規空調系統中難以同時滿足溫、濕度參數的要求，可比常規空調系統實現30%的綜合節能效果。溫濕度獨17、立控制空調系統被普遍認為是中央空調未來的發展方向，需要開發研究系列的新型配套產品，成就一個全新的空調產業。我國已開發出用于東南潮濕地區采用溶液除濕方式的新型空氣處理機組，其性能明顯高于國外同類產品；轉輪除濕方式在高性能吸濕劑研究與制備、蜂窩狀陶瓷轉芯成型工藝等方面取得了顯著進展；開發出用于西北干燥地區的利用室外干燥空氣進行間接蒸發冷卻的機組，比蒸汽壓縮制冷方式節能50%以上；開發出適用于高溫冷凍水工況的高效離心式和螺桿式冷水機組，性能遠高于常規制冷工況；研發出干工況風機盤管、毛細管輻射末端等相關產品。目前，此新型中央空調系統已初步形成規模，并開始在各類工程中推廣應用，取得顯著的節能和改善室內環18、境的效果。（七）氣體分離與氣體液化我國目前重化工業領域使用的大型氣體分離設備大多還是從國外進口，而國內只能生產小容量裝置。為配合能源領域的需求，我國在小型天燃氣源、煤層氣、油田伴生氣的液化方面提出有效的流程，并開發出新型可移動設備，在世界上處領先地位。而在大型天然氣液化方面，目前剛剛起步，與國外先進水平還有較大差距。（八）大型土木工程中的制冷應用我國提出基于制冷技術的新的工藝流程，解決大壩澆灌過程中混凝土熱量排除問題，在三峽大壩、龍灘、小灣、構皮灘、彭水、景洪、南水北調中線等國內大中型水電項目和巴基斯坦、埃塞俄比亞、沙特、蘇丹等國外工程中相繼使用，取得顯著成效；提出利用熱管技術避免青藏鐵路永久19、凍土消融問題，保證了青藏鐵路的開通和正常運行；發展了冷凍法施工技術，解決了地下工程、煤礦和大型橋梁施工中的關鍵問題。這使得冷凍法施工發展成為許多大型土木工程的一項行之有效的新型施工技術。三、本學科重點發展方向綜上所述，我國制冷學科隨著城鄉建設、經濟發展和人民生活水平的不斷提高，得以飛速發展，然而仍不能滿足現代化發展對制冷學科不斷增加的需求。面對我國今后面臨的民生建設、節能減排和現代化產業建設這三項重大任務，制冷學科必須加速發展食品冷凍冷藏冷鏈方面的研究，保證食品的安全、高質和低損耗供應；加速開展低溫生物醫學研究，以適應建設現代化醫療服務系統的需要；持續建筑空調制冷方面的研發，滿足日益增長的對舒20、適型人居環境的需求和現代科技與工業對低溫、恒溫、干燥、恒濕環境的需求。另一方面，完成節能減排的任務、降低用于各領域的制冷系統的運行能耗、替換破壞大氣環境的制冷工質已成為制冷學科重要的社會責任。為解決這一系列新的問題，制冷學科需要重點發展如下方向。1制冷的基礎理論研究從熱科學的新理論出發對現有制冷系統提出新的認識和分析手段；發展新的制冷方式，提出新的制冷循環與熱力學設計方法、準則； 建立物性測試平臺，建立系統全面的材料物性數據庫，包括食品物性、低溫固體材料、制冷工質、氣體分離中物性等基礎數據；建立制冷與低溫流動、傳熱研究平臺，獲得設計低溫傳熱的流動和傳熱數據。2工質（制冷劑）研究把握好環保（OD21、P和GWP）、安全（毒性和可燃性等）、成本和能效之間的“折衷”平衡，研究適合于中國國情和引領國際趨勢的工質篩選綜合評價體系；在國家方案框架下實施我國逐步淘汰HCFCs的戰略安排；立足國情發展HC290和HFC32替代HCFC22的研究，從適用領域拓展、核心應用技術、風險評估、制訂應用標準等方面進行系統研究，使之得到市場的全面應用；加快掌握“天然工質”核心技術的步伐，開發高效安全的氨系統設備，CO2系統設備，以及HCs系統設備。3制冷關鍵設備的研發制冷壓縮機是制冷系統的心臟設備，也是制冷產品能效水平提升的關鍵。要重點研究制冷離心壓縮機，突破高效葉輪設計、磁懸浮軸承、小間隙軟密封和干氣密封等關鍵技22、術，推動制冷離心壓縮機的國產化；開發直線壓縮機大型化技術，推動小型冷凍冷藏裝置和家用空調器的進一步發展。此外，膨脹閥性能的深入研究和新的膨脹閥控制算法也將是研究的重要方向；各類換熱裝置的高效換熱、流程匹配以及傳熱設計的精細化、準確化，都將是提高制冷設備性能水平、推出新型制冷裝置的關鍵。為完成上述任務，實現我國制冷學科的進一步發展，需要在政策和體制上解決如下4方面問題：（1）將制冷學科作為一級學科納入各類學科管理目錄，這樣才能有利于學科的發展和基礎建設；（2）按照制冷學科這樣的專業學科層面設置國家級重點科研項目，全面系統開展制冷學科相關問題的研究；（3）系統地推進制冷學科的人才建設，防止很快將出現的各類制冷專業人才緊缺現象；（4）加速制冷專業研究機構和研究能力平臺的建設。