1、制冷及低温工程学科发展报告一、引言制冷及低温工程学科是围绕营造低于自然环境温度的微环境或物质状态所展开的科学研究、工程实施和相关设备装置制造。它是现代科学研究和现代工程技术赖以实现的重要平台，也是现代食品工程、建筑环境、医疗体系三大民生服务体系的重要技术支撑。低温技术营造从接近绝对零度到120K范围的低温，是超导、远红外观测和成像等技术的关键；也为受控核聚变、正负电子对撞机等许多现代科学研究装置解决关键问题。而120K到常温带的制冷技术，则广泛用于重化工业和能源产业中的气体分离、液化；食品的冷藏、保鲜和冷藏链；低温生物医学工程中细胞、血液、皮肤、软骨等生物材料的保存和冷冻外科手术；建筑舒适性空2、调和为科研与生产过程提供的低温、恒温、干燥、恒湿的微环境；航天、航空、航海、潜水和陆地交通工具的生命保障系统；大型土木工程的冷冻工法及材料的低温改性等。制冷技术是现代科学技术、现代产业、现代化生活都不可缺少的支撑技术。研究表明，目前我国制冷系统及其辅助系统的运行目前消耗的能源占全国总的能源消耗量的20。在现有运行基础上，尚有2030的节能空间，节能潜力很大；作为主要制冷方式的蒸汽压缩制冷所使用的制冷剂HCFC属于破坏大气臭氧层、具有较强温室效应的物质，将被逐渐停止使用。节能减排、保护大气环境还是制冷学科必须面对和承担的社会责任与历史使命。在制冷空调、冷藏保鲜等领域，我国是世界上最大的设备制造国3、和消费市场。吸收式制冷机、房间空调器、冰箱、冷藏展示柜等设备，产量均占全球生产量的一半以上。制冷行业对我国的经济发展和对外出口有重要影响。近年来，我国制冷学科有不少重大创新和进展，但总体上看，相比我国制冷行业众多的数量第一的国际地位，在基础研究上、高端产品上、整体制造水平上以及系统运行的能源效率上，我国还处在相对落后的地位。除少数突出的研究成果外，总体上缺少原创、核心和领先技术。主要原因是制冷学科的基础研究跟不上应用需求的发展，整体的科学研究水平落后于制冷设备制造和制冷技术应用领域的发展，中国制冷学术领域在国际学术界的地位滞后于中国制冷企业和工程应用界的国际地位。二、本学科主要进展和国内外状况4、比较制冷及低温工程学科涉及众多学科和领域，现就主要内容的进展和国内外状况比对如下。（一）新型制冷技术我国在热声制冷方面的研究总体水平处于世界前列。在基础理论研究方面，提出交变流动热机和制冷机的介观热力学理论，指出交变流动热机的理想循环不是斯特林循环，纠正了200年来的错误认识；提出热声转换的非线性理论，建立了弱非线性的热声学解析理论，解决了传统线性化热声理论的重大理论困惑；提出了揭示可压缩交变流传热机制和设计的“交变流复传热学”理论框架。在热声制冷新流程方面，我们与美国几乎在国际上同步且独立地开展了高效率的行波热声压缩机和行波热声制冷技术，特别是我国提出了采用变截面谐振管抑制非线性耗散的“聚能5、型热声发动机”技术，一举获得了国际上的最高压比，率先在国际上研制完全无运动部件的液氮和液氢温度制冷机。在室温热声制冷方面，我国提出了双行波热声制冷流程，并研制了在冰箱制冷温度下有数百瓦制冷量的实验样机，其制冷性能居于国际前列。我国在磁制冷材料的研究方面处于国际前列，所提出的铁基合金材料的性能优于美国和欧洲的，而且具有价格低廉、合成制作工艺简单等优势，但在磁制冷样机研究方面与最先进的美国有差距。我国总体在磁制冷、激光制冷、半导体制冷等方面的研究整体落后于世界先进水平。美国在室温回转式取得零温跨下接近800W制冷量的结果，而中国则仅取得50度无负荷的制冷温跨。而激光制冷主要研究工作涉及激光制冷材料6、和激光系统，我国还没有实际开展这一方向的研究工作,与国外差距很大。美国近年来在半导体制冷材料研究上也有大的突破，而我国的基本研究上处于停滞状态。（二）制冷工质替代我国积极参与制冷工质限制和替换的各项国际行动，是各相关协议的签约国。为了保证中国制冷业的发展，我国必须发展一条有中国特色的自主创新性制冷工质替代路线。通过相关的共同努力，初步形成我国的工质替代路线及制冷工质替换的国家方案。并在混合工质研发上取得了国内外认可的成果，并已有一系列共沸和非共沸混合物专利；在工质热物性测量和热物性推算上也有了新的进展。为了与各类替代工质相适应，国内研究界和企业界相继开展了大量的替代工质应用性研究，并取得显著进7、展。发展天然工质也是解决制冷工质替换另一条技术路线。我国在采用CO2、氨和碳氢化合物作为制冷工质的研究方面也取得了一定的进展，开发出拥有自主知识产权的用于氨和CO2复叠制冷系统的螺杆压缩机，其性能达到世界先进水平，并积极开发CO2热泵热水器和用于汽车空调的CO2压缩机。针对回收膨胀功这一CO2制冷机的特殊需求，提出多项发明专利并试制出引射器、膨胀机等样机。开发出采用碳氢化合物为工质的冰箱，并已大量出口，然而，在应用CO2工质方面我国无论是压缩机还是应用系统，都和世界先进水平有较大差距。我国还参与了测试和评价压缩机性能相关国际标准的讨论和制定，建立了CO2制冷系统综合性能实验台，为我国相关标准的8、实施做好了准备。（三）低温生物医学我国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，开展了热学和生物学方面的系列研究，在组织、细胞、血液的保存研究上都有重要进展，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。为满足医学生物材料保存的需求，我国还在40以下的低温冰箱上有重大创新和优化，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，比国际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，全温区系列已实现规模生产并批量出口。使我9、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。 在低温外科手术技术与装置方面，我国近年也有显著进展，将纳米技术与低温工程学相结合, 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，提出独创的冷冻刀技术方案，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。 与国外相比，我国此领域的研究多数仍属于跟踪性的研究，自主创新的东西仍然较少，低温生物学的基础研究仍然很薄弱，医学生物材料保存的应用范围也远不及发达国家，冷冻外科所用冷刀还依靠进口，我国自行提出并研制的冷冻刀等手术器械10、距批准临床使用还有较大差距。（四）制冷设备的研发我国目前是世界上制冷设备生产的大国，在这一领域已基本上形成完整的生产能力，在家用制冷设备（白色家电）、螺杆式制冷机、吸收式制冷机等方面是世界上最大的生产商和代工制造者，制造能力基本上达到国际先进水平。在小型冷冻冷藏设备上，我国已具备旋转、涡旋压缩机的研发、设计和制造能力；在小型变频压缩机方面近年来有所突破，主要性能达到国际先进水平；在线性压缩机方面，也实现了零的突破，但与国际先进水平仍有差距。在大、中等规模制冷机领域，我国目前已经成为世界上螺杆压缩机的主要研发基地之一，近年来在转子型线设计及优化、转子啮合间隙带密封特性的转子刀具设计及加工、内部压11、缩过程微观特性的理论及可视化研究、螺杆压缩机设计计算软件等方面获得突破，整体上处于国际先进水平。但国外开始三螺杆压缩机研究开发，还缺少核心技术，与国外有一定差距。在离心式制冷机方面，由于20世纪90年代的一段停滞，使得我国相对落后。近年来几个企业开始加速开展离心式压缩机和系统的研发，目前已引进并二次开发出大型三元计算软件对叶轮和进口导叶、出口扩压器进行优化设计，通过改进空气动力学特性和热力特性以提高能效。为配合国家向境外投资大型液化天然气项目的需要，已开始进行为年产百万吨级LNG液化厂配套的混合制冷工质大型离心式压缩机的研发工作。但在设计方法、加工工艺等方面还有一定差距，主要的关键技术基本上由12、国外相关企业掌握。尤其是在代表离心式制冷机发展的未来的磁悬浮离心压缩机方面，目前发达国家已陆续开发出成熟产品，但我国仅有初步工作，与国外有很大差距。在吸收式制冷方面，我国近20年来发展迅速，在技术水平和生产规模上处于世界领先地位。近年来在新的工质对、系统流程、降膜换热结构等多方面又有所发展，在制造工艺上也有很大改进。除了制冷应用，目前在工业余热、热电联产等方面又提出大量的吸收式热泵的应用，由此也在流程和装置结构方面有重要突破。在吸附式制冷方面，我国也处在世界领先地位。在工质、流程、装置结构等方面近年来都有突破，并成功的应用于建筑太阳能空调，大型客车空调、远洋渔船冷藏，并且开始尝试推广。（五）食13、品冷冻冷藏链我国的农牧渔产品的生产与供应方式目前正处在重要的转型期，从传统的就地生产就地销售的手工业模式正在向规模生产、长途输配、异地销售的工业化模式转型。由此产生对食品冷冻冷藏链研究、运行管理的巨大需求。近年来，我国在相关的基础研究方面有了重要进展，开始获得了一部分食品储藏基础数据，如荔枝、冬枣、大桃、食用菌等储藏物的储藏条件，使贮藏期逐步延长；水产品无水或微水活体储藏也取得了一定的进展，实验研究已达到鲫鱼微水储藏30小时、无水储藏16小时，但与发达国家已建成的丰富完整的储藏数据库相比，我国还有相当的差距。在冷冻冷藏工艺与设施方面，近年来相继开发出预冷、速冷、速冻和解冻设备，并得到一定程度的14、应用推广；在冷库的节能与安全运行方面，通过制定新的节能设计标准、采用新的末端方式，使新建冷库运行能耗有所降低。与发达国家相比，我国冷冻冷藏基础设施和相应设施的技术水平还有较大差距。在冷藏运输方面，我国长期运力不足，成为冷藏链的瓶颈。随着铁路建设的飞速发展，提出发展冷藏集装箱技术和装备，依托铁路实现冷藏链发展的飞跃。这一新的技术路线的实施很可能带来冷藏运输技术和设备的大发展，与发达国家相比，我国冷藏运输设备制造技术研究力量仍很薄弱、加工制造和产业需求仍存在很大的发展空间。在冷藏销售终端方面，我国是世界上最大的产品制造国，但主要技术均来源于国外，创新很少。利用国内市场的飞速发展和巨大需求的机遇，促15、进这一领域的创新，有可能形成其新的发展。（六）建筑空调制冷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目前都处于全球第一。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。在这样巨大的市场需求的驱动下，相关研究已取得多项新的成果。在地源、地下水源、地表水源和污水源热泵方面，我国取得重大进展。作为分析和设计地源热泵的基础，我国推导出各类地下埋管换热器的传热和蓄热过程的解析解或积分形式的解；率先提出能够直接从污水中采集热量而不对污16、浊物进行任何处理的装置和工艺流程，已大范围用于实际工程项目；为配合地下水源热泵的应用，广泛开展了水文地质与勘测方法的研究，以确定回灌的可能性和水源热泵的可应用性；提出独到的单井垂直采集与回灌技术，从而在适宜的地质条件下可以减少井位并确保回灌；率先提出涡旋压缩机中间补气的方法，解决了空气源热泵低温下压缩比不足、制热量不足的问题。目前我国用于各类建筑冬季采暖的热泵系统在总装机容量、单体规模、应用范围等各方面均处世界第一。对民用和工业建筑的中央空调系统，我国率先提出温度湿度独立控制的空调系统新方案，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，可比常规空调系统实现30%的综合节能效果。温湿度独17、立控制空调系统被普遍认为是中央空调未来的发展方向，需要开发研究系列的新型配套产品，成就一个全新的空调产业。我国已开发出用于东南潮湿地区采用溶液除湿方式的新型空气处理机组，其性能明显高于国外同类产品；转轮除湿方式在高性能吸湿剂研究与制备、蜂窝状陶瓷转芯成型工艺等方面取得了显著进展；开发出用于西北干燥地区的利用室外干燥空气进行间接蒸发冷却的机组，比蒸汽压缩制冷方式节能50%以上；开发出适用于高温冷冻水工况的高效离心式和螺杆式冷水机组，性能远高于常规制冷工况；研发出干工况风机盘管、毛细管辐射末端等相关产品。目前，此新型中央空调系统已初步形成规模，并开始在各类工程中推广应用，取得显著的节能和改善室内环18、境的效果。（七）气体分离与气体液化我国目前重化工业领域使用的大型气体分离设备大多还是从国外进口，而国内只能生产小容量装置。为配合能源领域的需求，我国在小型天燃气源、煤层气、油田伴生气的液化方面提出有效的流程，并开发出新型可移动设备，在世界上处领先地位。而在大型天然气液化方面，目前刚刚起步，与国外先进水平还有较大差距。（八）大型土木工程中的制冷应用我国提出基于制冷技术的新的工艺流程，解决大坝浇灌过程中混凝土热量排除问题，在三峡大坝、龙滩、小湾、构皮滩、彭水、景洪、南水北调中线等国内大中型水电项目和巴基斯坦、埃塞俄比亚、沙特、苏丹等国外工程中相继使用，取得显著成效；提出利用热管技术避免青藏铁路永久19、冻土消融问题，保证了青藏铁路的开通和正常运行；发展了冷冻法施工技术，解决了地下工程、煤矿和大型桥梁施工中的关键问题。这使得冷冻法施工发展成为许多大型土木工程的一项行之有效的新型施工技术。三、本学科重点发展方向综上所述，我国制冷学科随着城乡建设、经济发展和人民生活水平的不断提高，得以飞速发展，然而仍不能满足现代化发展对制冷学科不断增加的需求。面对我国今后面临的民生建设、节能减排和现代化产业建设这三项重大任务，制冷学科必须加速发展食品冷冻冷藏冷链方面的研究，保证食品的安全、高质和低损耗供应；加速开展低温生物医学研究，以适应建设现代化医疗服务系统的需要；持续建筑空调制冷方面的研发，满足日益增长的对舒20、适型人居环境的需求和现代科技与工业对低温、恒温、干燥、恒湿环境的需求。另一方面，完成节能减排的任务、降低用于各领域的制冷系统的运行能耗、替换破坏大气环境的制冷工质已成为制冷学科重要的社会责任。为解决这一系列新的问题，制冷学科需要重点发展如下方向。1制冷的基础理论研究从热科学的新理论出发对现有制冷系统提出新的认识和分析手段；发展新的制冷方式，提出新的制冷循环与热力学设计方法、准则； 建立物性测试平台，建立系统全面的材料物性数据库，包括食品物性、低温固体材料、制冷工质、气体分离中物性等基础数据；建立制冷与低温流动、传热研究平台，获得设计低温传热的流动和传热数据。2工质（制冷剂）研究把握好环保（OD21、P和GWP）、安全（毒性和可燃性等）、成本和能效之间的“折衷”平衡，研究适合于中国国情和引领国际趋势的工质筛选综合评价体系；在国家方案框架下实施我国逐步淘汰HCFCs的战略安排；立足国情发展HC290和HFC32替代HCFC22的研究，从适用领域拓展、核心应用技术、风险评估、制订应用标准等方面进行系统研究，使之得到市场的全面应用；加快掌握“天然工质”核心技术的步伐，开发高效安全的氨系统设备，CO2系统设备，以及HCs系统设备。3制冷关键设备的研发制冷压缩机是制冷系统的心脏设备，也是制冷产品能效水平提升的关键。要重点研究制冷离心压缩机，突破高效叶轮设计、磁悬浮轴承、小间隙软密封和干气密封等关键技22、术，推动制冷离心压缩机的国产化；开发直线压缩机大型化技术，推动小型冷冻冷藏装置和家用空调器的进一步发展。此外，膨胀阀性能的深入研究和新的膨胀阀控制算法也将是研究的重要方向；各类换热装置的高效换热、流程匹配以及传热设计的精细化、准确化，都将是提高制冷设备性能水平、推出新型制冷装置的关键。为完成上述任务，实现我国制冷学科的进一步发展，需要在政策和体制上解决如下4方面问题：（1）将制冷学科作为一级学科纳入各类学科管理目录，这样才能有利于学科的发展和基础建设；（2）按照制冷学科这样的专业学科层面设置国家级重点科研项目，全面系统开展制冷学科相关问题的研究；（3）系统地推进制冷学科的人才建设，防止很快将出现的各类制冷专业人才紧缺现象；（4）加速制冷专业研究机构和研究能力平台的建设。