长期以来,制冷技术既是现代产业与民生保障的重要基础,也面临能耗高、排放压力大等现实约束。
当前广泛使用的气体压缩制冷体系支撑了庞大的制冷、空调与冷链市场,在经济社会运行中不可或缺,但其高电力消耗和相关温室气体排放问题也日益凸显。
随着“双碳”目标推进以及极端高温天气增多,如何在满足不断增长的制冷需求同时显著降低能耗与环境影响,成为行业亟待解决的核心课题。
问题在于,传统路线与新兴路线都存在难以回避的“瓶颈”。
气体压缩制冷依赖工质循环与压缩机做功,系统成熟、制冷量大,却往往伴随较高电耗与潜在工质泄漏风险。
近年来,科研界积极探索固态相变制冷等新路径,利用材料在压力、磁场等外场作用下发生相变并吸放热,实现无气体工质排放的制冷方式,方向清晰、理念先进,但在大功率应用场景中常被导热慢、界面热阻大、换热效率不足等问题所限制,难以把实验室性能顺利转化为工程能力。
概括而言,低碳排放、大制冷量和高换热效率往往难以同时兼得,形成制冷领域的长期掣肘。
造成这一局面的深层原因,一方面在于“热”本身的传递规律:制冷不仅要产生冷量,更要把冷量高效、可控地输送到目标对象;导热能力不足会放大系统体积、抬升成本,并削弱瞬态响应能力。
另一方面在于工质与换热介质的分离:很多制冷方案需要在“产生冷量的材料”与“负责输送热量的流体”之间频繁交换热量,界面热阻与传热路径复杂导致效率折损,工程实现难度随制冷功率上升而显著增加。
因此,寻找一种既能产生大冷量、又具备良好流动换热特性,同时具备低碳属性的新机制,是破局关键。
在这一背景下,中国科学院金属研究所李昺研究员团队与合作者在制冷机理上取得重要进展:首次发现“溶解压卡效应”。
实验显示,硫氰酸铵溶液在压力变化下呈现显著热效应——加压时盐析出并放热,卸压后盐迅速溶解并强力吸热,室温条件下溶液温度可在20秒内骤降近30摄氏度,在更高温环境下的降温幅度更为突出,性能超出已知固态相变材料的常见水平。
相关成果已于22日发表在《自然》期刊上。
这一发现的关键意义,在于提出了“制冷工质与换热介质合二为一”的思路。
与固态材料依赖固体内部导热不同,溶液本身具有流动性,能够以对流方式实现更高效的热交换;同时,溶解与析出过程又提供了强烈的吸放热效应,形成兼具大冷量与高换热的新型制冷路径。
换言之,该效应有望从机理层面缓解长期困扰行业的“不可能三角”,为构建兼顾低碳、大功率与高效率的制冷系统提供可能。
为验证工程化潜力,研究团队基于该效应设计出四步循环:加压升温、向环境散热、卸压降温、输送冷量。
根据研究描述,单次循环每克溶液可吸收67焦耳热量,理论效率可达77%。
如果后续在系统集成、循环稳定性与规模化工况下仍能保持较高水平,这一方案或可在建筑空调、工业冷却、数据中心热管理、冷链储运等对效率和快速响应要求较高的场景中展现优势,并为制冷产业节能降碳提供新的技术选项。
当然,从实验室发现走向产业应用仍需跨越多道关口。
对策层面,需要围绕材料体系与系统工程同步推进:其一,评估溶液在长周期循环中的稳定性、腐蚀性与安全性,明确适用温区与压力区间,降低维护成本;其二,优化换热器与流体回路设计,提升实际工况下的传热效率与控制精度;其三,建立面向工程应用的性能评价标准与可靠性验证体系,在典型场景中开展原型机验证和能效对标;其四,综合考虑制造成本、材料来源与生命周期环境影响,确保“低碳”不仅体现在运行端,也体现在全链条。
展望未来,随着节能减排要求趋严、用冷需求持续增长,制冷技术正从单纯追求制冷量转向系统能效与环境友好并重。
此次“溶解压卡效应”的提出,为绿色制冷提供了新的物理机制与系统构型思路。
若能在关键材料体系拓展、装置小型化与规模化制造方面取得进一步突破,并通过多场景示范验证其可靠性与经济性,相关技术有望成为下一代制冷方案的重要候选,带动产业链在核心材料、系统集成与高效换热等环节形成新的创新方向。
溶解压卡效应的发现具有重要的战略意义。
它不仅代表了中国在制冷技术基础研究中的创新突破,更为全球应对气候变化、实现能源结构优化升级提供了新的科技方案。
从实验室到产业应用仍需一段时间,但这一突破已经为我国制冷产业的绿色转型指明了方向。
随着后续研究的深入推进和工程化应用的逐步推进,这项技术有望在建筑空调、工业冷却、低温储存等多个领域得到广泛应用,为实现节能减排目标和经济高质量发展做出重要贡献。