制冷技術在當今社會發展迅速且應用廣泛，已成為社會發展中不可缺少的應用技術。近年制冷技術在冷鏈行業的應用得到快速發展，然而“安全”和“環保”兩大難題對冷鏈物流、食品冷加工用制冷系統的選擇和現有制冷系統的改造與升級產生了重大而又深遠的影響。國家關于制冷工程的“安全”和“環保”問題制定了明確的法律文件和行政法規，同時國際范圍內也出臺了相應的國際條約，二者共同形成一個系統性的政策框架，所有工程行為都需要在這個框架下進行。
制冷工程的“安全”問題主要由安監政策規范進行約束，在過去十幾年間，關于這一行業，國家制定了相應的國家法律和一系列行政法規，如圖1所示。法律法規對制冷工程項目的生產建設、壓力容器和壓力管道等特種設備的生產使用有嚴格要求。同時對制冷行業所使用的常用制冷劑尤其是氨也作了嚴格使用要求，例如：禁止人員較多的生產場所采用氨直接蒸發制冷的空調系統；禁止新建、擴建冷鏈物流、食品冷加工設施采用HCFC類制冷劑。
在“環保”問題上我國也有成熟的環保政策規范，如圖2所示。為保護臭氧層，國際社會簽署了《蒙特利爾議定書》，經過國際社會的積極合作和努力，目前在全球范圍內已實現了CFCs的全面淘汰，HCFCs也將在不久的將來完全被淘汰。在臭氧層保護方面取得有效進展的同時，溫室氣體排放已成為現階段全球環境保護的首要任務。2016年10月，國際社會圍繞溫室氣體HFCs的削減達成了新的基加利修正案。經過廣泛協商，基加利修正案最終確定了包括R134a、R245fa、R365mfc、R32、R125等在內的18種HFCs受控物質。中國等主要發展中國家，自2024年開始凍結，2029年削減10%，最終2045年實現削減80%。我國也制定了符合本國國情的制冷劑替代品和替代技術，明確了總體淘汰戰略和行業淘汰計劃，提出了可操作的政策措施和監督管理制度，讓我國制冷行業關于制冷劑的選擇和使用有法可依。
氨是一種易燃、易爆、有毒、使人窒息的氣體，具有較大的危險性。由于氨的價格低廉，制冷能效高所以在傳統的大中型冷庫制冷系統中均使用氨作為制冷劑。直接蒸發制冷系統中氨充注量過大，氨氣泄露、爆炸的風險大大增加。近幾年國內也有過冷庫因氨泄露而發生重大安全事故的案例。在部分工程中，采用氨制冷系統的冷鏈物流和食品冷加工設施有可能不能完全滿足現行國家安監政策，針對氨制冷系統安全性的問題，選擇使用載冷劑進行間接冷卻的制冷方式獲得了關注和認可。與傳統制冷系統相比，間接冷卻制冷系統減少了氨充注量，制冷設備結構更加緊湊，對壓力容器和壓力管道等特種設備要求降低，且能夠把氨的使用空間范圍局限在機房，遠離人群，提高了系統運行的安全性。
基于以上背景，本文著眼于冷庫用間接制冷系統，對間接制冷系統和載冷劑進行分析，思考間接制冷系統在實際應用中的一些問題。
間接制冷系統簡介
1.1 間接制冷系統的原理
冷劑將被冷卻物體的熱量傳給制冷劑的一種制冷方式。間接制冷系統在傳統直接冷卻系統的基礎上增添了載冷劑循環部分。其工作原理如圖3所示，儲液器（蓄冷器）G中的載冷劑液體經載冷劑泵A循環至載冷劑換熱器B，在載冷劑換熱器B內與被冷卻物體進行換熱，帶走其熱量，而后循環至蒸發換熱器E，在蒸發換熱器E中載冷劑與制冷劑進行換熱，將其吸收的熱量傳遞給制冷劑，載冷劑被冷卻而后儲存至儲液器（蓄冷器）G中，最后再次進入載冷劑換熱器B進行換熱。制冷劑在蒸發換熱器E內經過換熱后蒸發成低溫低壓氣體，被壓縮機C吸入后壓縮至相對高溫高壓的氣體狀態，制冷劑氣體進入冷凝器D與高溫熱源介質進行換熱，制冷劑氣體被冷卻冷凝為高壓液態，經過節流裝置F節流降價至兩相狀態，制冷劑再次進入蒸發換熱器E進行換熱，循環周而復始。
1.2 間接制冷系統的應用
間接制冷系統主要應用于以下幾個領域：空調冷凍水系統、工業制冷領域和冷藏凍結行業。
（1）空調冷凍水系統
空調水系統多為間接冷卻制冷系統，冷凍水作為載冷劑被制冷劑帶走熱量后進入空調系統的末端裝置與空氣進行熱交換，完成空調系統的冷量輸運。
（2）工業制冷領域
在工業制冷方面，間接制冷系統主要應用于醫療衛生、醫藥工業和綜合氣候環境室等對溫度控制精度要求較高的領域。相比于直接制冷系統，間接制冷系統通過載冷劑泵控制載冷劑的流量，可以精確的控制換熱器出口溫度，控制室內溫度。
（3）冷藏凍結行業
目前制冷行業發展速度較快，氨制冷系統在冷凍冷藏、農產品冷鏈物流等方面都有著廣泛應用。食品冷凍冷藏領域多為直接制冷系統，但也有不少間接制冷系統，尤其對于一些大型加工型制冷系統。采用間接制冷系統主要是從安全角度考慮，為防止氨制冷劑泄漏于冷間，盡量減少系統的氨充注量，通常采用間接制冷系統。
1.3 載冷劑應用現狀
1.3.1 水
水是間接冷卻系統常用的載冷劑。水的性質穩定、安全無毒、無腐蝕性，價格低廉且容易獲得同時具有良好的流動性能。水是大型中央空調系統中最佳的載冷劑。水的凝固點高，所以只適用于溫度在0 ℃以上的制冷系統。
1.3.2 無機鹽水溶液
無機鹽水溶液載冷劑是由氯化鈣或氯化鈉等無機鹽與水混合而成。無機鹽水溶液的凝固點隨濃度的改變而改變且變化明顯，例如氯化鈣水溶液濃度為29.9%時，其最低凝固溫度為-55 ℃；當溶液濃度為22.4%時，氯化鈉鹽水的最低凝固點為-21.2 ℃。使用無機鹽水溶液作為載冷劑時，應根據設計要求蒸發溫度選取無機鹽水溶液的濃度（溶液凝固點至少低于蒸發溫度5 ℃），避免由于濃度的變化導致載冷劑凝固變化產生系統故障。
1.3.3 有機物水溶液
有機物水溶液載冷劑無色無味，冰點都在0 ℃以下，可以滿足很低的溫度要求。有機載冷劑流動性和傳熱性能良好，有可燃性和易揮發性，使用時需注意防火。常用的有機載冷劑有丙二醇、乙二醇、二甲醚、硅油、甲醇、乙醇等。其中乙醇比甲醇的粘性小，且都具有較好的流動性；丙三醇由于沒有毒性，可以和被冷卻物直接接觸；硅油以液體的形式作為載冷劑；二甲醚凝固溫度較低，但是有易燃易爆的危險；乙二醇和丙二醇性質穩定，可以任意比例溶于水，根據其水溶液濃度不同凝固點不同，隨著乙二醇水（丙二醇）溶液質量分數的增大，其凝固點變低，因此要獲得更低的溫度則需要高濃度溶液。
1.3.4 二氧化碳載冷劑
二氧化碳作為制冷介質具有一些獨特的優勢。CO2的經濟性好，可從很多工業副產品中得到，價格低廉，作為天然存在的氣體，無回收問題。具有良好的安全性和化學穩定性，不燃不爆，可使用各種潤滑油及常用機械零部件，即使在高溫下也不會分解產生有害氣體。同時CO2還有良好的熱物性：粘度較低、導熱系數較高、比熱容較大、蒸發潛熱大、單位容積制冷量高。CO2的液體密度和蒸汽密度比較小，在低壓下兩相流動較為均勻，有利于節流后各支路間制冷劑的均勻分配；其表面張力比較小，有利于提高沸騰區的蒸發換熱系數。
二氧化碳具有極佳的熱力學性能使其可以很好的作為制冷系統介質。被重新用作制冷劑后，其首先被用在間接制冷系統中作載冷劑。與傳統載冷劑水、乙二醇、改性載冷劑等相比，二氧化碳最大的載冷特性就是載冷過程發生了相變，發揮了其潛熱大，單位容積制冷量高的優勢，使其獨樹一幟。在應用過程中其本身壓力較高，對二氧化碳載冷系統的管材要求較高。另外，當系統停止工作后，需要放空二氧化碳或啟動維持機組，以保證系統運行壓力在安全范圍內。
1.3.5 其他載冷劑
針對乙二醇等傳統載冷劑的缺點，在一些醇類的基礎上改性而成了一些性質優良的載冷劑。如國內某企業生產的一種冷庫專用載冷劑，由多元醇及多種添加劑改性而成，外觀為淺色液體，無異味、不可燃、不揮發、載冷能力強、防銹性能好，適用于0 ℃~5 ℃保鮮庫、-18 ℃ ~-15 ℃冷藏庫、-25 ℃~-22 ℃低溫庫做間接制冷載冷劑。其特性參數如表1所示。
間接制冷系統的特點
與直接制冷系統相比，間接冷卻制冷系統有其應用的優勢和缺點。
2.1 間接制冷系統的優勢
2.1.1 制冷劑充注量小、系統安全性高
采用間接冷卻制冷系統，減少了制冷劑系統的管路，降低了制冷劑充注量。對于采用氨的制冷系統，氨不直接進入庫房，一方面庫內冷凍冷藏的食品不會受到氨制冷劑泄漏帶來的污染；另一方面，與冷庫的工作人員密集的工作地點分開，提高了人身安全性。對于采用鹵代烴的制冷系統，可減少HCFCs類和HFCs類制冷劑的使用，降低了對臭氧層的破壞性和溫室效應。
2.1.2 溫度控制精度高
載冷劑的熱容量大，易于保持冷庫內溫度穩定。間接制冷制冷系統因為溫差遠小于鹵代烴或氨直接制冷系統，且溫度控制精度高，有利食品的保鮮，減少了食品的干耗，避免不必要的損失。當壓縮機停車后，受溫度控制的變頻載冷劑泵繼續低流量運轉，可維持冷庫較長時間的溫度要求。
2.1.3 運行狀態好
壓縮機不需要頻繁地啟停，可延長設備的使用期限，降低故障率、減少維修費用。
2.1.4 可進行蓄冷并可降低運行費用
運行費用主要包括制冷系統直接費用、冷庫運行費用和除霜費用等。直接制冷系統蒸發溫度相對較高，制冷電費低，但由于其頻繁啟動且需要進行除霜，故其產品干耗量大，頻繁啟動產生的電費、除霜費用和綜合運行費用高。間接制冷系統蒸發溫度相對較低，熱量損失大，制冷電費較高，但可有效避免頻繁啟動，降低除霜頻率，產品干耗量小，可采用余熱進行除霜，不消耗電能，故綜合運行費用有降低的可能[11]，尤其是對帶有蓄冷功能的間接制冷系統。此外，間接制冷系統可靈活利用峰平谷電價移峰填谷降低運行成本。
2.2 間接制冷系統的缺點
與直接冷卻系統和氨系統相比，間接冷卻制冷系統也存在一些缺點。
2.2.1 效率低
由于制冷劑與載冷劑、載冷劑與被冷卻介質之間存在二次溫差，使制冷系統的蒸發溫度低于直接制冷系統。蒸發溫度的降低會使得制冷系統的能耗增加，降低制冷系統的COP。多數載冷劑（CO2除外）在低溫狀態的運動粘度高，流動性差，需要大功率的載冷劑泵完成換熱循環，進一步增加了系統的能耗。
2.2.2 系統相對復雜
直接膨脹制冷系統僅需制冷系統四大件及必要的輔助設備。而間接制冷系統則需要增加載冷劑回路，并需要載冷劑泵推動載冷劑循環。其典型的增加設備有載冷劑泵、載冷劑換熱器、定壓膨脹裝置及其他附屬設備。
2.2.3 初次投資增加
載冷劑系統需要增加載冷劑泵、冷卻器、管道及載冷劑，制冷裝置的初次投資增大。增設的動力設備使得經常運轉費用也隨之增加。
2.2.4 部分載冷劑有腐蝕性
一些載冷劑對金屬有較強的腐蝕性，雖然可通過添加防腐劑減輕腐蝕，但不能完全消除。載冷劑對金屬的腐蝕會縮短系統的使用壽命。
間接制冷系統面臨的挑戰與機遇
氨制冷系統是當前大中型冷庫制冷系統的主流技術，經過長年的發展已經非常成熟，然而氨直接蒸發制冷系統中氨充注量過大，存在很高的安全隱患。針對氨制冷系統安全
性的問題，間接冷卻制冷技術獲得了越來越多的關注和認可，其自身也在逐漸發展，不斷完善。在這種背景下，以氨為制冷劑的間接制冷系統在未來有一定的應用前景和發展機遇。
間接制冷系統的重要角色是載冷劑，載冷劑的發展會很大程度地影響間接制冷系統的應用和推廣。這也是未來間接制冷系統所面臨的一大挑戰，如何選取合適的載冷劑將會成為一大難題。目前常用的載冷劑有無機鹽、乙二醇等水液、CO2載冷劑和醇類改性載冷劑等。每一種載冷劑都有自己的優點和缺點，需要根據實際情況合理的進行選擇。
長期以來，化工行業制冷系統中使用的載冷劑主要是無機鹽、乙二醇和醇類改性載冷劑，這些載冷劑成份單一、載冷能力差、能耗大、嚴重銹蝕金屬設備。上述缺陷使間接制冷系統的維護費用高，使用壽命短。相比于乙二醇，新型醇類改性載冷劑的蓄冷能力增強，同時流動特性優良，使得流動過程壓降降低，泵耗功減小。與CO2載冷劑相比，乙二醇和醇類改性載冷劑在管道材料、除霜、壓力、安全方面存在一定優勢；而CO2載冷劑的單位容積制冷量大、系統能效高、對管道無腐蝕（對含水量有要求）。
由于影響因素眾多，每個制冷系統情況不同，冷庫用間接制冷系統和直接制冷系統的技術經濟性分析較為復雜，二者無法直接比較。需要針對某一具體的施工改造對象和應用工況并結合載冷劑的選擇綜合考慮，具體問題具體分析，全方位的比較分析才能得出合理的結論。
結語
通過對間接制冷系統的原理及特點、載冷劑的特性分析了間接制冷系統的應用優勢和缺點。從間接制冷系統和載冷劑的角度考慮間接制冷系統在實際應用中的一些問題。總體來看，隨著系統優化技術不斷成熟及新型優良載冷劑的出現，間接冷卻制冷系統必然有一定的應用和發展
