制冷技术在当今社会发展迅速且应用广泛，已成为社会发展中不可缺少的应用技术。近年制冷技术在冷链行业的应用得到快速发展，然而“安全”和“环保”两大难题对冷链物流、食品冷加工用制冷系统的选择和现有制冷系统的改造与升级产生了重大而又深远的影响。国家关于制冷工程的“安全”和“环保”问题制定了明确的法律文件和行政法规，同时国际范围内也出台了相应的国际条约，二者共同形成一个系统性的政策框架，所有工程行为都需要在这个框架下进行。
制冷工程的“安全”问题主要由安监政策规范进行约束，在过去十几年间，关于这一行业，国家制定了相应的国家法律和一系列行政法规，如图1所示。法律法规对制冷工程项目的生产建设、压力容器和压力管道等特种设备的生产使用有严格要求。同时对制冷行业所使用的常用制冷剂尤其是氨也作了严格使用要求，例如：禁止人员较多的生产场所采用氨直接蒸发制冷的空调系统；禁止新建、扩建冷链物流、食品冷加工设施采用HCFC类制冷剂。
在“环保”问题上我国也有成熟的环保政策规范，如图2所示。为保护臭氧层，国际社会签署了《蒙特利尔议定书》，经过国际社会的积极合作和努力，目前在全球范围内已实现了CFCs的全面淘汰，HCFCs也将在不久的将来完全被淘汰。在臭氧层保护方面取得有效进展的同时，温室气体排放已成为现阶段全球环境保护的首要任务。2016年10月，国际社会围绕温室气体HFCs的削减达成了新的基加利修正案。经过广泛协商，基加利修正案最终确定了包括R134a、R245fa、R365mfc、R32、R125等在内的18种HFCs受控物质。中国等主要发展中国家，自2024年开始冻结，2029年削减10%，最终2045年实现削减80%。我国也制定了符合本国国情的制冷剂替代品和替代技术，明确了总体淘汰战略和行业淘汰计划，提出了可操作的政策措施和监督管理制度，让我国制冷行业关于制冷剂的选择和使用有法可依。
氨是一种易燃、易爆、有毒、使人窒息的气体，具有较大的危险性。由于氨的价格低廉，制冷能效高所以在传统的大中型冷库制冷系统中均使用氨作为制冷剂。直接蒸发制冷系统中氨充注量过大，氨气泄露、爆炸的风险大大增加。近几年国内也有过冷库因氨泄露而发生重大安全事故的案例。在部分工程中，采用氨制冷系统的冷链物流和食品冷加工设施有可能不能完全满足现行国家安监政策，针对氨制冷系统安全性的问题，选择使用载冷剂进行间接冷却的制冷方式获得了关注和认可。与传统制冷系统相比，间接冷却制冷系统减少了氨充注量，制冷设备结构更加紧凑，对压力容器和压力管道等特种设备要求降低，且能够把氨的使用空间范围局限在机房，远离人群，提高了系统运行的安全性。
基于以上背景，本文着眼于冷库用间接制冷系统，对间接制冷系统和载冷剂进行分析，思考间接制冷系统在实际应用中的一些问题。
间接制冷系统简介
1.1 间接制冷系统的原理
冷剂将被冷却物体的热量传给制冷剂的一种制冷方式。间接制冷系统在传统直接冷却系统的基础上增添了载冷剂循环部分。其工作原理如图3所示，储液器（蓄冷器）G中的载冷剂液体经载冷剂泵A循环至载冷剂换热器B，在载冷剂换热器B内与被冷却物体进行换热，带走其热量，而后循环至蒸发换热器E，在蒸发换热器E中载冷剂与制冷剂进行换热，将其吸收的热量传递给制冷剂，载冷剂被冷却而后储存至储液器（蓄冷器）G中，最后再次进入载冷剂换热器B进行换热。制冷剂在蒸发换热器E内经过换热后蒸发成低温低压气体，被压缩机C吸入后压缩至相对高温高压的气体状态，制冷剂气体进入冷凝器D与高温热源介质进行换热，制冷剂气体被冷却冷凝为高压液态，经过节流装置F节流降价至两相状态，制冷剂再次进入蒸发换热器E进行换热，循环周而复始。
1.2 间接制冷系统的应用
间接制冷系统主要应用于以下几个领域：空调冷冻水系统、工业制冷领域和冷藏冻结行业。
（1）空调冷冻水系统
空调水系统多为间接冷却制冷系统，冷冻水作为载冷剂被制冷剂带走热量后进入空调系统的末端装置与空气进行热交换，完成空调系统的冷量输运。
（2）工业制冷领域
在工业制冷方面，间接制冷系统主要应用于医疗卫生、医药工业和综合气候环境室等对温度控制精度要求较高的领域。相比于直接制冷系统，间接制冷系统通过载冷剂泵控制载冷剂的流量，可以精确的控制换热器出口温度，控制室内温度。
（3）冷藏冻结行业
目前制冷行业发展速度较快，氨制冷系统在冷冻冷藏、农产品冷链物流等方面都有着广泛应用。食品冷冻冷藏领域多为直接制冷系统，但也有不少间接制冷系统，尤其对于一些大型加工型制冷系统。采用间接制冷系统主要是从安全角度考虑，为防止氨制冷剂泄漏于冷间，尽量减少系统的氨充注量，通常采用间接制冷系统。
1.3 载冷剂应用现状
1.3.1 水
水是间接冷却系统常用的载冷剂。水的性质稳定、安全无毒、无腐蚀性，价格低廉且容易获得同时具有良好的流动性能。水是大型中央空调系统中最佳的载冷剂。水的凝固点高，所以只适用于温度在0 ℃以上的制冷系统。
1.3.2 无机盐水溶液
无机盐水溶液载冷剂是由氯化钙或氯化钠等无机盐与水混合而成。无机盐水溶液的凝固点随浓度的改变而改变且变化明显，例如氯化钙水溶液浓度为29.9%时，其最低凝固温度为-55 ℃；当溶液浓度为22.4%时，氯化钠盐水的最低凝固点为-21.2 ℃。使用无机盐水溶液作为载冷剂时，应根据设计要求蒸发温度选取无机盐水溶液的浓度（溶液凝固点至少低于蒸发温度5 ℃），避免由于浓度的变化导致载冷剂凝固变化产生系统故障。
1.3.3 有机物水溶液
有机物水溶液载冷剂无色无味，冰点都在0 ℃以下，可以满足很低的温度要求。有机载冷剂流动性和传热性能良好，有可燃性和易挥发性，使用时需注意防火。常用的有机载冷剂有丙二醇、乙二醇、二甲醚、硅油、甲醇、乙醇等。其中乙醇比甲醇的粘性小，且都具有较好的流动性；丙三醇由于没有毒性，可以和被冷却物直接接触；硅油以液体的形式作为载冷剂；二甲醚凝固温度较低，但是有易燃易爆的危险；乙二醇和丙二醇性质稳定，可以任意比例溶于水，根据其水溶液浓度不同凝固点不同，随着乙二醇水（丙二醇）溶液质量分数的增大，其凝固点变低，因此要获得更低的温度则需要高浓度溶液。
1.3.4 二氧化碳载冷剂
二氧化碳作为制冷介质具有一些独特的优势。CO2的经济性好，可从很多工业副产品中得到，价格低廉，作为天然存在的气体，无回收问题。具有良好的安全性和化学稳定性，不燃不爆，可使用各种润滑油及常用机械零部件，即使在高温下也不会分解产生有害气体。同时CO2还有良好的热物性：粘度较低、导热系数较高、比热容较大、蒸发潜热大、单位容积制冷量高。CO2的液体密度和蒸汽密度比较小，在低压下两相流动较为均匀，有利于节流后各支路间制冷剂的均匀分配；其表面张力比较小，有利于提高沸腾区的蒸发换热系数。
二氧化碳具有极佳的热力学性能使其可以很好的作为制冷系统介质。被重新用作制冷剂后，其首先被用在间接制冷系统中作载冷剂。与传统载冷剂水、乙二醇、改性载冷剂等相比，二氧化碳最大的载冷特性就是载冷过程发生了相变，发挥了其潜热大，单位容积制冷量高的优势，使其独树一帜。在应用过程中其本身压力较高，对二氧化碳载冷系统的管材要求较高。另外，当系统停止工作后，需要放空二氧化碳或启动维持机组，以保证系统运行压力在安全范围内。
1.3.5 其他载冷剂
针对乙二醇等传统载冷剂的缺点，在一些醇类的基础上改性而成了一些性质优良的载冷剂。如国内某企业生产的一种冷库专用载冷剂，由多元醇及多种添加剂改性而成，外观为浅色液体，无异味、不可燃、不挥发、载冷能力强、防锈性能好，适用于0 ℃~5 ℃保鲜库、-18 ℃ ~-15 ℃冷藏库、-25 ℃~-22 ℃低温库做间接制冷载冷剂。其特性参数如表1所示。
间接制冷系统的特点
与直接制冷系统相比，间接冷却制冷系统有其应用的优势和缺点。
2.1 间接制冷系统的优势
2.1.1 制冷剂充注量小、系统安全性高
采用间接冷却制冷系统，减少了制冷剂系统的管路，降低了制冷剂充注量。对于采用氨的制冷系统，氨不直接进入库房，一方面库内冷冻冷藏的食品不会受到氨制冷剂泄漏带来的污染；另一方面，与冷库的工作人员密集的工作地点分开，提高了人身安全性。对于采用卤代烃的制冷系统，可减少HCFCs类和HFCs类制冷剂的使用，降低了对臭氧层的破坏性和温室效应。
2.1.2 温度控制精度高
载冷剂的热容量大，易于保持冷库内温度稳定。间接制冷制冷系统因为温差远小于卤代烃或氨直接制冷系统，且温度控制精度高，有利食品的保鲜，减少了食品的干耗，避免不必要的损失。当压缩机停车后，受温度控制的变频载冷剂泵继续低流量运转，可维持冷库较长时间的温度要求。
2.1.3 运行状态好
压缩机不需要频繁地启停，可延长设备的使用期限，降低故障率、减少维修费用。
2.1.4 可进行蓄冷并可降低运行费用
运行费用主要包括制冷系统直接费用、冷库运行费用和除霜费用等。直接制冷系统蒸发温度相对较高，制冷电费低，但由于其频繁启动且需要进行除霜，故其产品干耗量大，频繁启动产生的电费、除霜费用和综合运行费用高。间接制冷系统蒸发温度相对较低，热量损失大，制冷电费较高，但可有效避免频繁启动，降低除霜频率，产品干耗量小，可采用余热进行除霜，不消耗电能，故综合运行费用有降低的可能[11]，尤其是对带有蓄冷功能的间接制冷系统。此外，间接制冷系统可灵活利用峰平谷电价移峰填谷降低运行成本。
2.2 间接制冷系统的缺点
与直接冷却系统和氨系统相比，间接冷却制冷系统也存在一些缺点。
2.2.1 效率低
由于制冷剂与载冷剂、载冷剂与被冷却介质之间存在二次温差，使制冷系统的蒸发温度低于直接制冷系统。蒸发温度的降低会使得制冷系统的能耗增加，降低制冷系统的COP。多数载冷剂（CO2除外）在低温状态的运动粘度高，流动性差，需要大功率的载冷剂泵完成换热循环，进一步增加了系统的能耗。
2.2.2 系统相对复杂
直接膨胀制冷系统仅需制冷系统四大件及必要的辅助设备。而间接制冷系统则需要增加载冷剂回路，并需要载冷剂泵推动载冷剂循环。其典型的增加设备有载冷剂泵、载冷剂换热器、定压膨胀装置及其他附属设备。
2.2.3 初次投资增加
载冷剂系统需要增加载冷剂泵、冷却器、管道及载冷剂，制冷装置的初次投资增大。增设的动力设备使得经常运转费用也随之增加。
2.2.4 部分载冷剂有腐蚀性
一些载冷剂对金属有较强的腐蚀性，虽然可通过添加防腐剂减轻腐蚀，但不能完全消除。载冷剂对金属的腐蚀会缩短系统的使用寿命。
间接制冷系统面临的挑战与机遇
氨制冷系统是当前大中型冷库制冷系统的主流技术，经过长年的发展已经非常成熟，然而氨直接蒸发制冷系统中氨充注量过大，存在很高的安全隐患。针对氨制冷系统安全
性的问题，间接冷却制冷技术获得了越来越多的关注和认可，其自身也在逐渐发展，不断完善。在这种背景下，以氨为制冷剂的间接制冷系统在未来有一定的应用前景和发展机遇。
间接制冷系统的重要角色是载冷剂，载冷剂的发展会很大程度地影响间接制冷系统的应用和推广。这也是未来间接制冷系统所面临的一大挑战，如何选取合适的载冷剂将会成为一大难题。目前常用的载冷剂有无机盐、乙二醇等水液、CO2载冷剂和醇类改性载冷剂等。每一种载冷剂都有自己的优点和缺点，需要根据实际情况合理的进行选择。
长期以来，化工行业制冷系统中使用的载冷剂主要是无机盐、乙二醇和醇类改性载冷剂，这些载冷剂成份单一、载冷能力差、能耗大、严重锈蚀金属设备。上述缺陷使间接制冷系统的维护费用高，使用寿命短。相比于乙二醇，新型醇类改性载冷剂的蓄冷能力增强，同时流动特性优良，使得流动过程压降降低，泵耗功减小。与CO2载冷剂相比，乙二醇和醇类改性载冷剂在管道材料、除霜、压力、安全方面存在一定优势；而CO2载冷剂的单位容积制冷量大、系统能效高、对管道无腐蚀（对含水量有要求）。
由于影响因素众多，每个制冷系统情况不同，冷库用间接制冷系统和直接制冷系统的技术经济性分析较为复杂，二者无法直接比较。需要针对某一具体的施工改造对象和应用工况并结合载冷剂的选择综合考虑，具体问题具体分析，全方位的比较分析才能得出合理的结论。
结语
通过对间接制冷系统的原理及特点、载冷剂的特性分析了间接制冷系统的应用优势和缺点。从间接制冷系统和载冷剂的角度考虑间接制冷系统在实际应用中的一些问题。总体来看，随着系统优化技术不断成熟及新型优良载冷剂的出现，间接冷却制冷系统必然有一定的应用和发展
