零碳科技：“溶解壓卡效應(yīng)”推動(dòng)零碳園區(qū)制冷全新路徑

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李昺研究員團(tuán)隊(duì)與合作者在制冷技術(shù)領(lǐng)域取得新突破——首次發(fā)現(xiàn)“溶解壓卡效應(yīng)”，有望為高耗能數(shù)據(jù)中心等算力基礎(chǔ)設(shè)施提供低碳、高效的新型冷卻解決方案。該研究成果1月22日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

算力作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其高速發(fā)展背后是日益增長(zhǎng)的能源消耗與散熱需求。數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)能耗占數(shù)據(jù)中心總用電的近40%，傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷方案不僅能耗大、排放高，且在應(yīng)對(duì)高功率散熱需求時(shí)面臨換熱效率瓶頸。

研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，硫氰酸銨（NH SCN）溶液在壓力變化下可以表現(xiàn)出驚人的熱效應(yīng)：加壓時(shí)鹽析出并放熱，卸壓后鹽迅速溶解并強(qiáng)力吸熱，室溫下溶液溫度可在20秒內(nèi)驟降近30℃，在高溫環(huán)境下降溫幅度更大，遠(yuǎn)超已知固態(tài)相變材料性能。這一現(xiàn)象被命名為“溶解壓卡效應(yīng)”。該效應(yīng)將制冷工質(zhì)與換熱介質(zhì)合二為一：利用溶液本身流動(dòng)性實(shí)現(xiàn)高效傳熱，同時(shí)通過(guò)溶解、析出過(guò)程提供巨大冷量，從而打破了長(zhǎng)期以來(lái)困擾制冷領(lǐng)域的“低碳-大冷量-高換熱”不可能三角關(guān)系。

“壓卡效應(yīng)”可以形象地理解為：就像用力擠壓一塊干燥的海綿，海綿內(nèi)部結(jié)構(gòu)被壓緊時(shí)會(huì)發(fā)熱；松開(kāi)手后，海綿迅速回彈，會(huì)從周圍吸收熱量而變涼。這種固態(tài)材料靠自身結(jié)構(gòu)變化來(lái)制冷的方式，雖原理新穎，但傳熱慢、制冷量有限。而新發(fā)現(xiàn)的“溶解壓卡效應(yīng)”則相當(dāng)于擠壓一塊吸滿鹽水的濕海綿——擠壓時(shí)鹽水被擠出并放熱，松開(kāi)手時(shí)海綿重新吸回鹽水，這一過(guò)程會(huì)強(qiáng)力、快速地吸收周圍大量熱量。它不僅制冷能力更強(qiáng)，還因?yàn)橐后w本身能流動(dòng)傳熱，一舉解決了傳統(tǒng)固態(tài)材料“造得出冷、卻送不走熱”的工程難題，為高效、緊湊的冷卻系統(tǒng)開(kāi)辟了全新可能。

△壓力調(diào)控溶解熱實(shí)現(xiàn)高效綠色制冷（圖片來(lái)源：央視新聞）

基于“溶解壓卡效應(yīng)”，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一套四步循環(huán)系統(tǒng)：加壓升溫→向環(huán)境散熱→卸壓降溫→輸送冷量，單次循環(huán)可實(shí)現(xiàn)每克溶液吸收67焦耳熱量，理論效率高達(dá)77%，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應(yīng)用潛力。

該成果為下一代數(shù)據(jù)中心冷卻技術(shù)提供了原創(chuàng)性方法，有望推動(dòng)算力基礎(chǔ)設(shè)施低碳運(yùn)行。

未來(lái)零碳園區(qū)的重要技術(shù)支撐

零碳園區(qū)作為 “雙碳” 目標(biāo)在區(qū)域?qū)用娴闹匾d體，其核心要求是實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)的低碳化、高效化和循環(huán)化。溶解壓卡效應(yīng)技術(shù)的出現(xiàn)，為零碳園區(qū)破解制冷難題提供了全方位解決方案，其核心價(jià)值主要體現(xiàn)在四個(gè)維度：

1. 大幅降低園區(qū)能耗與運(yùn)營(yíng)成本

零碳園區(qū)的制冷需求覆蓋建筑空調(diào)、數(shù)據(jù)中心冷卻、工業(yè)生產(chǎn)冷卻、冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)等多個(gè)場(chǎng)景，且能耗占比高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。采用溶解壓卡制冷技術(shù)后，同等冷卻效果下能耗可降低 30%-50%，運(yùn)營(yíng)成本顯著下降。對(duì)于建筑面積 100 萬(wàn)平方米的零碳園區(qū)，制冷系統(tǒng)年能耗約 1.5 億千瓦時(shí)，采用該技術(shù)后每年可節(jié)約能耗 4500 萬(wàn) - 7500 萬(wàn)千瓦時(shí)，對(duì)應(yīng)減少碳排放量約 3.6 萬(wàn) - 6 萬(wàn)噸（按全國(guó)火電平均碳排放系數(shù) 0.8 噸 / 萬(wàn)千瓦時(shí)計(jì)算），同時(shí)每年節(jié)約電費(fèi) 2700 萬(wàn) - 4500 萬(wàn)元。

2. 提升園區(qū)空間利用與場(chǎng)景適配能力

傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)設(shè)備龐大、管線復(fù)雜，占用大量園區(qū)空間 —— 數(shù)據(jù)中心的冷卻機(jī)房往往占總建筑面積的 10%-15%，工業(yè)冷卻系統(tǒng)的冷卻塔、換熱器等設(shè)備也需要專門(mén)的場(chǎng)地布置。

溶解壓卡制冷系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備占地面積僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的 50% 以下，可靈活嵌入園區(qū)建筑、機(jī)房或生產(chǎn)車間，大幅提升園區(qū)空間利用效率。同時(shí)，該技術(shù)的制冷能力可通過(guò)模塊組合靈活調(diào)節(jié)，既能滿足小型邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、商業(yè)店鋪等小負(fù)荷制冷需求，也能適配大型工業(yè)廠房、超算中心等大負(fù)荷冷卻場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn) “按需制冷”，適配零碳園區(qū)多元化的制冷需求。

3. 破解水資源約束難題

在零碳園區(qū)建設(shè)中，水資源節(jié)約是重要考核指標(biāo)，而傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)（尤其是數(shù)據(jù)中心的蒸發(fā)冷卻、工業(yè)冷卻塔）需消耗大量水資源 —— 一個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)年耗水量可達(dá)數(shù)十萬(wàn)噸，在西北、華北等水資源緊缺地區(qū)，水資源約束已成為園區(qū)建設(shè)的重要瓶頸。

溶解壓卡制冷技術(shù)采用密閉式循環(huán)設(shè)計(jì)，幾乎不消耗水資源，僅在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)需少量補(bǔ)充，水資源消耗僅為傳統(tǒng)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的 1% 以下，特別適合在水資源緊缺地區(qū)的零碳園區(qū)推廣應(yīng)用，為 “東數(shù)西算” 工程中的西部算力樞紐、北方干旱地區(qū)零碳產(chǎn)業(yè)園提供了綠色冷卻方案。

4. 助力園區(qū)構(gòu)建全鏈條零碳生態(tài)

零碳園區(qū)的核心是形成 “能源生產(chǎn) - 消費(fèi) - 回收 - 再利用” 的閉環(huán)生態(tài)，溶解壓卡制冷技術(shù)不僅自身實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)行，還能與園區(qū)內(nèi)的可再生能源系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)高效協(xié)同。

例如，園區(qū)內(nèi)光伏、風(fēng)電產(chǎn)生的電能可直接驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，解決可再生能源消納問(wèn)題；制冷系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的余熱（加壓過(guò)程中釋放的熱量）可通過(guò)余熱回收裝置收集，用于建筑供暖、工業(yè)生產(chǎn)預(yù)熱或生活熱水供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，提升園區(qū)綜合能源效率。這種 “可再生能源 + 零碳制冷 + 余熱回收” 的模式，將推動(dòng)零碳園區(qū)從 “單一節(jié)能” 向 “全鏈條零碳” 轉(zhuǎn)型，加速園區(qū)碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

制冷行業(yè)的零碳未來(lái)

溶解壓卡效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更標(biāo)志著我國(guó)在綠色制冷領(lǐng)域從 “跟跑” 轉(zhuǎn)向 “領(lǐng)跑”，為全球制冷行業(yè)的零碳轉(zhuǎn)型提供了 “中國(guó)方案”。在全球 “雙碳” 浪潮下，這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響：

在行業(yè)層面，它將重構(gòu)制冷產(chǎn)業(yè)的技術(shù)格局，推動(dòng)傳統(tǒng)高耗能、高排放制冷設(shè)備的迭代升級(jí)，加速制冷行業(yè)從 “高碳依賴” 向 “零碳主導(dǎo)” 轉(zhuǎn)型，為全球制冷行業(yè)碳減排貢獻(xiàn)中國(guó)力量。

在區(qū)域?qū)用?/strong>，它將為零碳園區(qū)、低碳城市建設(shè)提供核心技術(shù)支撐，破解制冷能耗高、碳排放大的關(guān)鍵瓶頸，加速能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型，推動(dòng) “雙碳” 目標(biāo)在區(qū)域?qū)用媛涞匾?jiàn)效。

當(dāng)然，技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨一些挑戰(zhàn)：如何進(jìn)一步提升溶液的循環(huán)穩(wěn)定性（確保長(zhǎng)期使用后制冷效果不衰減）、如何降低設(shè)備的規(guī)模化制造成本、如何建立完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)體系等，都需要科研團(tuán)隊(duì)、企業(yè)與政策層面的協(xié)同發(fā)力。但可以肯定的是，溶解壓卡效應(yīng)已為下一代綠色制冷技術(shù)開(kāi)辟了全新路徑，一個(gè)更高效、更低碳、更可持續(xù)的制冷時(shí)代正在到來(lái)。

素材來(lái)源：央視新聞、中國(guó)科學(xué)院