零碳科技：“溶解壓卡效應”推動零碳園區(qū)制冷全新路徑

近日，中國科學院金屬研究所李昺研究員團隊與合作者在制冷技術領域取得新突破——首次發(fā)現(xiàn)“溶解壓卡效應”，有望為高耗能數(shù)據(jù)中心等算力基礎設施提供低碳、高效的新型冷卻解決方案。該研究成果1月22日在國際學術期刊《自然》發(fā)表。

算力作為數(shù)字經(jīng)濟時代的關鍵基礎設施，其高速發(fā)展背后是日益增長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)壓縮機制冷方案不僅能耗大、排放高，且在應對高功率散熱需求時面臨換熱效率瓶頸。

研究團隊在實驗中發(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：加壓時鹽析出并放熱，卸壓后鹽迅速溶解并強力吸熱，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”。該效應將制冷工質(zhì)與換熱介質(zhì)合二為一：利用溶液本身流動性實現(xiàn)高效傳熱，同時通過溶解、析出過程提供巨大冷量，從而打破了長期以來困擾制冷領域的“低碳-大冷量-高換熱”不可能三角關系。

“壓卡效應”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)部結構被壓緊時會發(fā)熱；松開手后，海綿迅速回彈，會從周圍吸收熱量而變涼。這種固態(tài)材料靠自身結構變化來制冷的方式，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”則相當于擠壓一塊吸滿鹽水的濕海綿——擠壓時鹽水被擠出并放熱，松開手時海綿重新吸回鹽水，這一過程會強力、快速地吸收周圍大量熱量。它不僅制冷能力更強，還因為液體本身能流動傳熱，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)開辟了全新可能。

△壓力調(diào)控溶解熱實現(xiàn)高效綠色制冷（圖片來源：央視新聞）

基于“溶解壓卡效應”，團隊設計出一套四步循環(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)可實現(xiàn)每克溶液吸收67焦耳熱量，理論效率高達77%，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應用潛力。

該成果為下一代數(shù)據(jù)中心冷卻技術提供了原創(chuàng)性方法，有望推動算力基礎設施低碳運行。

未來零碳園區(qū)的重要技術支撐

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

1. 大幅降低園區(qū)能耗與運營成本

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、冷鏈倉儲等多個場景，且能耗占比高、持續(xù)時間長。采用溶解壓卡制冷技術后，同等冷卻效果下能耗可降低 30%-50%，運營成本顯著下降。對于建筑面積 100 萬平方米的零碳園區(qū)，制冷系統(tǒng)年能耗約 1.5 億千瓦時，采用該技術后每年可節(jié)約能耗 4500 萬 - 7500 萬千瓦時，對應減少碳排放量約 3.6 萬 - 6 萬噸（按全國火電平均碳排放系數(shù) 0.8 噸 / 萬千瓦時計算），同時每年節(jié)約電費 2700 萬 - 4500 萬元。

2. 提升園區(qū)空間利用與場景適配能力

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

溶解壓卡制冷系統(tǒng)采用模塊化設計，結構緊湊，設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、機房或生產(chǎn)車間，大幅提升園區(qū)空間利用效率。同時，該技術的制冷能力可通過模塊組合靈活調(diào)節(jié)，既能滿足小型邊緣計算節(jié)點、商業(yè)店鋪等小負荷制冷需求，也能適配大型工業(yè)廠房、超算中心等大負荷冷卻場景，實現(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)建設中，水資源節(jié)約是重要考核指標，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 —— 一個百萬千瓦級數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)年耗水量可達數(shù)十萬噸，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)建設的重要瓶頸。

溶解壓卡制冷技術采用密閉式循環(huán)設計，幾乎不消耗水資源，僅在系統(tǒng)維護時需少量補充，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 - 回收 - 再利用” 的閉環(huán)生態(tài)，溶解壓卡制冷技術不僅自身實現(xiàn)零碳運行，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、風電產(chǎn)生的電能可直接驅(qū)動制冷系統(tǒng)，解決可再生能源消納問題；制冷系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的余熱（加壓過程中釋放的熱量）可通過余熱回收裝置收集，用于建筑供暖、工業(yè)生產(chǎn)預熱或生活熱水供應，實現(xiàn)能源的梯級利用，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，將推動零碳園區(qū)從 “單一節(jié)能” 向 “全鏈條零碳” 轉型，加速園區(qū)碳中和目標實現(xiàn)。

制冷行業(yè)的零碳未來

溶解壓卡效應的發(fā)現(xiàn)，不僅是一項技術突破，更標志著我國在綠色制冷領域從 “跟跑” 轉向 “領跑”，為全球制冷行業(yè)的零碳轉型提供了 “中國方案”。在全球 “雙碳” 浪潮下，這項技術的推廣應用將產(chǎn)生深遠影響：

在行業(yè)層面，它將重構制冷產(chǎn)業(yè)的技術格局，推動傳統(tǒng)高耗能、高排放制冷設備的迭代升級，加速制冷行業(yè)從 “高碳依賴” 向 “零碳主導” 轉型，為全球制冷行業(yè)碳減排貢獻中國力量。

在區(qū)域?qū)用?/strong>，它將為零碳園區(qū)、低碳城市建設提供核心技術支撐，破解制冷能耗高、碳排放大的關鍵瓶頸，加速能源結構的綠色轉型，推動 “雙碳” 目標在區(qū)域?qū)用媛涞匾娦А?br/>

當然，技術的產(chǎn)業(yè)化進程仍面臨一些挑戰(zhàn)：如何進一步提升溶液的循環(huán)穩(wěn)定性（確保長期使用后制冷效果不衰減）、如何降低設備的規(guī)模化制造成本、如何建立完善的技術標準和檢測體系等，都需要科研團隊、企業(yè)與政策層面的協(xié)同發(fā)力。但可以肯定的是，溶解壓卡效應已為下一代綠色制冷技術開辟了全新路徑，一個更高效、更低碳、更可持續(xù)的制冷時代正在到來。

素材來源：央視新聞、中國科學院