实验室冰箱的节能优化

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图1. 低温冰箱作为实验室标准设备用于贮藏敏感型和贵重的样品。

能量不仅仅在日常生活里是一种昂贵的消费品,在实验室中如何最佳地利用能量也是非常重要的。例如实验室的冰箱必须保持精确和稳定的温度条件，以便保护所储存的样品,另外,能量也应该尽可能地加以有效利用，这也是我们研发新一代低温冰箱时关注的重点。

实验室的节能工作往往要比日常生活的情况复杂得多。如果说在日常生活中简单避免能源的消耗是可行的话，例如将电灯和家用电器关掉，或者少开些汽车，那么对于实验室而言，则并非那么容易。实验室仪器例如低温冰箱就必须每天24小时开着，必须保持精确和稳定的温度条件，以便保护所储存的样品。这样一来就通常会引起高的电流消耗。根据这个道理Thermo Fisher Scientific 的工程师们在研发新一代低温设备时，不仅要注意到改进其冰柜和冰箱的效能，还要注意降低其能耗。遵循这一前提，对设备的每个组件都进行了严格的检验，并对其改进的可能性进行了研究。

回归标准

时至今日业已发展了许多方法将热量从一个环境中移走，此乃所有制冷系统的最终目的。其中包括化学反应技术（例如基于氨的技术）、电子技术以及基于激光的制冷技术，或者基于声学系统。其中许多方法已有行之有效的应用。这种用于在冷藏和低温储藏设备中进行制冷的主要技术，最早源于法拉第的气体压缩机械原理，方法是将一适当的气体压缩成液态，然后用泵直接输送通过冷却室，或者环绕着冷却室进行输送。当该液体流动时便吸收热量并重新变为气相状态。 当气体流过冷凝器时，所吸收的热量又重新释放出来。现代的家电、工业和实验室的制冷系统利用的就是这种原理，并且采用了相的技术加以完善，使之能够满足对不同冷却特性的要求。用于储存食品的家用冰箱要设计得便于随时取用。而企业领域使用模式则不同，虽然目的也要适合于保存食品，但是需要根据企业或餐馆的较高要求进行特殊设计。可是并没有一种设备能够符合实验室中对于DNA、RNA、蛋白质或者其它贵重样品储藏的特殊要求。

图2. Thermo Fisher Scientific普惠型实验室冰箱和低温冰箱，具有使用方便的微程序控制和温度记录功能，可以广泛地用于控制和监视贮藏条件及仪器参数。

在特殊的使用条件下

涉及实验室的冷藏和低温储藏设备时，需要专门为这种应用进行开发和检测。要采用精确的温度控制，这是进行保存和保证样品统一性不可或缺的，包含具有现代警报系统、更高的温度准确性、较短的温度平衡时间、机动的存储可能性以及多方面的安全功能。

鉴于涉及如此广泛的功能，这样的实验室冷藏和低温储藏设备通常耗费的电量要比民用和商业用的普通冰箱高得多。例如有些低温储藏的设备装置有两台压缩机，其中总有一台在不间断地运转。这样一来倘若非要保证样品的一致性不受影响的话，就很难做到环境友好的节约用电。尽管如此，仍要本着这种最高的责任感来制造更为环保的冷藏设备。

由于用户的要求各不相同，包括对设备大小极其不同的要求，不同温度范围的要求，以及在国际范围内不同的电流电压条件和国家地区政策性的边界条件，研发低温储藏冰箱是一项极其复杂的任务。

在一般的冷藏和低温储藏设备中可以发现许多能源消耗器件，而它们并非对于所有运转都是必要的。对于这样一些器件以及与之有关的组件，都要进行提高效率而又不影响样品统一性的研究。所以最新一代的冷藏和低温储藏系统，不仅能够对样品做到最高标准的保护，也更加环保。

冷藏系统的优化

冷藏系统“活性的”部分包括一个或几个压缩机、气化装置、冷凝器、冷却剂和管道系统。现在，通过对所有系统组件的技术革新性的改进，实现了更好的热传导，减少了对工作环境的放热作用，从而降低了能源的消耗，达到了更高的效率。压缩机技术的进步使得冷藏系统在过去5年内效率提高了20%。

只有效率本身而没有控制也是不能利用的，对于冷藏系统也是如此。为此开发了新的控制系统，以便准确调节制冷室的参数以及压缩机的参数。这就意味着，这一台或者几台压缩机并非总是不停地运行，而只是在需要的时候才接通。由此进一步降低了能量消耗、噪声水平和放热作用。

化冰功能对于民用和商用而言往往视为理所当然的事，大多数设备都具有自动循环功能，并按照一定的时间间隔运行。但是标准的化冰循环都会导致强烈的温度波动，从而可能危及样品的统一性。因此在那些需要准确监控和管理的实验室，并非一定需要这种化冰循环。在一些情况下则需要加大附加的储藏容量，以便在必要时对设备进行化冰处理。在由于缺乏人员、时间或位置而不能够采用手动化冰程序的情况下，许多Thermo Scientific冷藏设备都配置了集成的化冰程序，用以监控气化装置的温度差异。由此能够做到只是在绝对必要的条件时才启动化冰循环，此时贮藏室的温度可保持最小的升高。同时由于气化装置保持在最佳状态，对于节约能源来说也很有好处。

调整的冰箱设计

与冰箱的大小无关，冷藏和低温冰箱门上的冷凝液对箱门的密封性有不利影响，因此一直被认为是个难题。密封垫损坏会产生更高的能源消耗，还可能使贵重的样品受热，甚至引起箱门的冻结。解决这一问题最简捷的方法就是对密封条稍稍加热。可是由此又会产生两个新的问题：其一是将热引入到冷藏室，其二是为了加热密封条和将多余的热量导出冷藏室而增加了电流消耗。新的冷藏设备的设计思想是，在箱门周围没有必要予以加热，这样就节省了能耗而且又保护了冷藏样品。

图3. 借助于带滑动抽屉的机架可以快捷和有目的性地取出样品。这样可使样品只是在必要的情况下短时间置于环境温度中，因此提高了能量的效率。

超低温冰箱（ULT）在低至-80℃贮藏样品，这样的低温条件可将生化反应减少到最低限度。这里极其重要的是，在从低温设备中取出样品时要尽可能减少冷气的泄露和尽可能少地将样品放置于环境温度中。因此设备的构造和冷藏室的布置极其重要。处于首要位置的是采用分开的小室，每个小室都带有自己的内门，允许分块存放和取出样品。较大的超低温单元多达10个小室，这样可以保证在取出单个样品时引起的冷气损失最小，同时也可能保证以较小的能耗，重新将开门后产生的温度波动调回所要设定的值。另外一个好处在于，在冷藏室内位置允许的条件下，借助于所提供的滑动式抽屉插入系统，可以有效地加快取出样品的过程。

如果在打开箱门之前能够准确知道要取出的样品处于设备中什么位置，同样可以加快取出的过程。Thermo-Scientific-Revco冰箱系列（4~30℃）采用了光学玻璃门，便于清楚地看到全部样品储藏空间。

对于储藏的其他因素的改进，还体现在采用技术革新的隔离技术、应用不含氟化烃的驱动介质、提高隔热性能以及节能省电等方面。由于改进了隔离性能，能够应用更少的材料来构建更薄的箱壁。这样就可以在在相同的占地面积上达到更大的存贮容量。另外，通过应用新的隔离材料使得设备制造和回收处理更加环保。

上述对于设备结构的改进只有在使用者遵守有关预先的规定时，才能发挥其完全的作用。

另外，大型制造商的强势在于不仅体现在保证样品的统一性和环境保护上，还体现在对用户的培训方面。

标准的定义

实验室仪器设备是极其复杂的，因而目前尚不能完全纳入“能源之星标识系统”。 Thermo-Scientific从事冷藏设备产品的研发小组，正会同美国的协作组，包括环保局 EPA和美国环保部DOE，共同制定扩大实验室的能源之星系统的判断条件。

小结

在研究适用于实验室的冷藏和低温储藏设备时，需要考虑许多选择标准，包括温度稳定性和恢复时间、对样品统一性的保持以及安全和保护问题。制造商在提高效率的同时还要能够考虑环境友好。这些技术上的进步和对终端用户的培训，为保证在实验室依照环保的方式行事提供了可能，尽管并不容易。

背景知识：低温冰箱

冰箱使用提示

适合自己的需要：最好尽可能使用符合个性化要求的那种冰箱。一个冰箱，即使当初购价较廉，但如果大部分时间只是部分装载，那也是非环保性的。

具体的物品清单：极为重要的是要做一份一目了然的物品清单和保持一种透明的贮藏系统。做不到这点，使用者则可能要花费比想象更多的时间去翻找他的样品。这样就可能会有许多样品被置入室温之虞。

提前计划：借助于一目了然的物品清单和所有必要的样品清单，使用者便可以提前做出准确的计划。这样就可以减少取出样品和将其置于环境温度中的时间。

简单的保养和维护：密封垫必须一直保持干净和免受损害，要注意正确地关闭箱门。还要定期地清理空气过滤器，以便能够持续地保持设备的最高效率。空气过滤器在运行期间产生的堵塞，可以简单地予以清理。

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