國內組合式空調機組專利現狀與趨勢分析

中國電子工程設計院有限公司 魏 蘭 徐曉麗

組合式空調機組被廣泛應用于電子、醫藥、汽車、煙草、化工、紡織等行業，但在使用過程中出現了一些問題，如機組漏水、表冷器凍裂、過濾器阻力大更換頻繁、機組能耗大、機組調控響應速度慢等。為了解決上述問題，國內設備廠家、科研院所等單位開展研究，并申請了許多專利技術。本文對國內組合式空調機組專利申請現狀進行分析，側重組合式空調機組專利申請趨勢、技術特點及創新點，為組合式空調機組發展提供參考。

1 組合式空調機組專利申請趨勢

圖1顯示了2008年至2019年國內組合式空調機組專利申請情況，其中發明專利43項，實用新型專利77項，共計120項。專利申請總體上呈現增長態勢，從2010年到2012年，組合式空調機組發明專利及實用新型專利申請量開始增長，主要是因為2008年國家頒布《國家知識產權戰略綱要》，后又陸續出臺《專利法》《反不正當競爭法》等法律法規，為企業知識產權權益的保護提供了法律依據；此外，知識產權在企業發展中的重要性日益凸顯，是企業參與市場競爭的重要手段，所以企業重視知識產權保護。2013年，組合式空調機組專利申請呈現下降趨勢，但從2014年開始，申請量迅速增長，到2017年總申請量達到峰值，該時期為快速發展期，年增長率達到34%。從2018年開始，組合式空調機組專利申請呈緩慢降低態勢，主要集中在實用新型專利申請，發明專利申請幾乎為零，組合式空調機組專利技術逐漸進入成熟期。

圖1 2008—2019年組合式空調機組技術發明和實用新型專利申請趨勢

2 組合式空調機組專利主要申請地區對比

表1為2008年至2019年國內不同地區組合式空調機組專利申請情況?？梢钥闯觯暾埩颗琶拔宓氖∈蟹謩e為廣東省、江蘇省、陜西省、山東省、北京市，廣東省、江蘇省、陜西省、山東省都是制造業大省，同時也聚集了許多機組生產廠家和科研院所，而北京市則是機組科技創新企業的聚集地，所以更重視對組合式空調機組技術的專利保護。

從技術申請情況看，主要涉及機組結構、機組控制、過濾、表冷器、加熱器、加濕、溫濕度獨立調節等方面，其中關于機組結構專利申請量最多，為54個；其次是表冷器、過濾、機組控制專利技術。

3 專利技術及創新點分析

3.1 機組結構(見表2)

表1 2008—2019年不同地區組合式空調機組技術專利申請情況

表2 組合式空調機組關于機組結構專利技術對比與創新點分析

從表2可以看出，機組結構專利主要集中在功能段、箱體結構、機組排水、安全門等方面，其中關于機組功能段的專利申請量最多，其次是箱體結構、機組排水。

機組功能段的專利技術提供了不同行業因環境要求不同所需的機組功能段組合模式，例如電子行業，機組內需設置新風段、過濾段(至少粗、中、高效三級過濾)、預冷段、表冷段、加濕段、加熱段、化學過濾段、消聲段和送風機段，對環境溫濕度、潔凈度、化學污染物進行控制。醫藥行業，由于對微生物菌落數、溫濕度要求嚴格，機組內需設置殺菌凈化段及過濾、表冷、加濕、加熱段和送風機段等功能段。與電子、醫藥行業不同，煙草行業對相對濕度要求嚴格，回風量較大且回風管道較長，所以機組內需設置回風機段、排風段、新回風混合段、表冷段、加熱段、加濕段(二級加濕)、送風機段。

對組合式空調機組而言，保溫面板邊角、骨架、箱體框架等處最容易產生冷橋，相應的專利技術可解決機組在使用過程中空調箱框架及箱體板上產生冷凝水和冷量損失問題；同時，通過對箱體結構的模塊化及組裝方法研究，使得機組安裝、拆卸、維護都方便快捷，投資、維護費用都大大降低。

機組底部結構、不同形式接水盤及水位報警等專利技術可解決機組內冷凝水無法排盡從而導致機組漏水和細菌滋生的問題；機組檢修門在安全裝置及連鎖控制方面的專利技術可解決人員檢修機組時的安全隱患。機組防雨罩、風室泄壓裝置、擋水板及風機均流罩方面的專利技術可簡化機組室外防雨施設，減少成本和減少占地；解決機組內冷風快速通過擋水板時汽水分離不徹底問題；避免正負壓室超壓，泄壓壓力值容易準確調節，提高了系統安全性；避免出風口壓力過大、四周壓力小、出風不均勻的現象。

雖然在機組結構方面有很多專利，機組結構技術也獲得了較大發展，但是目前機組一般承壓都在2 kPa以內，對于功能段較多的機組，需要承壓能力更高，這方面還有待進一步研究。

3.2 表冷器(見表3)

表3 組合式空調機組關于表冷器專利技術與創新點分析

從表3可以看出，表冷器專利技術主要集中在表冷器防凍、直接蒸發冷卻、機械制冷與直接蒸發冷卻、多級降溫4個方面。

通過對表冷器設置各類加熱元件及在表冷器前設置溫度傳感器，實現機組風機、表冷器及加熱元件的連鎖控制，解決環境溫度過低時表冷器銅管內殘留的水分結冰而凍裂盤管的問題。將表冷器與噴淋、預冷等功能段相結合，可解決一級表冷器降溫除濕深度不夠的問題，同時還可以提高制冷效率，降低機組能耗。將機械制冷與直接蒸發冷卻技術相結合，不僅可以改善機械制冷在節能環保方面的不足，也可解決蒸發冷卻應用受室外氣象條件影響(干濕球溫差影響)的問題，可以使機組充分利用室外自然冷源，盡可能減少機械制冷的運行時間，機組能耗大大降低。

3.3 過濾(見表4)

表4 組合式空調機組關于過濾專利技術對比與創新點分析

從表4可以看出，過濾專利技術主要集中在化學過濾、集塵器、自動清洗過濾、過濾裝置結構4個方面，其中，關于化學過濾申請量最多。

化學過濾器通常與風機的過濾機組配合使用，用于控制生產車間內空氣的潔凈度和化學污染物含量，但是目前的化學過濾機組通常安裝在車間的吊頂上，同時還要滿足室內噪聲的要求，所以一般只能提供90 Pa左右的機外余壓，在克服系統中干表冷段和高架地板阻力后，提供給化學過濾器的壓頭很小，限制了化學過濾器中吸附劑層的厚度，導致化學過濾器使用壽命很短，待吸附劑層飽和后需頻繁更換，縮短風機過濾機組的連續工作時間，不利于車間連續生產。化學過濾方面的專利技術可延長其使用壽命，進而提高空氣處理機組的連續工作時間。但是，化學過濾器對進口段空氣相對濕度要求嚴格，一般要求相對濕度<60%，相對濕度較大影響化學過濾效果，此問題仍待解決。

集塵器方面的專利技術則可解決除霾機組運行時，過濾器材上容易沉積空氣中大量的微小顆粒，導致過濾效果隨著運行時間的推移不斷衰減的問題。組合式空調機組內部空氣濕度大，加之除塵量大，粉塵容易粘結在過濾器上，而傳統的清洗方法存在較多弊端，如浪費水、維護費用高、清洗效率低。自動清洗過濾方面的專利技術可以有效控制用水量，降低維護費用，提高清洗效率，實現過濾器清洗的自動化與智能化。過濾裝置結構方面的專利技術可任意更換某塊濾塊而不必移動其他濾塊，減少了粗效過濾器的維護工作且降低了勞動強度。但是，目前的過濾器仍然存在著一些問題，如過濾效率越高，過濾阻力越大，機組能耗越大，在過濾器的高效率、低阻力方面應進一步加強技術研究。

3.4 機組控制

機組控制方面的專利技術主要涉及控制系統和控制策略，申請量分別為6項和2項。機組控制系統包括采集、控制、顯示系統及云服務平臺。采集系統采集環境數據(溫度、濕度、潔凈度、壓差)，控制系統對風閥、閥門組件、風機電動機等進行控制；云服務平臺進行環境數據接收、分析、計算及計算結果指令的發送，顯示裝置與云服務平臺連接，使機組能根據使用環境的變化，利用云服務器計算和分析，動態實時調節新回風比例、閥門開度、風機轉速等，從而實現高精度控制?？刂葡到y方面的專利技術可解決用戶只能在現場通過控制板查詢并設定機組的控制參數，而無法對機組進行遠程監控的問題。此外，通過遠程服務器用戶可以獲取機組的歷史運行數據并進行運行狀態分析。

機組控制策略方面的專利技術是通過對比室內與回風狀態參數計算得出送風狀態參數，對比送風與混風狀態參數，控制機組相應調節裝置，空氣溫濕度狀態參數通過2個PID回路進行分析計算，調節控制風閥、表冷閥、加濕閥等，通過對送風溫濕度的監控分析使得機組以最快的響應速度滿足生產環境對溫濕度的要求。控制策略方面的專利技術解決了目前機組對室內溫濕度的控制主要通過初始設計值進行設定，不適應在復雜工況下實時調節的問題。

雖然優化機組控制使機組能耗降低，但是影響機組能耗的關鍵性指標還需探究，通過控制關鍵性指標使得機組快速響應，以及如何進行機組的能耗評價都仍需進一步研究。

3.5 其他

組合式空調機組關于溫濕度獨立調節、冷熱源、熱回收、加熱器、加濕、殺菌消毒6個方面的專利技術特點及創新點見表5。

表5 組合式空調機組關于其他專利技術布局對比與創新點分析

新風、回風單獨進行溫濕度獨立調節的專利技術，可解決目前機組新回風混合后集中處理再熱耗能的問題；機組冷熱源專利技術可解決室外溫度過高時冷源制冷效率下降和利用冷凝熱制取生活熱水的問題，同時利用太陽能與土壤源結合冬夏季都可為機組提供冷熱源。目前，機組的冷熱源一般來自動力中心，但對于一些改造項目，原有的冷熱源能量不足或者沒有，則無法進行改造應用，這方面還需進一步研究。

熱回收專利技術可解決目前機組排風熱能的回收換熱效率低(通常采用轉輪式、板翅式)，排風和新風之間有滲透或接觸對新風造成污染的問題；還可以在實現全熱回收的同時減少設備的占用空間和制造成本。加熱器專利技術可解決新風機組不適用于-5 ℃以下的環境，在低溫下加熱器易被凍裂的問題，同時通過對電加熱器模塊化結構優化，使得結構裝配便捷，節省材料，通用性強。

加濕專利技術可解決紡織廠專用空調能耗高、占地大、投資高的問題；殺菌消毒專利技術可解決機組底部積水時容易滋生細菌等存在著嚴重的內部菌塵污染，影響空氣品質，僅靠空氣過濾的方法難于清除細菌的危害問題。

4 組合式空調機組技術發展趨勢分析

近年來，組合式空調機組的專利技術促進了組合式空調機組的發展，但是尚有一些問題待解決，未來可以在以下方面進行改進或提高：

1) 對化學過濾器性能改進?；瘜W過濾器常用活性炭作為吸附劑，為了保證活性炭吸附效果，需要控制化學過濾器進口段相對濕度<60%，所以在電子行業一般采用兩級加濕設備(噴淋+電加濕)，會增加空調機組的長度和設備投資?？梢詫瘜W過濾器吸附材料進行改性，采用高錳酸鹽、磷酸、檸檬酸、硫酸鈉、碳酸鹽、氫氧化物等浸漬劑對活性炭及活性氧化鋁等基本材料表面進行處理，開發適應高濕環境的化學過濾器。

2) 研發高效過濾器。組合式空調機組內過濾器濾料一般為化纖、玻纖或者聚酯纖維，使用壽命短、過濾阻力大，且有的過濾器沒法重復性使用，造成能源浪費。應開發高效低阻、使用壽命長且結合智能清洗控制系統的高效過濾器。

3) 目前歐美等國家采用ISO 16890標準對一般通風過濾器進行試驗，而國內一般通風過濾器的傳統試驗方法不太實用，所以許多過濾器廠家及第三方實驗室也在使用ISO 16890。根據ISO 16890標準新的分級(粗效、ePM10、ePM2.5、ePM1)及試驗方法，開發組合式空調機組一般通風過濾器標準化設計選型及機組內模塊化過濾段結構，將有市場前景。

4) 用于顆粒物、化學氣體濃度要求較高場所的空調機組，需設置多功能段，從而導致機組靜壓非常高(一般為2.0～2.5 kPa)，而常規機組箱體結構是先形成外部框架，再將保溫面板嵌入到框架中，框架和箱板之間存在間隙會漏風結露，其結構強度小、承壓低，無法滿足使用要求。開發承壓能力高、無框架箱板結構，如在結構鋁型材上插裝隔熱型材，研制形成一體化鋁塑型材，會提升箱體的強度、密封和隔熱性能。

5) 研究影響機組能耗的關鍵性指標及綜合評價方法，制定組合式空調機組的優化控制策略。

6) 工業廠房中組合式空調機組冷熱源一般來自動力中心，但對于一些改造項目或者沒有集中冷熱源的場合，機電一體化組合式空調機組優勢明顯，應開發利用。