家用空調(diào)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

陳 寶

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著科技的不斷進(jìn)步和人們對(duì)舒適生活的追求，空調(diào)作為室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)的重要設(shè)備，也在不斷地發(fā)展和演變。空調(diào)行業(yè)正朝著更高效、智能、環(huán)保和健康的方向邁進(jìn)。從制冷技術(shù)到控制系統(tǒng)，從能源效率到室內(nèi)空氣質(zhì)量，空調(diào)的發(fā)展趨勢正在不斷塑造我們的家庭和辦公環(huán)境[1-3]。

20 世紀(jì)60年代，中國開啟了自己的空調(diào)器生產(chǎn)歷程。上海冰箱廠首次成功開發(fā)出中國第一臺(tái)窗式空調(diào)器，然而當(dāng)時(shí)這種設(shè)備只被一些專業(yè)機(jī)構(gòu)所采納，從此開始空調(diào)的研究一直在持續(xù)不斷的進(jìn)步當(dāng)中。空調(diào)行業(yè)的發(fā)展趨勢中，健康環(huán)保的空調(diào)占據(jù)了關(guān)鍵的位置[4]。過去，空調(diào)使用了各種健康科技，例如負(fù)離子發(fā)生器、離子集塵裝置和多元光觸媒等，這些科技的運(yùn)用大大增強(qiáng)了空調(diào)產(chǎn)品的健康效果。此外，空調(diào)氣流的舒適性也是衡量健康空調(diào)的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)空調(diào)的送風(fēng)方式直接吹向人體，易引起傷風(fēng)、感冒、頭痛、關(guān)節(jié)痛等不舒適感。為解決這一問題，近期推出的新型空調(diào)能夠?qū)L(fēng)從周圍環(huán)繞，而不是直接對(duì)人體吹風(fēng)，通過改善空調(diào)送風(fēng)氣流分布，提供更為舒適的空調(diào)體驗(yàn)[5]。變頻空調(diào)是當(dāng)前空調(diào)消費(fèi)的主要趨勢之一，相比傳統(tǒng)空調(diào)，變頻空調(diào)具有高性能運(yùn)轉(zhuǎn)、舒適靜音、節(jié)能環(huán)保和低能耗等顯著特點(diǎn)。日本作為變頻空調(diào)的領(lǐng)導(dǎo)者，自20 世紀(jì)80年代初以來，變頻空調(diào)已占據(jù)該國空調(diào)市場的約90 %份額。而在中國,變頻空調(diào)的發(fā)展速度也相當(dāng)迅速,在不足八年的時(shí)間內(nèi)便和日本的先進(jìn)技術(shù)水平達(dá)到了同步[6]。由此可見,在未來中央空調(diào)市場上,變頻空調(diào)的發(fā)展前景將非常巨大。此外,對(duì)臭氧層的污染也是當(dāng)前世界上存在的最主要環(huán)保問題之一。過去，傳統(tǒng)空調(diào)所采用的制冷劑對(duì)臭氧層有破壞作用，并產(chǎn)生溫室效應(yīng)，對(duì)大氣環(huán)境造成了損害。因此，無氟空調(diào)成為眾所期待的產(chǎn)品[7]。尤其是歐盟和美國等發(fā)達(dá)國家已禁止使用有氟制冷劑的空調(diào)。近年來，以海爾空調(diào)為代表的無氟空調(diào)已經(jīng)問世，標(biāo)志著無氟空調(diào)時(shí)代的到來。同時(shí)外觀的設(shè)計(jì)也能影響到空調(diào)性能與耐久問題，唐榮華等[8]通過三維建模、溫度場熱變形仿真等，對(duì)空調(diào)產(chǎn)品的塑料制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究并進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明仿真分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)比吻合度高。

夏日愈來愈炎熱，人們生活水平的提高，對(duì)空調(diào)的使用也更加頻繁。空調(diào)的發(fā)展趨勢也更加智能化、環(huán)保節(jié)能以及多功能化，制冷效果與健康使用能夠?yàn)橛脩籼峁└蟮谋憬荨?/p>

1 結(jié)構(gòu)類型分析

家用空調(diào)可按照安裝方式和工作原理的不同，分為以下三類：

1.1 窗式空調(diào)

窗式空調(diào)是最常見的家用空調(diào)類型。窗式空調(diào)通常包括一個(gè)室內(nèi)機(jī)和一個(gè)室外機(jī)，整體安裝在窗戶或墻壁上，室內(nèi)和室外之間通過相應(yīng)的空調(diào)管道進(jìn)行連接利用制冷劑的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)降溫的效果[9]。室內(nèi)機(jī)通過蒸發(fā)器將室內(nèi)熱空氣吸入，將熱空氣與制冷劑進(jìn)行熱交換，吸熱后的制冷劑被壓縮并通過管道發(fā)送至室外機(jī)。室外機(jī)通過冷凝器將制冷劑中的熱量散發(fā)到室外環(huán)境中，冷卻后的制冷劑重新進(jìn)入室內(nèi)機(jī)進(jìn)行循環(huán)。窗式空調(diào)適合單個(gè)房間或小空間的制冷，安裝簡便，適用于對(duì)整體裝修要求較低的家庭。

1.2 分體式空調(diào)

分體式空調(diào)由一個(gè)室內(nèi)機(jī)和一個(gè)室外機(jī)組成，室內(nèi)機(jī)安裝在室內(nèi)墻壁上，室外機(jī)則固定在室外，兩者通過冷媒管連接，工作原理與窗式空調(diào)類似。分體式空調(diào)可以根據(jù)需求選擇不同型號(hào)和功率，適用于單個(gè)房間或多個(gè)相鄰房間的制冷和制熱。

1.3 中央空調(diào)

中央空調(diào)系統(tǒng)包括室內(nèi)機(jī)組、室外機(jī)組、空調(diào)管路、風(fēng)管以及控制系統(tǒng)等組成部分，是一種高效、集中式的空調(diào)系統(tǒng)，一套中央主機(jī)和分布于不同房間的通風(fēng)管道系統(tǒng)就可為整個(gè)建筑提供制冷、供暖和通風(fēng)功能。主機(jī)一般安裝在建筑物的機(jī)房或屋頂上，通過制冷劑和水循環(huán)，將空氣從室內(nèi)吸入主機(jī)，經(jīng)過制冷或加熱處理，再通過通風(fēng)管道將調(diào)節(jié)過的空氣送到各個(gè)房間的出風(fēng)口[10]。室內(nèi)機(jī)組通常安裝在建筑物的機(jī)房或頂樓，通過風(fēng)管將冷（熱）空氣輸送到各個(gè)房間。中央空調(diào)具有整體控制、分區(qū)控制和高效節(jié)能等優(yōu)勢，適用于需要同時(shí)為多個(gè)房間或大面積空間提供制冷和制熱的場所，被廣泛應(yīng)用于大型商業(yè)建筑、辦公樓、酒店、醫(yī)院、學(xué)校等場所。

圖1 窗式空調(diào)

圖2 分體式空調(diào)

這三類家用空調(diào)在安裝方式、制冷和制熱能力、適用范圍等方面各有特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的需求和空間狀況選擇適合的類型。

2 核心技術(shù)發(fā)展

空調(diào)的制冷效果、能效比、噪音水平、質(zhì)量和可靠性、室內(nèi)空氣質(zhì)量以及操作和控制等方面都是判斷一個(gè)空調(diào)好壞的重要依據(jù)，空調(diào)的發(fā)展核心技術(shù)主要集中在壓縮機(jī)與制冷技術(shù)等等。

圖3 中央空調(diào)

2.1 壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是家用空調(diào)中最關(guān)鍵的部件之一，它通過壓縮制冷劑來實(shí)現(xiàn)制冷效果，不斷的研發(fā)和創(chuàng)新使得壓縮機(jī)具備更高的能效、更低的噪音和更長的使用壽命。其中一大研究熱點(diǎn)變頻調(diào)速已成為現(xiàn)代空調(diào)壓縮機(jī)的主流。傳統(tǒng)的定速壓縮機(jī)只有兩種運(yùn)行狀態(tài)：開啟和關(guān)閉。而變頻調(diào)速技術(shù)[11]可以根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境需求精確地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)精確控制和節(jié)能。變頻調(diào)速技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求，調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行速度，避免頻繁啟停，減少能耗，提高能效。

另一大研究熱點(diǎn)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)也是能改善性能的潮流，主要集中在活塞式、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式、渦旋式等三種壓縮機(jī)[12]。

1）活塞式壓縮機(jī)：活塞壓縮機(jī)的工作原理基于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由一個(gè)帶有活塞的氣缸和與活塞連接的曲柄機(jī)構(gòu)組成。當(dāng)活塞往下移動(dòng)時(shí)，制冷劑通過吸氣閥從低壓區(qū)域進(jìn)入氣缸。當(dāng)活塞往上移動(dòng)時(shí)，吸氣閥關(guān)閉，并且制冷劑被壓縮成高溫高壓氣體。最后，壓縮機(jī)通過排氣閥將壓縮后的氣體排出到制冷系統(tǒng)中，完成一個(gè)循環(huán)。

2）滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)：滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于空調(diào)設(shè)備中，特別是小型和中型空調(diào)系統(tǒng)。采用兩個(gè)或多個(gè)相互嚙合的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子，通常為一個(gè)固定轉(zhuǎn)子和一個(gè)活動(dòng)轉(zhuǎn)子，兩個(gè)轉(zhuǎn)子的外形輪廓呈現(xiàn)出相互嚙合的波浪狀或齒狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩者之間的嚙合產(chǎn)生壓縮腔，使制冷劑氣體在腔體內(nèi)被壓縮。

3）渦旋式壓縮機(jī)：渦旋壓縮機(jī)為一種新型的排氣旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。相比傳統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機(jī)，渦旋壓縮機(jī)具有緊湊結(jié)構(gòu)、高效率、低噪音和振動(dòng)等優(yōu)勢，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來壓縮制冷劑，具有較高的壓縮比和穩(wěn)定的運(yùn)行性能。渦旋壓縮機(jī)技術(shù)在小型家用空調(diào)和商用空調(diào)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且不斷在性能和能效方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

2.2 制冷技術(shù)

1）冰蓄冷制冷[13,14]是一種利用低峰時(shí)段制冷能力進(jìn)行冷能儲(chǔ)存，并在需要的高峰時(shí)段釋放冷能的技術(shù)。目前的冰蓄冷技術(shù)主要使用水作為蓄冷材料，但水的相變熱比較低，儲(chǔ)存密度相對(duì)較大。因此，研究人員正在探索開發(fā)新的材料，具有更高的儲(chǔ)冷密度和更適合家庭應(yīng)用的特性。例如，相變材料如石蠟、硅脂等，其相變溫度較高，可以提高儲(chǔ)冷密度，從而減小蓄冷裝置的尺寸和成本。另一方面蓄冷裝置是冰蓄冷技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，研究人員正在開展針對(duì)蓄冷裝置的改進(jìn)和優(yōu)化工作，以提高儲(chǔ)冷效果和系統(tǒng)性能。例如，改進(jìn)蓄冷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳熱表面，優(yōu)化蓄冷材料的分布方式，提高儲(chǔ)冷效率和系統(tǒng)的可控性。

圖4 渦旋式壓縮機(jī)內(nèi)部

2）空氣熱泵技術(shù)[15]是一種能夠從環(huán)境空氣中吸收熱量并將其傳遞至室內(nèi)或熱水供應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)。該技術(shù)研究熱點(diǎn)是高效換熱器設(shè)計(jì)和材料研究，其中換熱器是空氣熱泵系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分，直接影響系統(tǒng)的熱效率，研究人員致力于開發(fā)新的換熱器設(shè)計(jì)和材料，以提高熱交換效率和傳熱性能。例如，采用增強(qiáng)換熱表面技術(shù)，優(yōu)化流體的流動(dòng)分布，增加換熱面積，以及探索高性能熱傳導(dǎo)材料的應(yīng)用，如納米材料或具有特殊表面涂層的材料。制冷劑的優(yōu)化和替代研究也是主流。制冷劑是實(shí)現(xiàn)制冷效果的介質(zhì)，家用空調(diào)常用的制冷劑包括氟利昂和氫氟碳化物（HFCs）。然而，由于其對(duì)臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)，國際社會(huì)已經(jīng)提出了對(duì)制冷劑的環(huán)保要求。因此，研發(fā)和應(yīng)用無危害環(huán)境的新型制冷劑成為了發(fā)展的方向，如低溫制冷劑、天然制冷劑等。

3 結(jié)論

隨著時(shí)代的發(fā)展，壓縮機(jī)與制冷技術(shù)有著更加廣闊的未來，家用空調(diào)的發(fā)展依然離不開安全可靠和環(huán)保，展望未來，以下幾點(diǎn)也將是家用空調(diào)發(fā)展的新趨勢。

綠色環(huán)保：環(huán)保將成為未來家用空調(diào)的重要發(fā)展方向，制造商將致力于減少能源消耗、降低碳排放和使用環(huán)境友好的制冷劑，同時(shí)新的制冷技術(shù)和設(shè)計(jì)將使空調(diào)更加能效高、少耗能，減少對(duì)全球氣候變化的負(fù)面影響。

智能化和自動(dòng)化：隨著智能家居技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來家用空調(diào)將更加智能化和自動(dòng)化，用戶可以通過智能手機(jī)或語音控制設(shè)備來遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制空調(diào)系統(tǒng)，預(yù)設(shè)溫度和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的舒適體驗(yàn)。同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)也會(huì)更加智能地調(diào)節(jié)溫度、濕度和風(fēng)速，以適應(yīng)不同的環(huán)境和用戶需求。

健康與舒適：未來的家用空調(diào)將更加注重室內(nèi)空氣質(zhì)量和用戶健康。空調(diào)系統(tǒng)將配備更高效的空氣凈化器、過濾器和負(fù)離子發(fā)生器，去除室內(nèi)空氣中的污染物和細(xì)菌，提供更潔凈、健康的居住環(huán)境。同時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)也會(huì)更加注重舒適性，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度、濕度和風(fēng)流，提供最佳的舒適體驗(yàn)。

人工智能和大數(shù)據(jù)應(yīng)用：未來的家用空調(diào)可能會(huì)應(yīng)用人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過分析用戶的習(xí)慣和環(huán)境數(shù)據(jù)來優(yōu)化能耗和舒適性。空調(diào)系統(tǒng)將學(xué)習(xí)用戶的喜好和行為模式，自動(dòng)調(diào)整工作模式和能效，并提供個(gè)性化的使用建議和能源管理方案。