家用空調技術發展現狀

陳 寶

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

隨著科技的不斷進步和人們對舒適生活的追求，空調作為室內環境調節的重要設備，也在不斷地發展和演變。空調行業正朝著更高效、智能、環保和健康的方向邁進。從制冷技術到控制系統，從能源效率到室內空氣質量，空調的發展趨勢正在不斷塑造我們的家庭和辦公環境[1-3]。

20 世紀60年代，中國開啟了自己的空調器生產歷程。上海冰箱廠首次成功開發出中國第一臺窗式空調器，然而當時這種設備只被一些專業機構所采納，從此開始空調的研究一直在持續不斷的進步當中。空調行業的發展趨勢中，健康環保的空調占據了關鍵的位置[4]。過去，空調使用了各種健康科技，例如負離子發生器、離子集塵裝置和多元光觸媒等，這些科技的運用大大增強了空調產品的健康效果。此外，空調氣流的舒適性也是衡量健康空調的另一個標準。傳統空調的送風方式直接吹向人體，易引起傷風、感冒、頭痛、關節痛等不舒適感。為解決這一問題，近期推出的新型空調能夠將風從周圍環繞，而不是直接對人體吹風，通過改善空調送風氣流分布，提供更為舒適的空調體驗[5]。變頻空調是當前空調消費的主要趨勢之一，相比傳統空調，變頻空調具有高性能運轉、舒適靜音、節能環保和低能耗等顯著特點。日本作為變頻空調的領導者，自20 世紀80年代初以來，變頻空調已占據該國空調市場的約90 %份額。而在中國,變頻空調的發展速度也相當迅速,在不足八年的時間內便和日本的先進技術水平達到了同步[6]。由此可見,在未來中央空調市場上,變頻空調的發展前景將非常巨大。此外,對臭氧層的污染也是當前世界上存在的最主要環保問題之一。過去，傳統空調所采用的制冷劑對臭氧層有破壞作用，并產生溫室效應，對大氣環境造成了損害。因此，無氟空調成為眾所期待的產品[7]。尤其是歐盟和美國等發達國家已禁止使用有氟制冷劑的空調。近年來，以海爾空調為代表的無氟空調已經問世，標志著無氟空調時代的到來。同時外觀的設計也能影響到空調性能與耐久問題，唐榮華等[8]通過三維建模、溫度場熱變形仿真等，對空調產品的塑料制件的結構設計進行了分析研究并進行了優化，結果表明仿真分析與實驗數值對比吻合度高。

夏日愈來愈炎熱，人們生活水平的提高，對空調的使用也更加頻繁。空調的發展趨勢也更加智能化、環保節能以及多功能化，制冷效果與健康使用能夠為用戶提供更大的便捷。

1 結構類型分析

家用空調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

窗式空調是最常見的家用空調類型。窗式空調通常包括一個室內機和一個室外機，整體安裝在窗戶或墻壁上，室內和室外之間通過相應的空調管道進行連接利用制冷劑的循環來實現降溫的效果[9]。室內機通過蒸發器將室內熱空氣吸入，將熱空氣與制冷劑進行熱交換，吸熱后的制冷劑被壓縮并通過管道發送至室外機。室外機通過冷凝器將制冷劑中的熱量散發到室外環境中，冷卻后的制冷劑重新進入室內機進行循環。窗式空調適合單個房間或小空間的制冷，安裝簡便，適用于對整體裝修要求較低的家庭。

1.2 分體式空調

分體式空調由一個室內機和一個室外機組成，室內機安裝在室內墻壁上，室外機則固定在室外，兩者通過冷媒管連接，工作原理與窗式空調類似。分體式空調可以根據需求選擇不同型號和功率，適用于單個房間或多個相鄰房間的制冷和制熱。

1.3 中央空調

中央空調系統包括室內機組、室外機組、空調管路、風管以及控制系統等組成部分，是一種高效、集中式的空調系統，一套中央主機和分布于不同房間的通風管道系統就可為整個建筑提供制冷、供暖和通風功能。主機一般安裝在建筑物的機房或屋頂上，通過制冷劑和水循環，將空氣從室內吸入主機，經過制冷或加熱處理，再通過通風管道將調節過的空氣送到各個房間的出風口[10]。室內機組通常安裝在建筑物的機房或頂樓，通過風管將冷（熱）空氣輸送到各個房間。中央空調具有整體控制、分區控制和高效節能等優勢，適用于需要同時為多個房間或大面積空間提供制冷和制熱的場所，被廣泛應用于大型商業建筑、辦公樓、酒店、醫院、學校等場所。

圖1 窗式空調

圖2 分體式空調

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

2 核心技術發展

空調的制冷效果、能效比、噪音水平、質量和可靠性、室內空氣質量以及操作和控制等方面都是判斷一個空調好壞的重要依據，空調的發展核心技術主要集中在壓縮機與制冷技術等等。

圖3 中央空調

2.1 壓縮機

壓縮機是家用空調中最關鍵的部件之一，它通過壓縮制冷劑來實現制冷效果，不斷的研發和創新使得壓縮機具備更高的能效、更低的噪音和更長的使用壽命。其中一大研究熱點變頻調速已成為現代空調壓縮機的主流。傳統的定速壓縮機只有兩種運行狀態：開啟和關閉。而變頻調速技術[11]可以根據室內外環境需求精確地調節壓縮機運行速度，實現精確控制和節能。變頻調速技術能夠根據實際負荷需求，調整壓縮機運行速度，避免頻繁啟停，減少能耗，提高能效。

另一大研究熱點壓縮機的結構也是能改善性能的潮流，主要集中在活塞式、滾動轉子式、渦旋式等三種壓縮機[12]。

1）活塞式壓縮機：活塞壓縮機的工作原理基于活塞的往復運動。由一個帶有活塞的氣缸和與活塞連接的曲柄機構組成。當活塞往下移動時，制冷劑通過吸氣閥從低壓區域進入氣缸。當活塞往上移動時，吸氣閥關閉，并且制冷劑被壓縮成高溫高壓氣體。最后，壓縮機通過排氣閥將壓縮后的氣體排出到制冷系統中，完成一個循環。

2）滾動轉子式壓縮機：滾動轉子式壓縮機被廣泛應用于空調設備中，特別是小型和中型空調系統。采用兩個或多個相互嚙合的滾動轉子，通常為一個固定轉子和一個活動轉子，兩個轉子的外形輪廓呈現出相互嚙合的波浪狀或齒狀結構，當轉子運轉時，兩者之間的嚙合產生壓縮腔，使制冷劑氣體在腔體內被壓縮。

3）渦旋式壓縮機：渦旋壓縮機為一種新型的排氣旋轉式壓縮機。相比傳統的往復式壓縮機，渦旋壓縮機具有緊湊結構、高效率、低噪音和振動等優勢，通過旋轉運動來壓縮制冷劑，具有較高的壓縮比和穩定的運行性能。渦旋壓縮機技術在小型家用空調和商用空調領域得到廣泛應用，并且不斷在性能和能效方面進行改進和優化。

2.2 制冷技術

1）冰蓄冷制冷[13,14]是一種利用低峰時段制冷能力進行冷能儲存，并在需要的高峰時段釋放冷能的技術。目前的冰蓄冷技術主要使用水作為蓄冷材料，但水的相變熱比較低，儲存密度相對較大。因此，研究人員正在探索開發新的材料，具有更高的儲冷密度和更適合家庭應用的特性。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中的關鍵組成部分，研究人員正在開展針對蓄冷裝置的改進和優化工作，以提高儲冷效果和系統性能。例如，改進蓄冷器的結構設計和傳熱表面，優化蓄冷材料的分布方式，提高儲冷效率和系統的可控性。

圖4 渦旋式壓縮機內部

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

3 結論

隨著時代的發展，壓縮機與制冷技術有著更加廣闊的未來，家用空調的發展依然離不開安全可靠和環保，展望未來，以下幾點也將是家用空調發展的新趨勢。

綠色環保：環保將成為未來家用空調的重要發展方向，制造商將致力于減少能源消耗、降低碳排放和使用環境友好的制冷劑，同時新的制冷技術和設計將使空調更加能效高、少耗能，減少對全球氣候變化的負面影響。

智能化和自動化：隨著智能家居技術的迅猛發展，未來家用空調將更加智能化和自動化，用戶可以通過智能手機或語音控制設備來遠程監控和控制空調系統，預設溫度和時間，實現個性化的舒適體驗。同時，空調系統也會更加智能地調節溫度、濕度和風速，以適應不同的環境和用戶需求。

健康與舒適：未來的家用空調將更加注重室內空氣質量和用戶健康。空調系統將配備更高效的空氣凈化器、過濾器和負離子發生器，去除室內空氣中的污染物和細菌，提供更潔凈、健康的居住環境。同時，空調系統也會更加注重舒適性，調節室內溫度、濕度和風流，提供最佳的舒適體驗。

人工智能和大數據應用：未來的家用空調可能會應用人工智能和大數據技術，通過分析用戶的習慣和環境數據來優化能耗和舒適性。空調系統將學習用戶的喜好和行為模式，自動調整工作模式和能效，并提供個性化的使用建議和能源管理方案。