家用空调技术发展现状

陈 宝

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

随着科技的不断进步和人们对舒适生活的追求，空调作为室内环境调节的重要设备，也在不断地发展和演变。空调行业正朝着更高效、智能、环保和健康的方向迈进。从制冷技术到控制系统，从能源效率到室内空气质量，空调的发展趋势正在不断塑造我们的家庭和办公环境[1-3]。

20 世纪60年代，中国开启了自己的空调器生产历程。上海冰箱厂首次成功开发出中国第一台窗式空调器，然而当时这种设备只被一些专业机构所采纳，从此开始空调的研究一直在持续不断的进步当中。空调行业的发展趋势中，健康环保的空调占据了关键的位置[4]。过去，空调使用了各种健康科技，例如负离子发生器、离子集尘装置和多元光触媒等，这些科技的运用大大增强了空调产品的健康效果。此外，空调气流的舒适性也是衡量健康空调的另一个标准。传统空调的送风方式直接吹向人体，易引起伤风、感冒、头痛、关节痛等不舒适感。为解决这一问题，近期推出的新型空调能够将风从周围环绕，而不是直接对人体吹风，通过改善空调送风气流分布，提供更为舒适的空调体验[5]。变频空调是当前空调消费的主要趋势之一，相比传统空调，变频空调具有高性能运转、舒适静音、节能环保和低能耗等显著特点。日本作为变频空调的领导者，自20 世纪80年代初以来，变频空调已占据该国空调市场的约90 %份额。而在中国,变频空调的发展速度也相当迅速,在不足八年的时间内便和日本的先进技术水平达到了同步[6]。由此可见,在未来中央空调市场上,变频空调的发展前景将非常巨大。此外,对臭氧层的污染也是当前世界上存在的最主要环保问题之一。过去，传统空调所采用的制冷剂对臭氧层有破坏作用，并产生温室效应，对大气环境造成了损害。因此，无氟空调成为众所期待的产品[7]。尤其是欧盟和美国等发达国家已禁止使用有氟制冷剂的空调。近年来，以海尔空调为代表的无氟空调已经问世，标志着无氟空调时代的到来。同时外观的设计也能影响到空调性能与耐久问题，唐荣华等[8]通过三维建模、温度场热变形仿真等，对空调产品的塑料制件的结构设计进行了分析研究并进行了优化，结果表明仿真分析与实验数值对比吻合度高。

夏日愈来愈炎热，人们生活水平的提高，对空调的使用也更加频繁。空调的发展趋势也更加智能化、环保节能以及多功能化，制冷效果与健康使用能够为用户提供更大的便捷。

1 结构类型分析

家用空调可按照安装方式和工作原理的不同，分为以下三类：

1.1 窗式空调

窗式空调是最常见的家用空调类型。窗式空调通常包括一个室内机和一个室外机，整体安装在窗户或墙壁上，室内和室外之间通过相应的空调管道进行连接利用制冷剂的循环来实现降温的效果[9]。室内机通过蒸发器将室内热空气吸入，将热空气与制冷剂进行热交换，吸热后的制冷剂被压缩并通过管道发送至室外机。室外机通过冷凝器将制冷剂中的热量散发到室外环境中，冷却后的制冷剂重新进入室内机进行循环。窗式空调适合单个房间或小空间的制冷，安装简便，适用于对整体装修要求较低的家庭。

1.2 分体式空调

分体式空调由一个室内机和一个室外机组成，室内机安装在室内墙壁上，室外机则固定在室外，两者通过冷媒管连接，工作原理与窗式空调类似。分体式空调可以根据需求选择不同型号和功率，适用于单个房间或多个相邻房间的制冷和制热。

1.3 中央空调

中央空调系统包括室内机组、室外机组、空调管路、风管以及控制系统等组成部分，是一种高效、集中式的空调系统，一套中央主机和分布于不同房间的通风管道系统就可为整个建筑提供制冷、供暖和通风功能。主机一般安装在建筑物的机房或屋顶上，通过制冷剂和水循环，将空气从室内吸入主机，经过制冷或加热处理，再通过通风管道将调节过的空气送到各个房间的出风口[10]。室内机组通常安装在建筑物的机房或顶楼，通过风管将冷（热）空气输送到各个房间。中央空调具有整体控制、分区控制和高效节能等优势，适用于需要同时为多个房间或大面积空间提供制冷和制热的场所，被广泛应用于大型商业建筑、办公楼、酒店、医院、学校等场所。

图1 窗式空调

图2 分体式空调

这三类家用空调在安装方式、制冷和制热能力、适用范围等方面各有特点，可以根据不同的需求和空间状况选择适合的类型。

2 核心技术发展

空调的制冷效果、能效比、噪音水平、质量和可靠性、室内空气质量以及操作和控制等方面都是判断一个空调好坏的重要依据，空调的发展核心技术主要集中在压缩机与制冷技术等等。

图3 中央空调

2.1 压缩机

压缩机是家用空调中最关键的部件之一，它通过压缩制冷剂来实现制冷效果，不断的研发和创新使得压缩机具备更高的能效、更低的噪音和更长的使用寿命。其中一大研究热点变频调速已成为现代空调压缩机的主流。传统的定速压缩机只有两种运行状态：开启和关闭。而变频调速技术[11]可以根据室内外环境需求精确地调节压缩机运行速度，实现精确控制和节能。变频调速技术能够根据实际负荷需求，调整压缩机运行速度，避免频繁启停，减少能耗，提高能效。

另一大研究热点压缩机的结构也是能改善性能的潮流，主要集中在活塞式、滚动转子式、涡旋式等三种压缩机[12]。

1）活塞式压缩机：活塞压缩机的工作原理基于活塞的往复运动。由一个带有活塞的气缸和与活塞连接的曲柄机构组成。当活塞往下移动时，制冷剂通过吸气阀从低压区域进入气缸。当活塞往上移动时，吸气阀关闭，并且制冷剂被压缩成高温高压气体。最后，压缩机通过排气阀将压缩后的气体排出到制冷系统中，完成一个循环。

2）滚动转子式压缩机：滚动转子式压缩机被广泛应用于空调设备中，特别是小型和中型空调系统。采用两个或多个相互啮合的滚动转子，通常为一个固定转子和一个活动转子，两个转子的外形轮廓呈现出相互啮合的波浪状或齿状结构，当转子运转时，两者之间的啮合产生压缩腔，使制冷剂气体在腔体内被压缩。

3）涡旋式压缩机：涡旋压缩机为一种新型的排气旋转式压缩机。相比传统的往复式压缩机，涡旋压缩机具有紧凑结构、高效率、低噪音和振动等优势，通过旋转运动来压缩制冷剂，具有较高的压缩比和稳定的运行性能。涡旋压缩机技术在小型家用空调和商用空调领域得到广泛应用，并且不断在性能和能效方面进行改进和优化。

2.2 制冷技术

1）冰蓄冷制冷[13,14]是一种利用低峰时段制冷能力进行冷能储存，并在需要的高峰时段释放冷能的技术。目前的冰蓄冷技术主要使用水作为蓄冷材料，但水的相变热比较低，储存密度相对较大。因此，研究人员正在探索开发新的材料，具有更高的储冷密度和更适合家庭应用的特性。例如，相变材料如石蜡、硅脂等，其相变温度较高，可以提高储冷密度，从而减小蓄冷装置的尺寸和成本。另一方面蓄冷装置是冰蓄冷技术中的关键组成部分，研究人员正在开展针对蓄冷装置的改进和优化工作，以提高储冷效果和系统性能。例如，改进蓄冷器的结构设计和传热表面，优化蓄冷材料的分布方式，提高储冷效率和系统的可控性。

图4 涡旋式压缩机内部

2）空气热泵技术[15]是一种能够从环境空气中吸收热量并将其传递至室内或热水供应系统的技术。该技术研究热点是高效换热器设计和材料研究，其中换热器是空气热泵系统中关键的组成部分，直接影响系统的热效率，研究人员致力于开发新的换热器设计和材料，以提高热交换效率和传热性能。例如，采用增强换热表面技术，优化流体的流动分布，增加换热面积，以及探索高性能热传导材料的应用，如纳米材料或具有特殊表面涂层的材料。制冷剂的优化和替代研究也是主流。制冷剂是实现制冷效果的介质，家用空调常用的制冷剂包括氟利昂和氢氟碳化物（HFCs）。然而，由于其对臭氧层的破坏和温室效应，国际社会已经提出了对制冷剂的环保要求。因此，研发和应用无危害环境的新型制冷剂成为了发展的方向，如低温制冷剂、天然制冷剂等。

3 结论

随着时代的发展，压缩机与制冷技术有着更加广阔的未来，家用空调的发展依然离不开安全可靠和环保，展望未来，以下几点也将是家用空调发展的新趋势。

绿色环保：环保将成为未来家用空调的重要发展方向，制造商将致力于减少能源消耗、降低碳排放和使用环境友好的制冷剂，同时新的制冷技术和设计将使空调更加能效高、少耗能，减少对全球气候变化的负面影响。

智能化和自动化：随着智能家居技术的迅猛发展，未来家用空调将更加智能化和自动化，用户可以通过智能手机或语音控制设备来远程监控和控制空调系统，预设温度和时间，实现个性化的舒适体验。同时，空调系统也会更加智能地调节温度、湿度和风速，以适应不同的环境和用户需求。

健康与舒适：未来的家用空调将更加注重室内空气质量和用户健康。空调系统将配备更高效的空气净化器、过滤器和负离子发生器，去除室内空气中的污染物和细菌，提供更洁净、健康的居住环境。同时，空调系统也会更加注重舒适性，调节室内温度、湿度和风流，提供最佳的舒适体验。

人工智能和大数据应用：未来的家用空调可能会应用人工智能和大数据技术，通过分析用户的习惯和环境数据来优化能耗和舒适性。空调系统将学习用户的喜好和行为模式，自动调整工作模式和能效，并提供个性化的使用建议和能源管理方案。