空調(diào)制冷技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

李 騰

（河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院，河南 鄭州 450000）

從生命生長規(guī)律與條件方面來說，任何生物都需要受到溫度的限制。低溫能夠?qū)κ称方途?、霉菌繁殖過程進行抑制；而高溫則具有殺菌的效果。空調(diào)制冷技術(shù)為人們生活提供了諸多便利，它能夠創(chuàng)建出更加舒適的居住環(huán)境，在實際生活與生產(chǎn)各領(lǐng)域中都具有廣泛運用，改善了人們生活。例如，在食品冷加工、冷處理方面制冷技術(shù)做出了巨大貢獻，同時利用空調(diào)制冷技術(shù)可以構(gòu)建恒溫恒濕狀態(tài)的特點，廣泛運用在工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)學(xué)尖端領(lǐng)域中。近年來，關(guān)于空調(diào)制冷技術(shù)的研究逐漸增多，在現(xiàn)代化技術(shù)推動下，逐漸向著智能化、數(shù)字化、節(jié)能化的方向發(fā)展?；诖?，加強對空調(diào)制冷技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的研究具有十分現(xiàn)實的意義。

1 空調(diào)制冷技術(shù)研究現(xiàn)狀

空調(diào)技術(shù)起源于19 世紀(jì)的英國，發(fā)展于20 世紀(jì)的美國。中國空調(diào)技術(shù)的發(fā)展遠遠落后于歐美國家，而且是通過引進國外技術(shù)實現(xiàn)的發(fā)展。今天中國的空調(diào)技術(shù)大多來自國外，但這些技術(shù)不是國外的核心技術(shù)，甚至很多都沒有或只能收獲很少的經(jīng)濟效益，也并不環(huán)保。這種情況不論是為了行業(yè)競爭，還是為了節(jié)能減排都是一個急需突破的技術(shù)瓶頸。因此我國一直在自主研發(fā)空調(diào)技術(shù)，但與國外先進技術(shù)相比，我國的空調(diào)系統(tǒng)制冷技術(shù)遠不成熟。然而，現(xiàn)階段空調(diào)行業(yè)最大的問題不是技術(shù)落后。由于改革開放和經(jīng)濟加速，中國已經(jīng)處于資源超負荷消耗的階段。所以降低能耗刻不容緩。空調(diào)制冷技術(shù)在能源消耗上最大的問題是制冷劑的應(yīng)用?？照{(diào)制冷技術(shù)的相關(guān)要求，主要集中在制冷劑、制冷原理兩個方面。

1.1 制冷劑研究現(xiàn)狀

在空調(diào)制冷技術(shù)運行工作中，制冷劑作為不可或缺的環(huán)節(jié)，加強對制冷劑的研究對發(fā)展我國空調(diào)制冷技術(shù)具有重要意義。通常來說，可以將制冷劑發(fā)展歷程分為兩個重要階段，其一為自然制冷物質(zhì)在人工合成物質(zhì)中應(yīng)用階段；其二為人工合成物質(zhì)應(yīng)用逐漸回歸自然物質(zhì)使用。

在早期的制冷劑選擇和制取方面，主要依靠從自然界中獲取，包括二氧化碳、氨等。但這類制冷劑使用中，不僅制冷效率低下，同時所需制冷設(shè)備體積也往往較為龐大。隨著氟利昂的出現(xiàn)，逐漸取代了傳統(tǒng)自然界物質(zhì)在制冷劑方面的地位，氟利昂制冷劑熱力學(xué)性能較好，且穩(wěn)定性強、不易燃燒、無毒，是一種性能良好的人工化合物質(zhì)，在冰箱、空調(diào)等制冷設(shè)備中廣泛運用。但隨著氟利昂在這些電器中使用，它會擴散到空氣當(dāng)中，而這種物質(zhì)穩(wěn)定性強，很長時間都不會被分解，繼而會進入到大氣層當(dāng)中。在大氣層中經(jīng)過一系列反應(yīng)，會釋放出對臭氧造成嚴(yán)重破壞的物質(zhì)，臭氧層遭到破壞會給全球氣候、環(huán)境等造成傷害。根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大氣層中存在很多臭氧空洞，加重了溫室效應(yīng)，現(xiàn)在已經(jīng)將氟利昂作為禁用物質(zhì)。我國新的制冷產(chǎn)品中，已經(jīng)逐漸淘汰了氟利昂制冷劑，逐漸加快了對新型制冷劑的研發(fā)。

早期天然制冷劑的使用受到設(shè)備問題的阻礙，所以轉(zhuǎn)向了人工制冷劑。但是天然制冷劑確實是最合適的空調(diào)制冷劑，既實現(xiàn)了可再生能源的充分利用，將大大緩解能源危機，同時，它們又不會增加環(huán)境負擔(dān)，完美實現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。隨著設(shè)備技術(shù)的發(fā)展和完善，二氧化碳、氨等天然制冷劑有望重新成為新的制冷劑。

1.2 制冷原理研究

對于空調(diào)制冷原理的研究是一項系統(tǒng)的工程，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，無論在理論研究還是實踐應(yīng)用方面，都取得了顯著成就。尤其是21 世紀(jì)后，更多先進的制冷原理被提出，其中熱聲制冷技術(shù)就是其中之一。其和之前的蒸氣壓縮制冷技術(shù)相比，在很多領(lǐng)域都具有明顯的優(yōu)勢。熱聲制冷技術(shù)不用依賴氟利昂等污染型制冷劑，可以選擇混合氣體、惰性氣體等作為制冷劑，消除了對臭氧層的破壞問題，能夠在一定程度上避免溫室效應(yīng)的出現(xiàn)。同時，熱聲制冷原理能夠靈活控制制冷系統(tǒng)，且成本低、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單，能夠為空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展提供一個新的方向。當(dāng)然，熱聲制冷原理也存在效率較低的問題，還需要進行進一步的研究，這些問題的存在對熱聲制冷技術(shù)發(fā)展造成一定的阻礙。

2 空調(diào)制冷技術(shù)有關(guān)應(yīng)用分析

2.1 吸收式制冷技術(shù)

吸收式制冷技術(shù)是一種常見的制冷技術(shù)形式，采用制冷劑+溶液吸收劑二元工質(zhì)對，工質(zhì)對包括氨-水溶液（主要運用于冷凍工況下）、水-溴化鋰溶液（主要運用于空調(diào)工況下）。吸收式制冷技術(shù)工作原理，不僅包括制冷劑蒸發(fā)，同時也包括制冷劑吸收、冷凝、節(jié)流以及發(fā)生等實際過程。在節(jié)流、冷凝以及蒸發(fā)環(huán)節(jié)中，吸收式制冷技術(shù)與壓縮式制冷技術(shù)有很大的相似性，而發(fā)生和吸收過程，利用節(jié)流過程實現(xiàn)耦合，并通過溶液增壓，提供熱驅(qū)動蒸氣壓縮效果。具體技術(shù)原理體現(xiàn)在：第一，在蒸發(fā)過程中，制冷劑蒸發(fā)產(chǎn)生低壓蒸氣，溶液將這些低壓蒸氣吸收后，其濃度會逐漸增加，形成低壓濃溶液，也會釋放出大量的熱量；第二，通過泵送加壓過程，低壓濃溶液會轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簼馊芤?；第三，高壓濃溶液?jīng)過發(fā)生過程，會出現(xiàn)高壓蒸氣，溶液濃度逐漸被稀釋，這一發(fā)生過程會消耗高溫?zé)嵩礋崃?；第四，發(fā)生中的高壓制冷劑蒸氣從冷凝器、節(jié)流裝置等循環(huán)，最后匯入蒸發(fā)器中；高溫稀溶液最后也會進入到吸收器中，形成一個氣液循環(huán)體系。其中，熱源溫度是吸收式制冷技術(shù)順利工作的前提，如果由于熱源溫度較低而導(dǎo)致單效循環(huán)無法驅(qū)動，則借助于兩級循環(huán)模式；而熱源溫度過高，則利用多效循環(huán)模式。一般來說，生活中常見的空調(diào)選擇二元工質(zhì)對為溴化鋰-水循環(huán)模式，其冷熱輸出輸入比在0.7～1.4 之間，主要與循環(huán)種類、熱源溫度等有直接關(guān)系。

2.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種高效信息處理技術(shù)，通過對語言、文字、圖片等信息識別技術(shù)，能夠?qū)ο嚓P(guān)信息進行精準(zhǔn)分類，工作人員的工作負擔(dān)會明顯減輕，信息分類整體效率更高也更加準(zhǔn)確。而且，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)借助于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建函數(shù)模型，在函數(shù)系統(tǒng)中實現(xiàn)對相關(guān)操作的精準(zhǔn)控制。將基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)模型運用到工業(yè)化控制系統(tǒng)當(dāng)中，能夠?qū)C械運行方式進行有效把控。在暖通空調(diào)系統(tǒng)中利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)照{(diào)制冷系統(tǒng)制冷劑吸氣壓力過程進行模擬?？照{(diào)制冷系統(tǒng)運行中，能耗具有非線性的特點，會導(dǎo)致能耗狀況分析工作難度增加。而利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬制冷系統(tǒng)運行狀況，能夠獲得相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，為技術(shù)人員提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。同時，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有助于制冷系統(tǒng)運行風(fēng)險性分析，得到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模型，為優(yōu)化系統(tǒng)提供依據(jù)。

2.3 空氣源熱泵技術(shù)

所謂的空氣源熱泵技術(shù)，指的是借助于循環(huán)逆卡諾原理，提升空調(diào)制冷效果。與普通空調(diào)制冷技術(shù)不同，空氣源熱泵技術(shù)能夠有效地拓寬空調(diào)使用溫度調(diào)節(jié)范圍，可以從零下十度到零上四十度，能夠滿足空調(diào)使用者的相關(guān)需求。同時，在節(jié)能減排戰(zhàn)略發(fā)展下，空調(diào)制冷技術(shù)需要向著節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，而空氣源熱泵技術(shù)符合節(jié)能減排相關(guān)要求。一方面，采用空氣源熱泵技術(shù)，空調(diào)制冷過程中不會產(chǎn)生有害氣體，不會對環(huán)境造成污染；另一方面，空氣是源源不斷的資源，通過收集空氣中的熱源，能夠減少能源消耗量，收集到的相關(guān)熱源能夠滿足日常所需?？梢哉f，當(dāng)前空調(diào)生產(chǎn)中空氣源熱泵技術(shù)是現(xiàn)代化先進技術(shù)，能夠推動我國空調(diào)制冷技術(shù)的有效發(fā)展。

2.4 水蓄冷技術(shù)

空調(diào)對于電能的消耗較大，尤其是當(dāng)今空調(diào)普及率逐步上升，對電能的消耗更是難以估量。水蓄冷技術(shù)是一種新型制冷技術(shù)，具有很強的節(jié)能特點，在當(dāng)前空調(diào)制冷行業(yè)中具有十分廣泛地運用。與冰蓄冷技術(shù)相比，兩者之間具有相類似的制冷工作原理，其特點體現(xiàn)在制冷溫度較低、投資成本低、適應(yīng)能力強等特點。在非電力使用高峰期，可以利用水蓄冷技術(shù)，將制冷劑設(shè)備啟動，進行冷水儲存；而在電力使用高峰期，利用已經(jīng)存儲的冷水冷量，對周圍環(huán)境進行冷卻，實現(xiàn)能源節(jié)約。水蓄冷技術(shù)應(yīng)用也有很大的限制條件，尤其是需要對溫度進行有效控制，借助于智能管理系統(tǒng)、溫度傳感器等設(shè)備，在前期投入方面成本更高。與之相比，冰蓄冷技術(shù)蓄冰槽占用的體積更小，儲蓄的冷量是水蓄冷技術(shù)的數(shù)十倍，因此水蓄冷系統(tǒng)需要一定的空間來安置蓄水設(shè)施。而單從應(yīng)用節(jié)能性能來說，水蓄冷技術(shù)在空調(diào)制冷中運用，比傳統(tǒng)智能空調(diào)節(jié)約三分之一的電費。

2.5 太陽能制冷技術(shù)

在可持續(xù)發(fā)展理念引導(dǎo)下，必須加強對可再生資源的利用。太陽能作為一種應(yīng)用最廣泛的清潔能源，將太陽能和制冷技術(shù)有效結(jié)合起來，能夠避免傳統(tǒng)空調(diào)制冷帶來的能源消耗問題。太陽能可以借助于光熱、光伏兩種能源，也可以將太陽能制冷分為太陽能光熱制冷技術(shù)、太陽能光伏制冷技術(shù)兩種。

借助于太陽能光伏制冷系統(tǒng)，利用光伏板作為電源，為壓縮式制冷機提供動力，但太陽能光伏電板具有不穩(wěn)定特點，驅(qū)動能源可以利用電網(wǎng)穩(wěn)定電源，確保制冷輸出的穩(wěn)定性。利用太陽能光伏板能夠提供直流電，但傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷機驅(qū)動需要借助于交流電，還需要借助于逆變器改直流為交流。當(dāng)前，太陽能光伏直流直接驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)上市，能夠有效提升空調(diào)整體運行效率。而太陽能光熱制冷技術(shù)，基本原理則是借助于太陽能集熱器儲存熱量，為吸附式制冷機提供源源不斷的熱源，而同樣面臨太陽能不穩(wěn)定問題，需要借助于燃氣鍋爐替補驅(qū)動，保證能夠得到較為穩(wěn)定輸出。另外，太陽能光熱技術(shù)和吸附式制冷機結(jié)合方面，還存在溫度不夠匹配的問題，需要根據(jù)實際情況，選擇二元工質(zhì)對保證兩者具有較高的匹配度。

3 新時代空調(diào)制冷技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)

經(jīng)過多年的發(fā)展，空調(diào)制冷已經(jīng)逐漸形成較為全面的技術(shù)體系，成為很多產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可或缺的支撐技術(shù)。當(dāng)前，我國經(jīng)濟發(fā)展速度不斷提升，對各種技術(shù)的要求從體量增加逐漸向著質(zhì)量提升轉(zhuǎn)變，高新技術(shù)發(fā)展需求更為迫切，且在可持續(xù)發(fā)展理念下，對空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展提出了新的要求，傳統(tǒng)的空調(diào)制冷技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。節(jié)能環(huán)保是當(dāng)前我國發(fā)展重要的指導(dǎo)思想，制冷空調(diào)技術(shù)必須加強技術(shù)革新。根據(jù)國際衛(wèi)生組織的相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，制冷行業(yè)每年碳排放量超過4.0Gt 二氧化碳當(dāng)量，在全球溫室氣體排放總量中，所在比例接近8.0%，主要是含有氟制冷劑的使用，也造成嚴(yán)重的全球變暖問題。同時，隨著我國制冷行業(yè)發(fā)展，社會中對于制冷空調(diào)的使用量不斷增多，人們對于制冷空調(diào)功能要求更多，在噪音污染、制冷效果、外觀等方面都提出了更高要求。

4 空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展趨勢

我國空調(diào)制冷技術(shù)在未來發(fā)展中，為了能夠滿足新時期人們的發(fā)展需求，應(yīng)該從提升能效、環(huán)保、應(yīng)用拓展幾個方面入手。

4.1 提升能效

在制冷空調(diào)能效提升方面，主要通過兩種方式，即改進系統(tǒng)、提升零部件性能。其中，提升部件性能主要從壓縮機、換熱器兩方面入手；而改進系統(tǒng)則應(yīng)該從優(yōu)化運行控制系統(tǒng)、創(chuàng)新熱力循環(huán)、改進流程等幾個方面入手。

換熱器、壓縮機都是空調(diào)制冷系統(tǒng)中不可缺少的部件。其中，換熱器運行過程中，出現(xiàn)換熱不可逆損失，會引發(fā)空調(diào)效率下降，而選擇印刷版路換熱器、翅片換熱器等新型的換熱器部件，能夠提升換熱效率，降低不可逆損失；壓縮機是通過電機提供動力，提升壓縮機性能，能夠促進蒸氣壓縮效率提高。

在改進流程方面，一般是通過內(nèi)部循環(huán)回?zé)嵩鰪?，減少該過程中不可逆損失，或者通過提升內(nèi)外部熱源匹配度，減少損失，包括換熱過程匹配、溫度梯級利用等具體優(yōu)化方式。在創(chuàng)新熱力循環(huán)方面，則主要是加入新熱力學(xué)過程，改善原有循環(huán)架構(gòu)，其操作難度相對較大，但在提升能效方面效果更高。在確定熱力學(xué)循環(huán)形式基礎(chǔ)上，提升壓縮機性能、換熱器性能、內(nèi)外熱回收等，都是空調(diào)制冷效果提升的重要途徑。但并非一味地提升壓縮機性能，往往有一定的提升限制界限，超過一定程度，不僅提升難度增加，還會增加整體系統(tǒng)的成本，能效提升的效率也會大打折扣。優(yōu)化運行控制系統(tǒng)，通常是借助于人工智能技術(shù)，有效提升控制效果，降低系統(tǒng)運行過程中的整體能耗。在大數(shù)據(jù)、云平臺技術(shù)支持下，可以將運行參數(shù)情況反饋給空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計人員，幫助其設(shè)計出更加符合需求的空調(diào)產(chǎn)品。亦或者利用仿生材料、仿生熱學(xué)原理等，提出新一代空調(diào)制冷系統(tǒng)方案。

4.2 環(huán)保

含氟制冷劑是破壞臭氧層的一大殺手，會帶來嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。今后空調(diào)制冷技術(shù)研究會朝著更加環(huán)保節(jié)能的方向發(fā)展。一方面，選擇低臭氧破壞潛力趨勢的制冷劑；另一方面是制冷空調(diào)中含氟制冷劑填充量需要進行嚴(yán)格控制，同時做好相關(guān)密封措施，減少制冷劑泄露。

當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們逐漸在尋找能夠替代制冷劑的方式，也相繼出現(xiàn)了很多類制冷劑的產(chǎn)品。但由于這些新型制冷劑在傳熱傳質(zhì)性、安全性、壓力穩(wěn)定性方面還面臨諸多挑戰(zhàn)，還需要進一步的研究。另外，減少制冷劑泄露量是當(dāng)前一項可行的發(fā)展路線，而一些諸如HFO 的制冷劑可燃特點，必須通過降低充注量，控制新型制冷劑的可燃性，借助于微細加工工藝，對制冷劑泄露量進行嚴(yán)格控制。但這種方式目前設(shè)計、生產(chǎn)成本都相對較高，在推廣方面會受到一定的阻力。

4.3 應(yīng)用拓展

空調(diào)制冷技術(shù)所應(yīng)用的范圍正在不斷擴大，除了傳統(tǒng)的室內(nèi)空調(diào)降溫、冷凍食品等方面，在太陽能制冷、數(shù)據(jù)中心冷卻、高效清潔供熱、電動車熱管理、低溫生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都開始有空調(diào)制冷技術(shù)的身影，其逐漸發(fā)展成為一項基礎(chǔ)性應(yīng)用技術(shù)，能夠為不同產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供幫助。

當(dāng)前我國傳統(tǒng)空調(diào)制冷技術(shù)不斷成熟，但在新興領(lǐng)域中運用還需要進行進一步的拓展，通過應(yīng)用拓展，能夠為技術(shù)研發(fā)提供源源不斷的動力，這也是我國空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展重要的方向。

5 結(jié)束語

總的來說，環(huán)保、節(jié)能、智能、健康是未來空調(diào)制冷系統(tǒng)技術(shù)的科學(xué)發(fā)展趨勢。近年來，行業(yè)主要對其突出的熱點技術(shù)進行了深入研究，包括自動清洗、靜音、節(jié)能、彩板、加濕、新型制冷劑、網(wǎng)絡(luò)遠程控制和鋁代銅技術(shù)。與此同時，許多國家也逐漸開始嚴(yán)格控制家用電器的能耗指標(biāo)，我國也充分重視制冷空調(diào)的節(jié)能控制技術(shù)。在解決能源短缺和加強環(huán)境保護的各種措施中，熱泵技術(shù)受到了相當(dāng)大的關(guān)注。目前，我國制冷空調(diào)在高效換熱器和壓縮機方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位。相關(guān)環(huán)保技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用，人們更加關(guān)注空氣環(huán)境對健康生活的影響，因此空調(diào)系統(tǒng)自然會肩負起創(chuàng)造舒適環(huán)境的重任。目前健康空調(diào)技術(shù)包括負離子產(chǎn)生、健康除濕、保濕雙向通風(fēng)、多重光催化劑、三重防御、立體環(huán)繞自然風(fēng)、靜音抗菌技術(shù)等。

通過上述分析可知，空調(diào)系統(tǒng)作為人們生活中不可缺少的一部分，能夠為人們營造出一個更加舒適的環(huán)境。空調(diào)制冷技術(shù)作為實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要核心，必須加大對空調(diào)制冷技術(shù)的研究，針對當(dāng)前社會發(fā)展形勢、人們生活需求等，應(yīng)不斷進行技術(shù)革新，推動我國空調(diào)制冷技術(shù)向著更加智能、環(huán)保的方向發(fā)展。