空调器的发展历程与展望

1、空调器的发展历程与展望Develoment and Perspective of Air Conditioner摘要：本文介绍了空调器的发展历程和现状，分析了我国空调技术的发展方向和当今必须解决的技术课题。1.引言 空调的目的是为了给人们的生活、工作和娱乐等活动提供一个健康、舒适的人工环境。现代房间空调器技术的发展虽然才40余年历史，但在空调器和制冷机的高效率化、低噪声化、小型化、高可靠性化方面已走向成熟。 关于人体舒适性课题，至今已进行了许多研究。表1示出了影响室内环境的主要因素的权重百分数1，可以看出，影响人体舒适性最重要的因素是室内热环境，其中温度是尤其重要的。随着社会的发展，人们生活水

2、平的不断提高，人们对空调环境的舒适性要求不仅局限于温度，同时对室内热环境、空气质量、音环境、光环境的其它指标也提出了更高的要求。这不仅标志着人们消费水平的提高，同时也是为空调领域内的科研机构和生产厂家提出了急需解决的技术课题。所以，今后的研究工作将会逐步转向为创造一个既满足人们的生理要求，又符合人们的心理需要的空调环境方面来。 2.空调环境的发展历程 自人类诞生以来，人们就在不断地征服自然和改造自然，在与自然的斗争中，不断地获取智慧，得以进化和繁衍。例如，火的使用改善了人类的食物结构，增强了御敌能力，找到了战胜严冬的方法；天然冰的贮藏和利用，为食物的保鲜、防腐创造了条件，同时天然冰也成了酷夏中

3、防暑降温、创造舒适环境的天然冷源。随着社会的进步，人们在各方面对舒适性的要求越来越高，越来越接近自然，从世界空调环境的变迁就可以看到这一点。 空调器从诞生至今，从追求舒适的空调环境方面看，已经走过了三个阶段： 防暑御寒阶段（70年代以前）：实现供冷和供热，在冬、夏为人们提供一个温暖、凉爽的环境，但对温度波动的限制要求不高。 基本舒适阶段（7080年代）：实现温度、湿度、气流速度均匀，室内空气清新，要求空调设备低噪声运行。 非感空调阶段或静态人工环境阶：（8090年代）：要求营造一个无冷、热感，室内各处无明显温差，无噪声，无气味，无明显吹风感的空调环境。 即人们虽置身与空调环境之中，却感觉不到空

4、调系统的存在，它是一种静态的人工环境，当今世界空调环境的发展水平正处于这个阶段。 到了90年代以后，人们对舒适性的要求，趋向于自然环境的特征。人们希望空调环境具有能感觉到温度和气流的变化、能感觉到温暖和凉爽、有音乐声、有芳香感和明亮感等特征。总的目的是让人处于一个精神愉快的空调环境中，这就是人们追求的“感知空调阶段或动态自然环境阶段”。要实现这种模拟自然环境，必须采用包括“人体感觉输入控制”、“热环境因素综合控制”、“空气质量控制”、“音、光情景控制”在内的“环境变化控制技术”，环境变化控制技术的实现不仅需要开发出相应的传感器，更重要的是要建立一套符合人体生理和心理需要的人工环境智能控制理论。

5、3.日本空调器的发展历程 在世界空调器行业中，60的市场被日本所占有，并且在制造技术、控制技术上都处于世界最前沿。现以日本空调器的发展为例来说明其变迁过程。空调器的发展过程，大致可以分为五个阶段1,2。在其发展过程中，变频技术和人工神经网络技术在房间空调器上的应用，具有划时代的意义，它不仅为创造舒适环境、实现空调器的高效节能运行提供了技术保证，而且为VRV空调系统的开发和发展提供了坚强的技术基础。 由表2可以看出，日本空调器的发展主要集中在三个方面。追求空调器的高效节能，特别是在1972年石油危机以后，改善压缩机、热交换器、风扇的性能，加强对制冷循环特性的研究，优化制冷系统，实现了空调系统的小

6、型化、低能耗、低噪音、高可靠性；追求室内环境的高舒适性，从单一的温度控制发展到室内热环境特性（如PMV等）的综合控制，从简单的双位控制发展到人工神经网络与模糊技术相结合的智能控制，以实现人们对舒适性的要求；追求空调系统的多功能化、多元化，从单冷型窗式空调器发展到热回收型VRV空调系统，极大地拓广了冷剂式空调系统的使用范围，开辟了集中空调系统的新领域。 4.我国空调器行业的发展现状 4.1 生产企业的现状 随着我国改革开放的深入，城乡人民的生活水平得到了大幅度提高，空调机已广泛地步入家庭和工作、娱乐、服务场所。我国空调器行业自80年代初起步，现已跃居家电消费品榜首。1992年我国空调器销量为15

7、2万台，1993年为300万台，1994年为500万台，1995年为520万台，1996年约为600万台，预计1997年国内生产量和销售量可能高于1996年的水平。 我国房间空调业起步较晚，现已经历了从进口散件组装、生产窗式空调器到生产分体空调器三个阶段。 发展至今，我国空调业仍处在国际空调技术的低水平上，仅相当于日本80年代初第三代产品的水准。我国空调厂家几乎全部采用着同一生产模式，即进口压缩机，国内采购换热器及其它部件，机壳在国内采购或由国外开模国内生产，最后由空调厂家组装、销售。近年来，由于人们生活水平提高和消费意识的超前，出现了空调市场的繁荣，数百家空调器厂在同一技术水平上展开了广告和

8、价格大战，已有许多厂家败下阵来。相反，注重技术进步、产品更新的一些厂家在国内空调市场上站稳了脚跟。 国际上（特别是日本）诞生了新一代智能型变频空调器，给我国空调业提出了严峻的挑战。日本现已有三菱、东芝、大金、日立、三洋、松下、夏普、富士通等厂家生产智能型变频空调器，使变频空调器的市场占有率上升至70%以上，并已于1996年投放国际市场，在我国市场上已有此类产品出售。面临国际新产品的挑战，我国空调业必须从激烈的、低档次的空调大战中醒悟过来，研制和生产适合我国购买力的、性能优越的节能型、舒适型空调产品，以推进我国民族产业的发展，否则将会在国际先进空调技术的竞争中被淘汰。 一些先进企业已经充分认识到

9、我国空调业的严峻形势，投入了大量的科研力量和财力，研制和开发新产品，加速了产品的换代。 4.2 科研现状 我国空调业从1964年诞生第一台窗式空调器以后，发展非常缓慢。到80年代初，大量地引进技术和生产线以后，才开始了较大速度的发展，同时在一些高等院校和有实力的生产厂家陆续成立了相应的研究机构。其研究方向主要集中在空调制冷系统及部件的优化设计、制冷系统特性与仿真、工质替代和人工环境特性等应用基础研究方面，取得了诸多的科研成果。但对于实现环境的舒适性调节和空调系统的智能控制方面的研究才刚刚起步，有待于进一步深入和发展。 (1) 在单室内机的房间空调器方面 变频技术、微电脑和电子膨胀阀在空调器上的

10、应用为空调器的智能控制创造了最基本的条件4。我国自90年代初开始研究空调器的智能控制，现已研制出多种形式的变频空调器或智能空调器，对推进我国空调业的进步作出了贡献。西安交大朱瑞琪于1991年开始研究制冷空调设备的变频能量调节技术17,18。李家朋针对我国房间空调器普遍采用单相压缩机的现状，探索开发出两相变频器，并应用电子膨胀阀进行变流量控制，利用16位微机并引进模糊概念提高空调器的控制功能15,16，为变频空调器国产化作出了大胆的探索。李家朋在空调器舒适性和节能运行的控制中，提出了用表征房间热负荷大小的“热容C”和表征房间漏热程度的“热阻R”进行模糊辩识的方法。研究表明，用此方法研制的模糊控制

11、空调器会按季节、气温、漏热情况等条件，自动地选择合适的工作模式，保证了空调环境的舒适度和制冷系统的节能要求。 上海交大陈康等于1993年也开发出了两相变频器，并研制了变频空调器。针对空调器与被控对象无法用确切的数学模型描述的现实，采用了二维模糊控制模型，确定了人机系统中的模糊变量隶属函数21，实现了室温的舒适性控制。表1：影响室内环境舒适度的权重（%）音环境噪声强度高低频率杂音8.74.68.621.9空气质量气味灰尘香烟味7.56.59.923.9光环境亮度辉度阴影11.08.05.024.0热环境温度湿度气流15.97.17.230.2清华大学张良杰等在1993年初组织了专门的开发小组，开

12、展对模糊变频空调控制器的研制22。他们研制出了活动量传感器和着衣量预测器；采用了人工神经网络信息处理技术来预测表征人体舒适度的平均预测表决PMV值，并利用模糊控制技术将PMV有效地控制在人体满意值范围内；采用了特定的适用于电容运转式异步电机的变频技术；研制出带液晶显示器的多用途空调控制器。在国内首次将人工神经网络技术和模糊控制技术结合起来，在我国空调器的智能控制技术上迈出了实质性的一步。 上述研究工作都集中在单相压缩机变频技术和室内环境的舒适度控制方面。西安交大赵原等人开辟了另一条道路，针对我国消费水平低的现实，采用普通空调压缩机，研究开发出由电磁阀控制的多路毛细管节流装置代替价格昂贵的电子膨

13、胀阀进行工质流量调节的窗式空调器19。他们对多路毛细管组合节流空调器建立了模糊控制模型，对多路毛细管的通断给出了模糊控制规则，研制出二维室温模糊控制器。研究表明，多路毛细管组合节流的模糊控制空调器在室温控制和快速制冷方面大大优于ON-OFF控制的空调器，提高了房间的舒适性。 (2) 在多室内机的房间空调器（一机多挂系统）方面 由于多室内机空调器的节能和舒适性控制，涉及到必须对系统中的工质循环量和进入各室内机的工质流量加以严格精确地控制问题，它不仅与系统的控制有关，同时也与系统的设计有着密切的关系。在这方面，目前国内主要是在研制一拖二和一拖三空调器，根据其结构形式和运转特点可分为如下四种方式。

14、1一台定速压缩机对应一台室内机的多制冷系统。这种机型在控制上难度最小，但结构复杂、体积大、成本高，不能体现一机多挂系统的价格优势和节能优势。 2单台定速压缩机多台室内机间歇供冷（热）系统。由于制冷工质按时间交替分配给各室内机，所以根本不能满足室内环境的舒适性要求。 3单台定速压缩机多台室内机同时供冷（热）系统。这种系统采用定速压缩机，降低了空调器成本，并能减少压缩机的启停次数，较好地实现房间的舒适性控制。但并不能从本质上解决压缩机的起停损失和对电网的冲击，不能提高空调器的能效比和季节性能比。 4单台变频压缩机多台室内机同时供冷（热）系统。通过采用电子膨胀阀调节进入各室内机的工质流量，使之满足各

15、室内的冷（热）负荷要求，改变压缩机的运转频率调节制冷系统所需要的工质循环量，并采用软硬件相结合的方式调节室内外风扇转速、四通阀、室内机的风向调节板等可控部件，实现室内环境的高舒适性和系统的节能控制。 对上述前两种系统，从价格、舒适性、节能性上考虑，没有必要推广和实施，所以国内都集中在后两种系统的研制开发上。 广东美的丁小江等人进行了将普通回转式压缩机驱动的分体空调器改制成一拖二的研究工作，针对多种运行模式提出了采用带电控系统的贮液装置并联在循环回路上，以时间参数进行工质需要量控制，在冷凝器出口采用“手掌”型毛细管组件对工质进行分配和节流的方法，通过对各毛细管出口的电磁阀的开断时间进行控制，可实

16、现对流入各室内机的工质流量调节23。研究表明，用这种方法不仅能对各种运行工况实现有效的调节，还能较大幅度地提高空调器的性能指标。 上海交大谷波等开发出二管式一拖三空调器20，他们采用了偏心转子式压缩机，通过变频器改变压缩机的转速；室外机风扇为启停控制，室内机贯流风机为三速调节，步进电机摆动风向板实现自然送风；采用速开型电子膨胀阀调节流量分配。在室温控制方面，引用了模糊控制技术，并配置了自学习程序根据人的感觉输入过大、过小等模糊概念，以实现对偏差进行模糊化处理。 国内还有一些科研机构和企业的科研团体，也都开展了智能空调器的研制工作，其核心内容都集中在对单相压缩机变屏调速控制器和智能型室温控制器的

17、研究，其研究成果还未见公开发表。智能型空调器是一个综合技术的聚合体，开发难度较大，现在的样机或产品在控制模式上、控制系统的稳定性和鲁棒性方面相比国际先进技术还存在很大的差距，有待于进一步的研究和提高。 5.我国空调业的展望 推动空调事业的发展不仅是生产厂家和科研机构的职责，同时也是社会各个领域的共同职责，全社会应在材料、化工、电子、机械制造与加工和能源等领域内共同努力，推动我国空调业的繁荣。 我国空调业现阶段的研究、开发工作将集中在以下几个方面： (1)推进HCFC的替代研究工作。 联合国环境规划署UNEP于1995年12月在维也纳召开了第7次关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协议书缔约国会议，规定

18、了发达国家对HCFC于2020年停止使用，用于维修的必需量保留至2030年；对于发展中国家于2016年冻结在2015年的消费水平上，2040年全部停止使用。由于空调系统大量使用HCFC22，所以应加快替代工质和采用新工质的压缩机、热交换器、冷冻油和制冷系统的研究开发，为工程应用做好技术基础准备。 (2)加快房间空调器的节能研究。 日本通产省制定了关于能源合理利用的法律，对家电产品能效比提出了新的要求，其中规定，自1997年10月1日至1998年9月30日生产的单冷型分体空调器的COP指标为3.09，热泵型分体空调器供冷、供热的平均COP指标为2.9724。我国也对房间空调器的能效比指标在GB7

19、725-87的基础上提高到2.5，这说明国际上各国政府都非常重视能源的有效利用问题。但仅片面追求能效比，而盲目增大室内外换热器面积的方法是不可行的，材料的不合理利用仍然是浪费能源的一个方面。所以应在减轻机体重量的前提下，研究开发出高效节能的压缩机、热交换器和电机，减少系统的各种不可逆损失，实现能源的高效利用才是提高能效比的有效途径。 (3)加强空调器的低噪声化研究。 压缩机、风扇是空调器的主要噪声源，低噪声压缩机和风扇的开发无疑是一个重要课题。同时，由换热器、进出风口和静压箱等组成的风路系统的设计也是引起空调器噪声的重要因素，所以风路系统的优化设计也将成为今后的研究课题。 (4)加速对智能型、

20、舒适型空调器的研究步伐。 智能型、舒适型空调器是集制冷系统的优化设计、变频调速、模糊逻辑控制、神经网络技术、计算机通信等于一体的新技术产品，所以对它的开发研究具有相当的难度。国内尚属于起步阶段，有许多技术问题还有待于进一步解决，如：变频多蒸发器制冷系统的优化设计、系统的动静态特性分析、新的控制理论的应用及控制系统的开发、低成本高性能变频器的研制、各种运行模式下空调环境的舒适性控制等都是亟待研究的课题。 (5)推进产品检测标准的完善。 一种产品的国家标准不仅会指导产品的发展方向，而且能表明产品的发展水平。随着变频空调和多室内机空调的普及和发展，评价此类产品性能的标准也应完善，由于国内尚无此类标准

21、，一些厂家只好参照GB7725-87制定相应的企业标准。变频空调器在不同季节、不同模式、不同负荷条件下，有着不同的运转频率，其能效比也是不同的。而目前的能效比是在某一规定工况下的静态指标，用COP作为评价此类空调器性能的唯一指标，不能充分说明空调器的性能优劣，而以季节性能比SEER（空调器全年的制冷、制热的总效果与全年电能消耗总量之比）作为空调器性能指标更为符合实际使用情况，但怎样通过较少的实验次数和科学的计算方法去确定SEER的问题，将是今后的研究课题。参考文献1荒野吉吉也，空调环境技术展望，三菱电机技报，Vol.66,4, 19922山崎起助，快适空调技术应用，三菱电机技报，Vol.62, 5,19883高桥谕史，应用，冷冻Vol.61, 3,19864朱瑞琪、孙毅刚、刘君华，制冷空调设备的变频能量调节，流体工程，2,19915朱瑞琪、田怀璋，电子膨胀阀调节规律的确定方法，流体工程，1,19936李家朋、郑存义，新型变频空调器的研究和试验，制冷，2,19937李家朋、郑存义，变频式分体空调机的研制，制冷学报，2,19938陈康、陈天殷，变频型模糊控制分体空调器，电子与仪表技术，3,19939张良杰、王普、李衍达,基于神经网络与模糊