李 騰
(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)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⒚咕敝尺^程進(jìn)行抑制;而高溫則具有殺菌的效果??照{(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(shí)際生活與生產(chǎn)各領(lǐng)域中都具有廣泛運(yùn)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(xiàn),同時(shí)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(diǎn),廣泛運(yùn)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(dòng)下,逐漸向著智能化、數(shù)字化、節(jié)能化的方向發(fā)展?;诖耍訌?qiáng)對(duì)空調(diào)制冷技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的研究具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。
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(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美國家,而且是通過引進(jìn)國外技術(shù)實(shí)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(jì)效益,也并不環(huán)保。這種情況不論是為了行業(yè)競(jìng)爭,還是為了節(jié)能減排都是一個(gè)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(jìn)技術(shù)相比,我國的空調(diào)系統(tǒng)制冷技術(shù)遠(yuǎn)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(jì)加速,中國已經(jīng)處于資源超負(fù)荷消耗的階段。所以降低能耗刻不容緩??照{(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(gè)方面。
在空調(diào)制冷技術(shù)運(yùn)行工作中,制冷劑作為不可或缺的環(huán)節(jié),加強(qiáng)對(duì)制冷劑的研究對(duì)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(gè)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(shí)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(qiáng)、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(yùn)用。但隨著氟利昂在這些電器中使用,它會(huì)擴(kuò)散到空氣當(dāng)中,而這種物質(zhì)穩(wěn)定性強(qiáng),很長時(shí)間都不會(huì)被分解,繼而會(huì)進(jìn)入到大氣層當(dāng)中。在大氣層中經(jīng)過一系列反應(yīng),會(huì)釋放出對(duì)臭氧造成嚴(yán)重破壞的物質(zhì),臭氧層遭到破壞會(huì)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(duì)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(shí)是最合適的空調(diào)制冷劑,既實(shí)現(xiàn)了可再生能源的充分利用,將大大緩解能源危機(jī),同時(shí),它們又不會(huì)增加環(huán)境負(fù)擔(dān),完美實(shí)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。
對(duì)于空調(diào)制冷原理的研究是一項(xiàng)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(shí)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(jìn)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(shì)。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(duì)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(shí),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?yàn)榭照{(diào)制冷技術(shù)發(fā)展提供一個(gè)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(jìn)行進(jìn)一步的研究,這些問題的存在對(duì)熱聲制冷技術(shù)發(fā)展造成一定的阻礙。
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(duì),工質(zhì)對(duì)包括氨-水溶液(主要運(yùn)用于冷凍工況下)、水-溴化鋰溶液(主要運(yùn)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(shí)也包括制冷劑吸收、冷凝、節(jié)流以及發(fā)生等實(shí)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(shí)現(xiàn)耦合,并通過溶液增壓,提供熱驅(qū)動(dòng)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(huì)逐漸增加,形成低壓濃溶液,也會(huì)釋放出大量的熱量;第二,通過泵送加壓過程,低壓濃溶液會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簼馊芤海坏谌?,高壓濃溶液?jīng)過發(fā)生過程,會(huì)出現(xiàn)高壓蒸氣,溶液濃度逐漸被稀釋,這一發(fā)生過程會(huì)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(huì)進(jìn)入到吸收器中,形成一個(gè)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(dòng),則借助于兩級(jí)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(duì)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。
BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種高效信息處理技術(shù),通過對(duì)語言、文字、圖片等信息識(shí)別技術(shù),能夠?qū)ο嚓P(guān)信息進(jìn)行精準(zhǔn)分類,工作人員的工作負(fù)擔(dān)會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)用到工業(yè)化控制系統(tǒng)當(dāng)中,能夠?qū)C(jī)械運(yùn)行方式進(jìn)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(jìn)行模擬??照{(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行中,能耗具有非線性的特點(diǎn),會(huì)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(yùn)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(shí),BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有助于制冷系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)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)。
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(shí),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(huì)產(chǎn)生有害氣體,不會(huì)對(duì)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(jìn)技術(shù),能夠推動(dòng)我國空調(diào)制冷技術(shù)的有效發(fā)展。
空調(diào)對(duì)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(duì)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(qiáng)的節(jié)能特點(diǎn),在當(dāng)前空調(diào)制冷行業(yè)中具有十分廣泛地運(yùn)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(diǎn)體現(xiàn)在制冷溫度較低、投資成本低、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。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(dòng),進(jìn)行冷水儲(chǔ)存;而在電力使用高峰期,利用已經(jīng)存儲(chǔ)的冷水冷量,對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行冷卻,實(shí)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(duì)溫度進(jìn)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(chǔ)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(yùn)用,比傳統(tǒng)智能空調(diào)節(jié)約三分之一的電費(fèi)。
在可持續(xù)發(fā)展理念引導(dǎo)下,必須加強(qiáng)對(duì)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(jī)提供動(dòng)力,但太陽能光伏電板具有不穩(wěn)定特點(diǎn),驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)上市,能夠有效提升空調(diào)整體運(yùn)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(chǔ)存熱量,為吸附式制冷機(jī)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?xì)忮仩t替補(bǔ)驅(qū)動(dòng),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(jī)結(jié)合方面,還存在溫度不夠匹配的問題,需要根據(jù)實(shí)際情況,選擇二元工質(zhì)對(duì)保證兩者具有較高的匹配度。
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(jì)發(fā)展速度不斷提升,對(duì)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(duì)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(qiáng)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(shí),隨著我國制冷行業(yè)發(fā)展,社會(huì)中對(duì)于制冷空調(diào)的使用量不斷增多,人們對(duì)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。
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(shí)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(gè)方面入手。
在制冷空調(diào)能效提升方面,主要通過兩種方式,即改進(jìn)系統(tǒng)、提升零部件性能。其中,提升部件性能主要從壓縮機(jī)、換熱器兩方面入手;而改進(jìn)系統(tǒng)則應(yīng)該從優(yōu)化運(yùn)行控制系統(tǒng)、創(chuàng)新熱力循環(huán)、改進(jìn)流程等幾個(gè)方面入手。
換熱器、壓縮機(jī)都是空調(diào)制冷系統(tǒng)中不可缺少的部件。其中,換熱器運(yùn)行過程中,出現(xiàn)換熱不可逆損失,會(huì)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(jī)是通過電機(jī)提供動(dòng)力,提升壓縮機(jī)性能,能夠促進(jìn)蒸氣壓縮效率提高。
在改進(jìn)流程方面,一般是通過內(nèi)部循環(huán)回?zé)嵩鰪?qiáng),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(jí)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(duì)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(jī)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(jī)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(huì)增加整體系統(tǒng)的成本,能效提升的效率也會(huì)大打折扣。優(yōu)化運(yùn)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(yùn)行過程中的整體能耗。在大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)技術(shù)支持下,可以將運(yùn)行參數(shù)情況反饋給空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員,幫助其設(shè)計(jì)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。
含氟制冷劑是破壞臭氧層的一大殺手,會(huì)帶來嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。今后空調(diào)制冷技術(shù)研究會(huì)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(shì)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(jìn)行嚴(yán)格控制,同時(shí)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(jìn)一步的研究。另外,減少制冷劑泄露量是當(dāng)前一項(xiàng)可行的發(fā)展路線,而一些諸如HFO 的制冷劑可燃特點(diǎn),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(xì)加工工藝,對(duì)制冷劑泄露量進(jìn)行嚴(yán)格控制。但這種方式目前設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本都相對(duì)較高,在推廣方面會(huì)受到一定的阻力。
空調(diào)制冷技術(shù)所應(yīng)用的范圍正在不斷擴(kuò)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(dòng)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(xiàng)基礎(chǔ)性應(yīng)用技術(shù),能夠?yàn)椴煌a(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(yùn)用還需要進(jìn)行進(jìn)一步的拓展,通過應(yīng)用拓展,能夠?yàn)榧夹g(shù)研發(fā)提供源源不斷的動(dòng)力,這也是我國空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)展重要的方向。
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(shì)。近年來,行業(yè)主要對(duì)其突出的熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了深入研究,包括自動(dòng)清洗、靜音、節(jié)能、彩板、加濕、新型制冷劑、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制和鋁代銅技術(shù)。與此同時(shí),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(qiáng)環(huán)境保護(hù)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(jī)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(duì)健康生活的影響,因此空調(diào)系統(tǒng)自然會(huì)肩負(fù)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(fù)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?yàn)槿藗儬I造出一個(gè)更加舒適的環(huán)境??照{(diào)制冷技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要核心,必須加大對(duì)空調(diào)制冷技術(shù)的研究,針對(duì)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展形勢(shì)、人們生活需求等,應(yīng)不斷進(jìn)行技術(shù)革新,推動(dòng)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。