空调制冷技术研究现状和发展趋势

李 腾

（河南牧业经济学院，河南 郑州 450000）

从生命生长规律与条件方面来说，任何生物都需要受到温度的限制。低温能够对食品酵菌、霉菌繁殖过程进行抑制；而高温则具有杀菌的效果。空调制冷技术为人们生活提供了诸多便利，它能够创建出更加舒适的居住环境，在实际生活与生产各领域中都具有广泛运用，改善了人们生活。例如，在食品冷加工、冷处理方面制冷技术做出了巨大贡献，同时利用空调制冷技术可以构建恒温恒湿状态的特点，广泛运用在工业生产以及医学尖端领域中。近年来，关于空调制冷技术的研究逐渐增多，在现代化技术推动下，逐渐向着智能化、数字化、节能化的方向发展。基于此，加强对空调制冷技术研究现状及发展趋势的研究具有十分现实的意义。

1 空调制冷技术研究现状

空调技术起源于19 世纪的英国，发展于20 世纪的美国。中国空调技术的发展远远落后于欧美国家，而且是通过引进国外技术实现的发展。今天中国的空调技术大多来自国外，但这些技术不是国外的核心技术，甚至很多都没有或只能收获很少的经济效益，也并不环保。这种情况不论是为了行业竞争，还是为了节能减排都是一个急需突破的技术瓶颈。因此我国一直在自主研发空调技术，但与国外先进技术相比，我国的空调系统制冷技术远不成熟。然而，现阶段空调行业最大的问题不是技术落后。由于改革开放和经济加速，中国已经处于资源超负荷消耗的阶段。所以降低能耗刻不容缓。空调制冷技术在能源消耗上最大的问题是制冷剂的应用。空调制冷技术的相关要求，主要集中在制冷剂、制冷原理两个方面。

1.1 制冷剂研究现状

在空调制冷技术运行工作中，制冷剂作为不可或缺的环节，加强对制冷剂的研究对发展我国空调制冷技术具有重要意义。通常来说，可以将制冷剂发展历程分为两个重要阶段，其一为自然制冷物质在人工合成物质中应用阶段；其二为人工合成物质应用逐渐回归自然物质使用。

在早期的制冷剂选择和制取方面，主要依靠从自然界中获取，包括二氧化碳、氨等。但这类制冷剂使用中，不仅制冷效率低下，同时所需制冷设备体积也往往较为庞大。随着氟利昂的出现，逐渐取代了传统自然界物质在制冷剂方面的地位，氟利昂制冷剂热力学性能较好，且稳定性强、不易燃烧、无毒，是一种性能良好的人工化合物质，在冰箱、空调等制冷设备中广泛运用。但随着氟利昂在这些电器中使用，它会扩散到空气当中，而这种物质稳定性强，很长时间都不会被分解，继而会进入到大气层当中。在大气层中经过一系列反应，会释放出对臭氧造成严重破坏的物质，臭氧层遭到破坏会给全球气候、环境等造成伤害。根据相关调查发现，当前大气层中存在很多臭氧空洞，加重了温室效应，现在已经将氟利昂作为禁用物质。我国新的制冷产品中，已经逐渐淘汰了氟利昂制冷剂，逐渐加快了对新型制冷剂的研发。

早期天然制冷剂的使用受到设备问题的阻碍，所以转向了人工制冷剂。但是天然制冷剂确实是最合适的空调制冷剂，既实现了可再生能源的充分利用，将大大缓解能源危机，同时，它们又不会增加环境负担，完美实现了节能减排的目标。随着设备技术的发展和完善，二氧化碳、氨等天然制冷剂有望重新成为新的制冷剂。

1.2 制冷原理研究

对于空调制冷原理的研究是一项系统的工程，随着科学技术发展，无论在理论研究还是实践应用方面，都取得了显著成就。尤其是21 世纪后，更多先进的制冷原理被提出，其中热声制冷技术就是其中之一。其和之前的蒸气压缩制冷技术相比，在很多领域都具有明显的优势。热声制冷技术不用依赖氟利昂等污染型制冷剂，可以选择混合气体、惰性气体等作为制冷剂，消除了对臭氧层的破坏问题，能够在一定程度上避免温室效应的出现。同时，热声制冷原理能够灵活控制制冷系统，且成本低、操作方便、结构简单，能够为空调制冷技术发展提供一个新的方向。当然，热声制冷原理也存在效率较低的问题，还需要进行进一步的研究，这些问题的存在对热声制冷技术发展造成一定的阻碍。

2 空调制冷技术有关应用分析

2.1 吸收式制冷技术

吸收式制冷技术是一种常见的制冷技术形式，采用制冷剂+溶液吸收剂二元工质对，工质对包括氨-水溶液（主要运用于冷冻工况下）、水-溴化锂溶液（主要运用于空调工况下）。吸收式制冷技术工作原理，不仅包括制冷剂蒸发，同时也包括制冷剂吸收、冷凝、节流以及发生等实际过程。在节流、冷凝以及蒸发环节中，吸收式制冷技术与压缩式制冷技术有很大的相似性，而发生和吸收过程，利用节流过程实现耦合，并通过溶液增压，提供热驱动蒸气压缩效果。具体技术原理体现在：第一，在蒸发过程中，制冷剂蒸发产生低压蒸气，溶液将这些低压蒸气吸收后，其浓度会逐渐增加，形成低压浓溶液，也会释放出大量的热量；第二，通过泵送加压过程，低压浓溶液会转变为高压浓溶液；第三，高压浓溶液经过发生过程，会出现高压蒸气，溶液浓度逐渐被稀释，这一发生过程会消耗高温热源热量；第四，发生中的高压制冷剂蒸气从冷凝器、节流装置等循环，最后汇入蒸发器中；高温稀溶液最后也会进入到吸收器中，形成一个气液循环体系。其中，热源温度是吸收式制冷技术顺利工作的前提，如果由于热源温度较低而导致单效循环无法驱动，则借助于两级循环模式；而热源温度过高，则利用多效循环模式。一般来说，生活中常见的空调选择二元工质对为溴化锂-水循环模式，其冷热输出输入比在0.7～1.4 之间，主要与循环种类、热源温度等有直接关系。

2.2 BP 神经网络技术

BP 神经网络是一种高效信息处理技术，通过对语言、文字、图片等信息识别技术，能够对相关信息进行精准分类，工作人员的工作负担会明显减轻，信息分类整体效率更高也更加准确。而且，BP 神经网络借助于网络结构构建函数模型，在函数系统中实现对相关操作的精准控制。将基于BP 神经网络函数模型运用到工业化控制系统当中，能够对机械运行方式进行有效把控。在暖通空调系统中利用BP 神经网络，能够对空调制冷系统制冷剂吸气压力过程进行模拟。空调制冷系统运行中，能耗具有非线性的特点，会导致能耗状况分析工作难度增加。而利用BP 神经网络模拟制冷系统运行状况，能够获得相关数据参数，为技术人员提供更加精准的数据。同时，BP 神经网络能够有助于制冷系统运行风险性分析，得到相应的网络模型，为优化系统提供依据。

2.3 空气源热泵技术

所谓的空气源热泵技术，指的是借助于循环逆卡诺原理，提升空调制冷效果。与普通空调制冷技术不同，空气源热泵技术能够有效地拓宽空调使用温度调节范围，可以从零下十度到零上四十度，能够满足空调使用者的相关需求。同时，在节能减排战略发展下，空调制冷技术需要向着节能环保方向发展，而空气源热泵技术符合节能减排相关要求。一方面，采用空气源热泵技术，空调制冷过程中不会产生有害气体，不会对环境造成污染；另一方面，空气是源源不断的资源，通过收集空气中的热源，能够减少能源消耗量，收集到的相关热源能够满足日常所需。可以说，当前空调生产中空气源热泵技术是现代化先进技术，能够推动我国空调制冷技术的有效发展。

2.4 水蓄冷技术

空调对于电能的消耗较大，尤其是当今空调普及率逐步上升，对电能的消耗更是难以估量。水蓄冷技术是一种新型制冷技术，具有很强的节能特点，在当前空调制冷行业中具有十分广泛地运用。与冰蓄冷技术相比，两者之间具有相类似的制冷工作原理，其特点体现在制冷温度较低、投资成本低、适应能力强等特点。在非电力使用高峰期，可以利用水蓄冷技术，将制冷剂设备启动，进行冷水储存；而在电力使用高峰期，利用已经存储的冷水冷量，对周围环境进行冷却，实现能源节约。水蓄冷技术应用也有很大的限制条件，尤其是需要对温度进行有效控制，借助于智能管理系统、温度传感器等设备，在前期投入方面成本更高。与之相比，冰蓄冷技术蓄冰槽占用的体积更小，储蓄的冷量是水蓄冷技术的数十倍，因此水蓄冷系统需要一定的空间来安置蓄水设施。而单从应用节能性能来说，水蓄冷技术在空调制冷中运用，比传统智能空调节约三分之一的电费。

2.5 太阳能制冷技术

在可持续发展理念引导下，必须加强对可再生资源的利用。太阳能作为一种应用最广泛的清洁能源，将太阳能和制冷技术有效结合起来，能够避免传统空调制冷带来的能源消耗问题。太阳能可以借助于光热、光伏两种能源，也可以将太阳能制冷分为太阳能光热制冷技术、太阳能光伏制冷技术两种。

借助于太阳能光伏制冷系统，利用光伏板作为电源，为压缩式制冷机提供动力，但太阳能光伏电板具有不稳定特点，驱动能源可以利用电网稳定电源，确保制冷输出的稳定性。利用太阳能光伏板能够提供直流电，但传统的蒸气压缩式制冷机驱动需要借助于交流电，还需要借助于逆变器改直流为交流。当前，太阳能光伏直流直接驱动空调系统已经上市，能够有效提升空调整体运行效率。而太阳能光热制冷技术，基本原理则是借助于太阳能集热器储存热量，为吸附式制冷机提供源源不断的热源，而同样面临太阳能不稳定问题，需要借助于燃气锅炉替补驱动，保证能够得到较为稳定输出。另外，太阳能光热技术和吸附式制冷机结合方面，还存在温度不够匹配的问题，需要根据实际情况，选择二元工质对保证两者具有较高的匹配度。

3 新时代空调制冷技术所面临的挑战

经过多年的发展，空调制冷已经逐渐形成较为全面的技术体系，成为很多产业发展中不可或缺的支撑技术。当前，我国经济发展速度不断提升，对各种技术的要求从体量增加逐渐向着质量提升转变，高新技术发展需求更为迫切，且在可持续发展理念下，对空调制冷技术发展提出了新的要求，传统的空调制冷技术也面临着诸多挑战。节能环保是当前我国发展重要的指导思想，制冷空调技术必须加强技术革新。根据国际卫生组织的相关调查发现，制冷行业每年碳排放量超过4.0Gt 二氧化碳当量，在全球温室气体排放总量中，所在比例接近8.0%，主要是含有氟制冷剂的使用，也造成严重的全球变暖问题。同时，随着我国制冷行业发展，社会中对于制冷空调的使用量不断增多，人们对于制冷空调功能要求更多，在噪音污染、制冷效果、外观等方面都提出了更高要求。

4 空调制冷技术发展趋势

我国空调制冷技术在未来发展中，为了能够满足新时期人们的发展需求，应该从提升能效、环保、应用拓展几个方面入手。

4.1 提升能效

在制冷空调能效提升方面，主要通过两种方式，即改进系统、提升零部件性能。其中，提升部件性能主要从压缩机、换热器两方面入手；而改进系统则应该从优化运行控制系统、创新热力循环、改进流程等几个方面入手。

换热器、压缩机都是空调制冷系统中不可缺少的部件。其中，换热器运行过程中，出现换热不可逆损失，会引发空调效率下降，而选择印刷版路换热器、翅片换热器等新型的换热器部件，能够提升换热效率，降低不可逆损失；压缩机是通过电机提供动力，提升压缩机性能，能够促进蒸气压缩效率提高。

在改进流程方面，一般是通过内部循环回热增强，减少该过程中不可逆损失，或者通过提升内外部热源匹配度，减少损失，包括换热过程匹配、温度梯级利用等具体优化方式。在创新热力循环方面，则主要是加入新热力学过程，改善原有循环架构，其操作难度相对较大，但在提升能效方面效果更高。在确定热力学循环形式基础上，提升压缩机性能、换热器性能、内外热回收等，都是空调制冷效果提升的重要途径。但并非一味地提升压缩机性能，往往有一定的提升限制界限，超过一定程度，不仅提升难度增加，还会增加整体系统的成本，能效提升的效率也会大打折扣。优化运行控制系统，通常是借助于人工智能技术，有效提升控制效果，降低系统运行过程中的整体能耗。在大数据、云平台技术支持下，可以将运行参数情况反馈给空调系统设计人员，帮助其设计出更加符合需求的空调产品。亦或者利用仿生材料、仿生热学原理等，提出新一代空调制冷系统方案。

4.2 环保

含氟制冷剂是破坏臭氧层的一大杀手，会带来严重的温室效应。今后空调制冷技术研究会朝着更加环保节能的方向发展。一方面，选择低臭氧破坏潜力趋势的制冷剂；另一方面是制冷空调中含氟制冷剂填充量需要进行严格控制，同时做好相关密封措施，减少制冷剂泄露。

当然，随着科学技术发展，人们逐渐在寻找能够替代制冷剂的方式，也相继出现了很多类制冷剂的产品。但由于这些新型制冷剂在传热传质性、安全性、压力稳定性方面还面临诸多挑战，还需要进一步的研究。另外，减少制冷剂泄露量是当前一项可行的发展路线，而一些诸如HFO 的制冷剂可燃特点，必须通过降低充注量，控制新型制冷剂的可燃性，借助于微细加工工艺，对制冷剂泄露量进行严格控制。但这种方式目前设计、生产成本都相对较高，在推广方面会受到一定的阻力。

4.3 应用拓展

空调制冷技术所应用的范围正在不断扩大，除了传统的室内空调降温、冷冻食品等方面，在太阳能制冷、数据中心冷却、高效清洁供热、电动车热管理、低温生物医学等领域都开始有空调制冷技术的身影，其逐渐发展成为一项基础性应用技术，能够为不同产业发展提供帮助。

当前我国传统空调制冷技术不断成熟，但在新兴领域中运用还需要进行进一步的拓展，通过应用拓展，能够为技术研发提供源源不断的动力，这也是我国空调制冷技术发展重要的方向。

5 结束语

总的来说，环保、节能、智能、健康是未来空调制冷系统技术的科学发展趋势。近年来，行业主要对其突出的热点技术进行了深入研究，包括自动清洗、静音、节能、彩板、加湿、新型制冷剂、网络远程控制和铝代铜技术。与此同时，许多国家也逐渐开始严格控制家用电器的能耗指标，我国也充分重视制冷空调的节能控制技术。在解决能源短缺和加强环境保护的各种措施中，热泵技术受到了相当大的关注。目前，我国制冷空调在高效换热器和压缩机方面占据世界领先地位。相关环保技术逐渐被广泛应用，人们更加关注空气环境对健康生活的影响，因此空调系统自然会肩负起创造舒适环境的重任。目前健康空调技术包括负离子产生、健康除湿、保湿双向通风、多重光催化剂、三重防御、立体环绕自然风、静音抗菌技术等。

通过上述分析可知，空调系统作为人们生活中不可缺少的一部分，能够为人们营造出一个更加舒适的环境。空调制冷技术作为实现这一目标的重要核心，必须加大对空调制冷技术的研究，针对当前社会发展形势、人们生活需求等，应不断进行技术革新，推动我国空调制冷技术向着更加智能、环保的方向发展。