空调新技术与环境保护

空调新技术与环境保护深圳职业技术学院程瑞端一、世界空调技术新进展室内环境的舒适性与室内温度、湿度、辐射温度、气流速度、着衣量和人体活动等六要素有着密切的关系，近来的研究表明，室内装饰的色调、音响效果、光线的明亮程度和空气的清新度等也是影响室内舒适性不可忽视的因素。随着社会的进步，人们对空调环境的舒适性要求越来越高，越来越接近自然。从空调系统诞生开始，空调环境已经走过了防暑御寒、自动控温、基本舒适和非感空调阶段，并逐步进入感知空调阶段。在空调环境的发展历程，家用空调系统的技术进步起到至关重要的作用。人的一生大约有70%—90%在室内度过。人的一天约需从外界摄取：食物：1—2kg水：2—3L空气：12—15m3(14.4—18kg)世界家用空调行业中，在90年代以前，60％的市场被日本所占有，并且在设备开发和控制技术上都处于世界最前沿。所以从日本空调技术的发展可以看出世界空调行业的变迁过程。直接蒸发式空调系统的发展过程，大致可以分为五个阶段，其技术特征和代表技术参见表1.1。从表中可以看出，直接蒸发式空调技术的发展主要集中在三个方面：①追求空调系统的高效节能，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型化、低能耗、低噪音、高可靠性；②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；③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MVRV空调系统，极大地拓广了直接蒸发式空调系统的应用范围，开辟了集中空调系统的新领域。表1.2示出直接蒸发式空调系统及相关技术的纵、横向发展状况。随着制冷循环控制技术的不断研究和研究成果的应用，随着制冷循环控制技术的不断研究和研究成果的应用，先后诞生了非变频调节和变频调节的MVRV空调系统及与MVRV系统组合应用的VAV空调系统，推进了小型独立分散空调系统的发展。进入90年代后，计算机通讯、制冷循环控制、设备管理、故障诊断等技术的发展，加速了空调系统网络控制的进程，自律分散协调控制技术在MVRV空调系统中的应用成功，使网络控制技术得到了进一步简化，推进了小型独立分散空调系统向大型集中空调系统和热回收型MVRV空调系统的转化。95年以后，成功地将蓄冷技术应用于MVRV空调系统中，使能源利用结构更趋合理。在对IAQ要求越来越高的今天,综合考虑节能、能源利用结构的优化、空调设备的可靠性和室内环境的舒适性，智能控制空调系统将是今后的发展方向。直接蒸发式空调系统发展过程及其技术特征第一代(摇篮期)40年代中期手动ON/OFF控制第二代(品种扩大期)55~70年机械式和电子式ON/OFF控制第三代(电子化进展期)70~82年用电子元件分别控制温度、湿度、气流组织第四代(高度电子化成熟期)82~86年综合性能控制第五代(AI进展期)86年～温感控制模糊控制人工智能控制从直接蒸发式空调系统的发展过程中可以看出，变频技术、电子膨胀阀和现代控制理论在SVRV上的应用，具有划时代的意义，它不仅为创造舒适环境、实现空调设备的高效节能运行提供了技术保证，而且为MVRV空调系统的开发和发展提供了坚强的技术基础。直接蒸发式空调系统的发展过程及其技术特征阶段时期控制对象控制方式技术特征代表技术第一代(摇篮期)40年代中期温度手动ON/OFF控制1.强冷风直吹人体，用手动方式启闭空调系统，以调节室内温度40年代中期：出现手动式房间空调器第二代(品种扩大期)55~70年温度机械式和电子式ON/OFF控制1.追求空调系统使用的方便性，采用了温控器控制温度3.温控器从机械式发展到半导体式2.追求空调系统的小型化、轻量化61年：出现窗式单冷型空调器和热泵型空调器67年：出现分体壁挂式空调器；滚动转子式压缩机诞生第三代(电子化进展期)70~82年温度湿度气流速度用电子元件分别控制温度、湿度、气流组织1.为改善温度、气流组织分布，对风口的位置与型式作了细致的研究2.追求空调系统的节能与节材3.在控制技术上，采用了响应性能优良的电子元件(电子传感器、IC传感器)，温度控制精度得到了提高4.开始采用变频器进行能量调节71年：壁挂下吹式室内机诞生74年：低能耗空调器诞生78年：微电脑开始应用于空调控制中；松下电器展展出了最早的变频空调器79年：超薄型(10cm)室内机诞生80年：东芝在世界上首次成功地研制出大型空调机用变频往复式压缩机81年：东芝在世界上首次成功地研制出小型空调机用变频旋转式压缩机82年：变频技术开始进入实用化阶段第四代(高度电子化成熟期)82~86年温度湿度气流速度辐射温度综合性能控制1.空调系统控制理论的研究2.实现温度、湿度、气流组织和辐射温度等复合因素的综合控制3.多室内机房间空调系统的开发设计83年：电子膨胀阀应用于空调器制冷剂流量、过热度和排气温度控制；直流变频器研制成功84年：松冈提出空调器的矩阵电子控制方法，获日本冷冻协会学术奖；日立涡旋压缩机应用于空调器，获日本冷冻协会技术奖；大金研制出压缩机变频调速的空冷热泵式MVAV空调系统85年：辐射传感器引入控制系统；湿度传感器应用于空调器控制中；电子膨胀阀、变频器在房间空调器中应用成功；多室内机房间空调器开发成功第五代(AI进展期)86年～温度湿度气流速度辐射温度PMV等温感控制模糊控制人工智能控制1.单冷型、热泵型和热回收型MVRV空调系统的开发与完善2.模糊技术、人工神经网络技术，遗传算法和混沌理论应用于房间空调器上，推动了空调系统控制技术的发展3.蓄热型MVRV空调系统的开发4.智能传感器的开发86年：人工神经网络及温感控制技术应用于空调器；单冷型、热泵型MVRV空调系统上市；松冈提出了空调器“系统、相关指令控制”方法，将人工神经网络和模糊技术应用于空调器的控制上87年：东芝提出MVRV空调系统的通讯控制法88年：双风扇室内机诞生，实现舒适气流控制；变频双转子旋转式压缩机诞生90年：模糊控制空调器诞生；开发出热回收型VRV空调系统；提出MVRV空调系统的自律分散协调制御(F-VPM)控制法91年：提出MVRV空调系统的模糊自适应控制法第五代(AI进展期)86年～温度湿度气流速度辐射温度PMV等温感控制模糊控制人工智能控制5.逐步利用人工智能技术开发如自然条件下的感知空调系统92年：夏普和松下推出蓄热型空调器；日立、松下等开发出以PMV为控制目标的变频空调器93年：双监视辐射传感器开发成功94年：广角双气流和人体感知传感器应用于空调器中；将遗传算法理论应用于空调器控制技术上95年：三菱电机W-multi楼宇MVRV空调系统获日本冷冻协会技术奖；夏普Masuda等提出用实验方程控制法控制二元VRV空调系统；应用混沌理论研究空调器的脉动送风气流；进行MVRV空调系统与冰蓄冷技术结合的应用研究96年以后：人工智能技术控制制冷循环和环境变化控制技术（研究阶段）直接蒸发式空调系统的技术进展耗能与节能·建筑节能建筑能源消耗占全部能耗的比例在美国，建筑消耗的能源占全部基本能耗的35％以上。占世界人口不到4％的美国所消耗的能源却占世界总能量的25％。研究表明，改进能源最终的使用效率，可以使美国对服务建筑的能源需求量减少50％。我国目前的建筑能源消耗状况我国建筑能源消耗状况我国采暖区城镇人口只占全国人口的13.6％，而采暖用能却占到全国总能耗的9.6％。由于经济的发展，采暖范围日益扩大，空调建筑迅速增加，建筑能耗增长的速度将远高于能源生产增长的速度，从而成为国民经济的一个重要的制约因素。我国目前的建筑能源消耗状况生活水平的提高导致对能源的需求激增随着生活水平的提高，舒适的建筑热环境已成为人们生活的需要。在发达国家，适宜的室温已成为一种基本需要，他们通过越来越有效地利用好能源，满足了这种需要。在我国，这种需要也在日益迫切。我国冬冷夏热的问题相当突出，生活越是改善，越不堪忍受寒冬暑夏的折磨，冬天需要采暖，夏天想要空调，这都需要用能源。我国目前的建筑能源消耗状况建筑规模巨大、采暖系统落后我国人口众多，因此房屋建筑规模巨大。以北京为例，1994年常住人口1050万人，城市实有房屋建筑面积2.4亿m2，其中住宅建筑面积1.2亿m2，人均居住面积已达8.7m2。数量如此庞大的房屋建筑，保温隔热和气密性却很差，采暖系统相当落后。以北京市建造数量较多的多层砖混住宅为例，过去长期沿用37cm实心粘土砖外墙，24cm实心粘土砖楼梯间墙，单层钢窗。由于门窗单薄，缝隙不严，门窗及空气渗透所损失的热量，占到全部热损失的一半以上，而外墙和楼梯间墙的保温效果也差，散热量超过总散热量的1/3。我国目前的建筑能源消耗状况我国的建筑能耗构成建筑能耗一般包括建筑采暖、空调、降温、电气、照明、炊事、热水供应等所使用的能量。建筑采暖、空调、降温和照明所使用的能源中以采暖能耗数量最多。我国目前的建筑能源消耗状况我国气候的特点我国南北跨越热、温、寒几个气候带，气候类型多种多样。大部分地区属于东亚季风气候，冬夏盛行风向交替变更，冬季多干冷的偏北风，夏季多暖湿的偏南风。我国气候还有很强的大陆性气候特征，即气温年较差大，冬季平均温度大大低于同纬度地区，而夏季平均温度又略高于同纬度地区。我国目前的建筑能源消耗状况温度我国冬季受北方冷空气侵袭，大部分地区在极地大陆气团控制之下，高纬度的寒冷气团通过冬季风不断输送到低纬度。我国冬季气温较低，南北温差很大，主要是由于寒潮活动所致。不仅冬天气温较低，而且冷季时间很长。即使在东部平原地区、一年内寒冷的持续时间也相当漫长。和同纬度的世界其他地区相比，除了沙漠干旱地带以外，我国又是夏季最暖热的国家。我国目前的建筑能源消耗状况采暖度日数建筑节能往往以采暖度日数作为冷天气候的一个重要基础数据。采暖度日数是指室外日平均气温与采暖基准温度之差值与天数乘积之和。国际上通常采用18℃作为采暖基准温度。凡平均温度低于基准温度的日子，均计入采暖度日数。与相同纬度的北半球城市对比，我国各城市的采暖度日数较高。我国目前的建筑能源消耗状况湿度我国气候除西部和西北地区全年都相当干燥以外，整个东部经济发达地区最热月平均湿度均较高，一般达75％～81％；这些地区到了最冷月，在华北北部湿度较低，而长江流域一带仍保持较高湿度，达73％～83％。我国目前的建筑能源消耗状况太阳辐射在气候资源方面，太阳辐射对建筑节能是个有利因素。我国占有一定优势。与许多发达国家、尤其是欧洲国家相比．我国北方寒冷的冬季晴天较多，日照时间普遍较长，太阳辐射强度较大。冬季太阳入射角较低，建筑南向窗户接收到的太阳辐射较多，愈是寒冷的月份，南向受到的太阳辐射量愈多，这对于外界的寒冷气候构成一种补偿。我国目前的建筑能源消耗状况外围护结构传热系数的对比发达国家在1973年世界性石油危机后，普遍强化建筑节能。从建筑立法和节能技术上予以保证。从经济政策上加以引导、鼓励或限制。为了推进建筑节能，各国都已颁布了若干项标准，组成配套的标准系列。随着技术的进步，相应修订节能标准，提高节能要求，挖掘能源潜力。我国目前的建筑能源消耗状况中外围护结构传热系数比较不同国家、不同地区气候条件的差别。一般情况是：气候越是寒冷，采暖度日数越高，其建筑外围护结构的传热系数的规定就应越是严格。目前我国建筑保温隔热水平与气候条件接近的发达国家相比，差距相当大。大体上外墙差4～5倍，屋顶差2.5～5.5倍，外窗差l.5～2.2倍，门窗气密性差3～6倍。国内外建筑外围护结构传热系数（W/(m2·K））比较国别外墙外窗屋顶北京（节能标准’96）1.160.824.000.91哈尔滨（节能标准’96）0.520.402.500.500.30瑞典南部（包括斯德哥尔摩）0.172.00.12丹麦0.202.90.15德国柏林英国加拿大（相当于哈尔滨）0.272.220.17-0.31加拿大（相当于北京）0.362.8