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知識點心:空調的趣味歷史

    又到了使用空調的季節,空調利用冷凝和蒸發之間的換熱關系改變了人類在炎熱天氣下的生活方式。不過,從能量守恒的角度看,空調將某個地方的溫度降低,同時將這個地方的熱量排到外界,因此又有“很差發明”的戲稱。

皇家貴族避暑水亭涼殿

    人類最早是將冬季自然界的天然冰雪保存到夏季使用,這在古代中國、古埃及和古希臘等文化發展較早國家的史書中都有記載。電視劇《甄嬛傳》中,皇帝派人給甄嬛送冰納涼時,“西洋機關”風輪把冰塊融化的涼風徐徐送出,就有點兒人工空調的意思。其實,中國古代皇家納涼的高招可不只這些。

    歷史上有座含涼殿,十分著名。含涼殿位于唐大明宮太液池南岸,是后宮寢區中一座非常重要的宮殿。含涼殿依水而建,史料記載,皇帝在殿中安裝了機械傳動的制冷設備,采用冷水循環的方法,用扇輪轉搖,產生風力將冷氣送入殿中。同時,還利用機械將冷水送向屋頂,任其沿檐直下,形成人造水簾,激起涼氣,以達到消暑之目的。張仲素《宮中樂》詩云:“甘泉將避暑,臺殿水光凝”,就是對涼殿消暑的贊譽。

    到了宋代,涼殿造得比唐朝更加豪華?!段淞峙f事》卷三記載:“禁中避暑,多御復古,選德勘殿及翠寒堂納涼。長松修竹,濃翠蔽日,層巒奇岫,靜窈縈深。寒瀑飛空,下注大地可十畝。池中紅白菡萸萬柄,蓋園丁以瓦盎別種,分列水底素馨、建蘭、麝香藤、朱槿、玉桂、紅蕉等花數百盆于廣庭,鼓以風輪,清芬滿殿……聞洪景盧學士嘗賜對于翠寒堂。不可久立,上問故。笑遣中貴人以北綾半臂賜之,則境界可想見矣?!彼未鷽龅畈坏燥L輪送冷水涼氣,而且還在蓄水池上和大廳四周擺設各種花卉,使冷風帶香,芬芳滿室,其冷風效果之好,已使人“不可久立”,多虧貴人送上“北綾”。

    皇家納涼如此奢侈,大臣難免會效仿。唐代的高官顯貴有些也建起私家避暑設施,規模雖然比不得皇家,但設計也十分巧妙。其中專供納涼用的水亭,就是一種避暑建筑?!短普Z林》卷五記載,御史大夫王某“宅第有一雨亭。檐上飛流四注,當夏處之,凜若高秋?!眲⒂礤a《劉駙馬水亭避暑》也描述了水亭:“千竿竹翠數蓮紅,水閣虛涼玉簟空。琥珀盞紅疑漏雨,水晶簾瑩更通風?!边@種水亭,利用機械將冷水輸送到亭頂的水罐中貯存,然后讓水從房檐四周流下,形成雨簾,和涼殿頗為類似,也能起到極好的降溫效果,人稱“水車流瀑”。

    夏季皇家貴族納涼都要用到冰塊,因此每當寒冬季節都有專職官吏負責采集天然冰塊,貯存于“冰井”之中,炎夏時節取出,以供皇家和貴族使用。這一傳統歷史悠久,《詩經》中即有記載,是我國一傳統風俗,稱“藏冰”。將“藏冰”用到登峰造極的當屬唐代顯貴楊國忠,《開元天寶遺事》卷上記載:“楊氏子弟,每至伏中,取大冰使匠琢為山,周圍于宴席間?!庇帽鶋K琢山,用于大宴賓朋時納涼,楊國忠之奢靡囂張可見一斑。

    由于氣候不同,古埃及人和古希臘人納涼的方式也略有不同。古埃及位于尼羅河三角洲,干旱炎熱,人們在屋頂設立納涼露臺,利用屋頂高差開窗通風。古希臘屬地中海氣候,夏季高溫少雨,冬季溫和濕潤,民居庭院常設有噴泉、水池,栽有花木。

    隨著工業革命的開始,真正意義上的現代空調才一步步走上歷史舞臺。1755年愛丁堡的化學教授庫侖利用乙醚蒸發使水結冰。1834年雅各布·帕金斯正式呈遞了乙醚在封閉循環中膨脹制冷的英國專利申請。1844年美國人戈里發明了空氣制冷機。

空調最初服務對象僅限于機器

    1902年,美國人威利斯·開利博士發明第一套空調系統。1906年他以“空氣處理裝置”為名申請了專利,也因此被后人稱為“空調之父”。

    開利博士這個重要的發明,并非由于人們對炎熱天氣的抱怨,而是因為一個印刷作坊抱怨印刷機因空氣溫度和濕度變化使得紙張伸縮不定,油彩對位不準,印出來的東西模模糊糊,客戶不滿意。

開利博士發明空調系統后,印刷作坊將其應用于調節生產車間的溫度與濕度。取得良好效果后,空調又被應用于化工業、制藥業、食品制造業,甚至軍火業。

    1911年,開利博士發表溫濕度基本原理,后來體現為“濕空氣焓濕圖”,這就是現在所有空調計算的基礎。在空調誕生的最初20年間,一直由機器們“享受”,直到1922年,開利工程公司研制成功離心式空調機。這臺世界上第一臺離心式冷水機組,如今陳列于美國華盛頓國立博物館。

    離心式空調機在空調史上具有里程碑式的意義,其最大特點是效率高,這為大空間調節空氣提供了可能性,從這以后,空調的發展開始轉向為人服務。

    開利公司在1928年推出了第一代家用空調。同年開業的梅蘭大廈在當時是全美最高的建筑(21層),它采用鋼筋混凝土結構。梅蘭大廈還是世界上第一座裝配空調系統的建筑,開利博士的團隊負責了整個空調系統的安裝和調試工作。這個改善生活條件的偉大發明本來應有很好的市場,可惜時運不濟,經濟大蕭條和第二次世界大戰接踵而至,讓人們無暇關注生活條件這些小小細節。直到20世紀50年代美國經濟開始復蘇,家用空調才真正走進家庭。

    空調無疑是能耗大戶,那么空調適合采用什么能源呢?電能顯然不是惟一的選擇。20世紀60年代,擅長能源精細管理的日本研制出了燃氣空調。和電力空調相比,燃氣空調不僅運行費用低,而且使用壽命長。更重要的是,推廣燃氣空調可以減輕電力系統夏季負荷壓力。日本用了10年的時間大力推廣燃氣空調,到20世紀70年代時,日本中央空調85%使用燃氣。韓國在研究了日本的經驗后也開始推廣燃氣空調,現在韓國的燃氣空調市場占有率比日本還高。

    還有沒有比燃氣更適合的能源呢?太陽能顯然是一個不錯的選擇。20世紀90年代,隨著太陽能制冷空調關鍵技術的逐步成熟,特別是在太陽能集熱器和制冷機方面取得突破性進展之后,太陽能空調得到快速發展。新式太陽能空調主要分為兩派:一派是先實現光電轉換,再用電力驅動常規壓縮式制冷機進行制冷;另一派是利用太陽的熱能驅動進行制冷。經過反復較量,后一種制冷方式逐漸占了上風,現在正得到越來越廣泛的應用。

制冷劑氟利昂的百年之爭

    幾年前,寶馬和奔馳發生了一場汽車空調制冷劑之爭。寶馬i3的空調系統加注了新型的制冷劑R1234yf,而奔馳則拒絕使用新型制冷劑,因為奔馳發現R1234yf制冷劑存在起火隱患。兩個德系汽車品牌為什么在制冷劑的使用上持有不同的態度?其實關于空調制冷劑的爭論已經持續了上百年。

1834年,美國人雅各布·帕金斯向外界展示了他所研制的蒸汽壓縮制冷循環技術,這算是開啟了人類制冷技術的大門,當時使用的制冷劑為乙醚。

    雅各布·帕金斯是一位工程師,他在12歲時曾跟隨一名金匠學習手藝,在師父去世后,帕金斯繼承了金匠的工作并對制作工藝以及業務范圍進行了改進,不再拘泥于傳統的制造思路,因此世間有“金匠發明了制冷劑”的傳說。1834年,帕金斯向世人展示了他發明的蒸汽壓力泵制冷循環技術,這時他已經將近70歲。

    帕金斯當時使用的制冷劑是乙醚。在這之后,圍繞制冷劑的發明和變革就開始了。當時那個年代所采用的制冷劑,大多為比較容易獲得的流體(液體和氣體的總稱),比如乙醚、水/硫酸、酒精、氨/水等,而讓人關注的是,在那時就有人提出用二氧化碳作為制冷劑的方案,只是由于技術的限制,二氧化碳的特性并沒能被充分挖掘出來??傮w來看,這一階段所誕生的制冷劑種類均以化合物為主。

1924年,開利博士在為離心式空調機選擇制冷劑時進行了大量論證,排除了一些有著明顯缺陷的物質,比如二氧化碳以及對金屬有腐蝕的四氯化碳等,最終,二氯乙烷成為應用在第一臺離心式壓縮機中循環的制冷劑。

    20世紀初,空調開始在大廈中投入使用,逐步成為調節大廈內部溫度的主要手段,美國梅蘭大廈第一個“吃了螃蟹”。而第一輛裝有空調的汽車則等到上世紀30年代末才問世。

    在接下來的30年里,有很多種氟利昂被研制出來,其中一種名為R12的制冷劑(二氯二氟甲烷)是我們所熟悉的。如今,在一些年頭較長的汽車上還能見到加注有R12制冷劑的空調系統。當時,它被廣泛應用于家用冰箱等低溫儲藏設備中,而在汽車空調領域使用的唯一制冷劑也是R12。

    氟利昂就這樣被使用了幾十年。1974年,氟利昂被發現泄漏到空氣中會釋放破壞大氣臭氧層的氯,就在同時,人們還發現在南極上空出現了臭氧層空洞,這無疑會加劇溫室效應的程度。有關氟利昂的一些負面聲音開始涌現,進而引發了整個社會對于氟利昂的關注。

    新一代制冷劑側重點放在環保方面,在確保制冷劑效果的同時,還要盡可能避免其對環境的危害。于是,為了適應未來發展需要,制冷劑的生產廠商開始投入到環保型制冷劑的研發之中。

    所謂環保型制冷劑,它基本以兩個數值作參考,一個是評估臭氧層損耗物質的ODP值,另一個是GWP值(全球變暖潛能值),它是以二氧化碳對溫室效應的影響為標準,比如,GWP>150,那就意味著這個制冷劑給溫室效應帶來的影響是二氧化碳的150倍。

    1985年3月通過的《保護臭氧層維也納公約》以及1987年9月通過的《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》對新型制冷劑的研發和發展起到了正面的作用,它主要明確了鹵代烴類制冷劑(氟利昂)會對環境造成不良影響。

    在第四代制冷劑的探索階段,發達國家仍是主力,包括中國在內的一些發展中國家也投入了相應的研發力量。根據歐盟《汽車空調系統指令》的規定,從2011年開始,所有在歐洲銷售的新款車型都必須使用GWP值低于150的制冷劑,而等到2017年,所有在歐洲銷售的汽車都要使用更低GWP值的制冷劑。

創新技術:汽車熄火照樣吹空調

    1927年,在美國紐約市場上出現了第一臺汽車空調裝置,當時轟動了世界各國汽車制造商。實際上,這種裝置只能稱之為“加熱器”,只是在汽車車廂內增加了熱量,在歐洲寒冷的季節里,能起到一定的保暖作用。1939年,美國帕卡德公司第一次將機械制冷用于車用空調,為世界汽車空調市場開辟了發展之路。1954年,通用汽車公司首次在納什牌轎車上安裝了冷暖一體化的空調,汽車空調才基本上具有了調節車內溫度、濕度的功能。 如今,空調已經成為汽車的“標配”,但是,相信很多人遇到過這樣的煩惱,大熱天外出時臨時停車,想要打開空調降溫就不能讓汽車熄火,但引擎空轉又帶來了油耗增高、廢氣排放等問題。

    低壓直流電驅動空調和高壓變頻電驅動空調,打破了傳統空調的運行規則,通過發電機、蓄電池組和空調機組實現行車、停車熄火狀態下可不間斷運行。新型空調讓汽車節油15%以上,蓄電池組可放電驅動車載空調壓縮機運行,在停車熄火后空調可以繼續供冷30分鐘以上。

前沿發明:未來戰士或穿“空調衣”

    士兵作戰或者行軍,因身負背包、穿防護服等阻礙了熱量散失,溫度太高會使體能消耗過快,從而影響戰斗力。經過測試表明:人體溫度過高會使大量血液流向皮膚散熱,從而影響判斷力。那么,如何通過改善單兵裝備來提升士兵在高溫環境下的戰斗力呢?

    由美國陸軍士兵系統研究中心開發的“攔截者風冷式戰術背心”采用蜂窩狀結構,并通過電動換氣扇促進空氣在防護服和皮膚之間的空隙中流通,從而達到制冷和輔助排汗的效果。據了解,該產品在配發美軍試穿后,根據反饋意見,設計者對其進行改進,包括采用兼容性更好的電池,減輕引擎重量,降低風扇噪音等。想必在不久的將來,這種降溫背心的性能將越來越高,人穿著的舒適感將越來越好。

    美國斯坦福大學科學家經過多年研究,找到一種能夠使人體“從里涼到外”的方法。它被稱為“快速熱交換技術”,是按照哺乳動物的體溫調節規律開發出來的。該系統形狀像個咖啡壺,里面有個冰冷的錐形鋼板。使用者將手伸進去,握住并扳動金屬板,將真空裝置啟動,冰冷的金屬板可以使手掌上的血管迅速變冷,冷卻的血液循環回體內,就可以使全身的血液降溫,從而降低體能的消耗。

    實驗表明,“快速熱交換技術”系統能在10分鐘內將人體的體溫從40℃降到正常值,如果自然冷卻,這一過程則需要30分鐘。美國有關部門正與發明者密切合作,積極利用這一原理研制“降溫戰靴”。將來,戰士們穿著這樣一雙鞋會有“腳下生風”的感覺。

五花八門:倫敦地鐵2010年才有空調

    1863年,英國倫敦市開通了世界上最早的城市地鐵系統“大都會地區鐵路”,其干線長度約6.5公里,采用火車使用的蒸汽機車。盡管煙氣熏人,投運當天仍然有4萬名乘客興致勃勃地搭乘這條線路。當時地鐵使用的是通風裝置,沒有空調。倫敦地鐵沒有空調的日子居然持續了近150年,直到2010年,首輛帶空調設備的新地鐵才在倫敦投入運營。

    空調進入地鐵,最早是在美國,華盛頓修建地鐵時增加了冷卻塔和制冷機,1976年華盛頓地鐵通車時乘客享受到了來自空調的涼爽。

    我國第一條使用空調的地鐵線路是上海地鐵一號線,由于當地夏季氣候比較炎熱,1993年通車的上海地鐵一號線從設計之初就考慮了空調的使用。我國第一條地鐵線路北京地鐵一號線在建設之初并沒有考慮使用空調,2004年北京地鐵“消隱改造”時,一號線和二號線一起加裝空調系統,2008年奧運會開幕之前改造完成,同時一號線和二號線開始陸續更換空調車輛,北京地鐵乘坐舒適度大為提高。五號線是北京第一條設計時即有空調系統的地鐵線路,此后的地鐵新線設計都包含了空調系統。

大千世界歐洲人為何少用空調

    德國人幾乎不在家里安裝空調,甚至很少會買電風扇。走在法國的大街小巷,也很難看到墻上安裝空調的人家。歐洲人不裝空調的做法,對我們防暑降溫也是一個有益的啟示。那么,歐洲人為何不愛裝空調呢?

    首先是建筑節能,歐洲的節能建筑一般能達到75%以上,保溫效果好,冬暖夏涼。其次是垂直綠化多。歐洲很多國家的城市,陽臺或屋頂上種植綠色植物十分普遍,機關、學校、商廈、居民住宅的屋頂花園隨處可見。

    有數據表明,屋頂綠化能使夏天頂樓的溫度降低3℃至4℃,可節約空調耗電量的20%至40%;屋頂綠化相當于地面綠化效益的60%。此外,歐洲人更愿意到戶外納涼避暑,很多湖泊和森林是免費開放的,人們常常一家老小相聚湖邊休閑,或去公共泳池避暑,享受水的清涼。

    事實上,空調越多,室外溫度就越高,整個城市的溫度自然也越來越高,這就形成了惡性循環,因此有“空調是一個很差的發明”的說法。


上海眾有實業有限公司(上海非眾制冷設備有限公司)是一家注重科研和服務的濕度控制設備生產商,公司主營產品有除濕機、工業加濕機、恒溫恒濕機、調溫除濕機、管道除濕機、溶液除濕機、崗位送風機、防爆空調、防爆除濕機、轉輪除濕機、單元式空調機、直膨式空氣處理機組、組合式空調機組、風(水)冷冷水機組、空調末端等。
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