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知识点心:空调的趣味历史

    又到了使用空调的季节,空调利用冷凝和蒸发之间的换热关系改变了人类在炎热天气下的生活方式。不过,从能量守恒的角度看,空调将某个地方的温度降低,同时将这个地方的热量排到外界,因此又有“很差发明”的戏称。

皇家贵族避暑水亭凉殿

    人类最早是将冬季自然界的天然冰雪保存到夏季使用,这在古代中国、古埃及和古希腊等文化发展较早国家的史书中都有记载。电视剧《甄嬛传》中,皇帝派人给甄嬛送冰纳凉时,“西洋机关”风轮把冰块融化的凉风徐徐送出,就有点儿人工空调的意思。其实,中国古代皇家纳凉的高招可不只这些。

    历史上有座含凉殿,十分著名。含凉殿位于唐大明宫太液池南岸,是后宫寝区中一座非常重要的宫殿。含凉殿依水而建,史料记载,皇帝在殿中安装了机械传动的制冷设备,采用冷水循环的方法,用扇轮转摇,产生风力将冷气送入殿中。同时,还利用机械将冷水送向屋顶,任其沿檐直下,形成人造水帘,激起凉气,以达到消暑之目的。张仲素《宫中乐》诗云:“甘泉将避暑,台殿水光凝”,就是对凉殿消暑的赞誉。

    到了宋代,凉殿造得比唐朝更加豪华。《武林旧事》卷三记载:“禁中避暑,多御复古,选德勘殿及翠寒堂纳凉。长松修竹,浓翠蔽日,层峦奇岫,静窈萦深。寒瀑飞空,下注大地可十亩。池中红白菡萸万柄,盖园丁以瓦盎别种,分列水底素馨、建兰、麝香藤、朱槿、玉桂、红蕉等花数百盆于广庭,鼓以风轮,清芬满殿……闻洪景卢学士尝赐对于翠寒堂。不可久立,上问故。笑遣中贵人以北绫半臂赐之,则境界可想见矣。”宋代凉殿不但以风轮送冷水凉气,而且还在蓄水池上和大厅四周摆设各种花卉,使冷风带香,芬芳满室,其冷风效果之好,已使人“不可久立”,多亏贵人送上“北绫”。

    皇家纳凉如此奢侈,大臣难免会效仿。唐代的高官显贵有些也建起私家避暑设施,规模虽然比不得皇家,但设计也十分巧妙。其中专供纳凉用的水亭,就是一种避暑建筑。《唐语林》卷五记载,御史大夫王某“宅第有一雨亭。檐上飞流四注,当夏处之,凛若高秋。”刘禹锡《刘驸马水亭避暑》也描述了水亭:“千竿竹翠数莲红,水阁虚凉玉簟空。琥珀盏红疑漏雨,水晶帘莹更通风。”这种水亭,利用机械将冷水输送到亭顶的水罐中贮存,然后让水从房檐四周流下,形成雨帘,和凉殿颇为类似,也能起到极好的降温效果,人称“水车流瀑”。

    夏季皇家贵族纳凉都要用到冰块,因此每当寒冬季节都有专职官吏负责采集天然冰块,贮存于“冰井”之中,炎夏时节取出,以供皇家和贵族使用。这一传统历史悠久,《诗经》中即有记载,是我国一传统风俗,称“藏冰”。将“藏冰”用到登峰造极的当属唐代显贵杨国忠,《开元天宝遗事》卷上记载:“杨氏子弟,每至伏中,取大冰使匠琢为山,周围于宴席间。”用冰块琢山,用于大宴宾朋时纳凉,杨国忠之奢靡嚣张可见一斑。

    由于气候不同,古埃及人和古希腊人纳凉的方式也略有不同。古埃及位于尼罗河三角洲,干旱炎热,人们在屋顶设立纳凉露台,利用屋顶高差开窗通风。古希腊属地中海气候,夏季高温少雨,冬季温和湿润,民居庭院常设有喷泉、水池,栽有花木。

    随着工业革命的开始,真正意义上的现代空调才一步步走上历史舞台。1755年爱丁堡的化学教授库仑利用乙醚蒸发使水结冰。1834年雅各布·帕金斯正式呈递了乙醚在封闭循环中膨胀制冷的英国专利申请。1844年美国人戈里发明了空气制冷机。

空调最初服务对象仅限于机器

    1902年,美国人威利斯·开利博士发明第一套空调系统。1906年他以“空气处理装置”为名申请了专利,也因此被后人称为“空调之父”。

    开利博士这个重要的发明,并非由于人们对炎热天气的抱怨,而是因为一个印刷作坊抱怨印刷机因空气温度和湿度变化使得纸张伸缩不定,油彩对位不准,印出来的东西模模糊糊,客户不满意。

开利博士发明空调系统后,印刷作坊将其应用于调节生产车间的温度与湿度。取得良好效果后,空调又被应用于化工业、制药业、食品制造业,甚至军火业。

    1911年,开利博士发表温湿度基本原理,后来体现为“湿空气焓湿图”,这就是现在所有空调计算的基础。在空调诞生的最初20年间,一直由机器们“享受”,直到1922年,开利工程公司研制成功离心式空调机。这台世界上第一台离心式冷水机组,如今陈列于美国华盛顿国立博物馆。

    离心式空调机在空调史上具有里程碑式的意义,其最大特点是效率高,这为大空间调节空气提供了可能性,从这以后,空调的发展开始转向为人服务。

    开利公司在1928年推出了第一代家用空调。同年开业的梅兰大厦在当时是全美最高的建筑(21层),它采用钢筋混凝土结构。梅兰大厦还是世界上第一座装配空调系统的建筑,开利博士的团队负责了整个空调系统的安装和调试工作。这个改善生活条件的伟大发明本来应有很好的市场,可惜时运不济,经济大萧条和第二次世界大战接踵而至,让人们无暇关注生活条件这些小小细节。直到20世纪50年代美国经济开始复苏,家用空调才真正走进家庭。

    空调无疑是能耗大户,那么空调适合采用什么能源呢?电能显然不是惟一的选择。20世纪60年代,擅长能源精细管理的日本研制出了燃气空调。和电力空调相比,燃气空调不仅运行费用低,而且使用寿命长。更重要的是,推广燃气空调可以减轻电力系统夏季负荷压力。日本用了10年的时间大力推广燃气空调,到20世纪70年代时,日本中央空调85%使用燃气。韩国在研究了日本的经验后也开始推广燃气空调,现在韩国的燃气空调市场占有率比日本还高。

    还有没有比燃气更适合的能源呢?太阳能显然是一个不错的选择。20世纪90年代,随着太阳能制冷空调关键技术的逐步成熟,特别是在太阳能集热器和制冷机方面取得突破性进展之后,太阳能空调得到快速发展。新式太阳能空调主要分为两派:一派是先实现光电转换,再用电力驱动常规压缩式制冷机进行制冷;另一派是利用太阳的热能驱动进行制冷。经过反复较量,后一种制冷方式逐渐占了上风,现在正得到越来越广泛的应用。

制冷剂氟利昂的百年之争

    几年前,宝马和奔驰发生了一场汽车空调制冷剂之争。宝马i3的空调系统加注了新型的制冷剂R1234yf,而奔驰则拒绝使用新型制冷剂,因为奔驰发现R1234yf制冷剂存在起火隐患。两个德系汽车品牌为什么在制冷剂的使用上持有不同的态度?其实关于空调制冷剂的争论已经持续了上百年。

1834年,美国人雅各布·帕金斯向外界展示了他所研制的蒸汽压缩制冷循环技术,这算是开启了人类制冷技术的大门,当时使用的制冷剂为乙醚。

    雅各布·帕金斯是一位工程师,他在12岁时曾跟随一名金匠学习手艺,在师父去世后,帕金斯继承了金匠的工作并对制作工艺以及业务范围进行了改进,不再拘泥于传统的制造思路,因此世间有“金匠发明了制冷剂”的传说。1834年,帕金斯向世人展示了他发明的蒸汽压力泵制冷循环技术,这时他已经将近70岁。

    帕金斯当时使用的制冷剂是乙醚。在这之后,围绕制冷剂的发明和变革就开始了。当时那个年代所采用的制冷剂,大多为比较容易获得的流体(液体和气体的总称),比如乙醚、水/硫酸、酒精、氨/水等,而让人关注的是,在那时就有人提出用二氧化碳作为制冷剂的方案,只是由于技术的限制,二氧化碳的特性并没能被充分挖掘出来。总体来看,这一阶段所诞生的制冷剂种类均以化合物为主。

1924年,开利博士在为离心式空调机选择制冷剂时进行了大量论证,排除了一些有着明显缺陷的物质,比如二氧化碳以及对金属有腐蚀的四氯化碳等,最终,二氯乙烷成为应用在第一台离心式压缩机中循环的制冷剂。

    20世纪初,空调开始在大厦中投入使用,逐步成为调节大厦内部温度的主要手段,美国梅兰大厦第一个“吃了螃蟹”。而第一辆装有空调的汽车则等到上世纪30年代末才问世。

    在接下来的30年里,有很多种氟利昂被研制出来,其中一种名为R12的制冷剂(二氯二氟甲烷)是我们所熟悉的。如今,在一些年头较长的汽车上还能见到加注有R12制冷剂的空调系统。当时,它被广泛应用于家用冰箱等低温储藏设备中,而在汽车空调领域使用的唯一制冷剂也是R12。

    氟利昂就这样被使用了几十年。1974年,氟利昂被发现泄漏到空气中会释放破坏大气臭氧层的氯,就在同时,人们还发现在南极上空出现了臭氧层空洞,这无疑会加剧温室效应的程度。有关氟利昂的一些负面声音开始涌现,进而引发了整个社会对于氟利昂的关注。

    新一代制冷剂侧重点放在环保方面,在确保制冷剂效果的同时,还要尽可能避免其对环境的危害。于是,为了适应未来发展需要,制冷剂的生产厂商开始投入到环保型制冷剂的研发之中。

    所谓环保型制冷剂,它基本以两个数值作参考,一个是评估臭氧层损耗物质的ODP值,另一个是GWP值(全球变暖潜能值),它是以二氧化碳对温室效应的影响为标准,比如,GWP>150,那就意味着这个制冷剂给温室效应带来的影响是二氧化碳的150倍。

    1985年3月通过的《保护臭氧层维也纳公约》以及1987年9月通过的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》对新型制冷剂的研发和发展起到了正面的作用,它主要明确了卤代烃类制冷剂(氟利昂)会对环境造成不良影响。

    在第四代制冷剂的探索阶段,发达国家仍是主力,包括中国在内的一些发展中国家也投入了相应的研发力量。根据欧盟《汽车空调系统指令》的规定,从2011年开始,所有在欧洲销售的新款车型都必须使用GWP值低于150的制冷剂,而等到2017年,所有在欧洲销售的汽车都要使用更低GWP值的制冷剂。

创新技术:汽车熄火照样吹空调

    1927年,在美国纽约市场上出现了第一台汽车空调装置,当时轰动了世界各国汽车制造商。实际上,这种装置只能称之为“加热器”,只是在汽车车厢内增加了热量,在欧洲寒冷的季节里,能起到一定的保暖作用。1939年,美国帕卡德公司第一次将机械制冷用于车用空调,为世界汽车空调市场开辟了发展之路。1954年,通用汽车公司首次在纳什牌轿车上安装了冷暖一体化的空调,汽车空调才基本上具有了调节车内温度、湿度的功能。 如今,空调已经成为汽车的“标配”,但是,相信很多人遇到过这样的烦恼,大热天外出时临时停车,想要打开空调降温就不能让汽车熄火,但引擎空转又带来了油耗增高、废气排放等问题。

    低压直流电驱动空调和高压变频电驱动空调,打破了传统空调的运行规则,通过发电机、蓄电池组和空调机组实现行车、停车熄火状态下可不间断运行。新型空调让汽车节油15%以上,蓄电池组可放电驱动车载空调压缩机运行,在停车熄火后空调可以继续供冷30分钟以上。

前沿发明:未来战士或穿“空调衣”

    士兵作战或者行军,因身负背包、穿防护服等阻碍了热量散失,温度太高会使体能消耗过快,从而影响战斗力。经过测试表明:人体温度过高会使大量血液流向皮肤散热,从而影响判断力。那么,如何通过改善单兵装备来提升士兵在高温环境下的战斗力呢?

    由美国陆军士兵系统研究中心开发的“拦截者风冷式战术背心”采用蜂窝状结构,并通过电动换气扇促进空气在防护服和皮肤之间的空隙中流通,从而达到制冷和辅助排汗的效果。据了解,该产品在配发美军试穿后,根据反馈意见,设计者对其进行改进,包括采用兼容性更好的电池,减轻引擎重量,降低风扇噪音等。想必在不久的将来,这种降温背心的性能将越来越高,人穿着的舒适感将越来越好。

    美国斯坦福大学科学家经过多年研究,找到一种能够使人体“从里凉到外”的方法。它被称为“快速热交换技术”,是按照哺乳动物的体温调节规律开发出来的。该系统形状像个咖啡壶,里面有个冰冷的锥形钢板。使用者将手伸进去,握住并扳动金属板,将真空装置启动,冰冷的金属板可以使手掌上的血管迅速变冷,冷却的血液循环回体内,就可以使全身的血液降温,从而降低体能的消耗。

    实验表明,“快速热交换技术”系统能在10分钟内将人体的体温从40℃降到正常值,如果自然冷却,这一过程则需要30分钟。美国有关部门正与发明者密切合作,积极利用这一原理研制“降温战靴”。将来,战士们穿着这样一双鞋会有“脚下生风”的感觉。

五花八门:伦敦地铁2010年才有空调

    1863年,英国伦敦市开通了世界上最早的城市地铁系统“大都会地区铁路”,其干线长度约6.5公里,采用火车使用的蒸汽机车。尽管烟气熏人,投运当天仍然有4万名乘客兴致勃勃地搭乘这条线路。当时地铁使用的是通风装置,没有空调。伦敦地铁没有空调的日子居然持续了近150年,直到2010年,首辆带空调设备的新地铁才在伦敦投入运营。

    空调进入地铁,最早是在美国,华盛顿修建地铁时增加了冷却塔和制冷机,1976年华盛顿地铁通车时乘客享受到了来自空调的凉爽。

    我国第一条使用空调的地铁线路是上海地铁一号线,由于当地夏季气候比较炎热,1993年通车的上海地铁一号线从设计之初就考虑了空调的使用。我国第一条地铁线路北京地铁一号线在建设之初并没有考虑使用空调,2004年北京地铁“消隐改造”时,一号线和二号线一起加装空调系统,2008年奥运会开幕之前改造完成,同时一号线和二号线开始陆续更换空调车辆,北京地铁乘坐舒适度大为提高。五号线是北京第一条设计时即有空调系统的地铁线路,此后的地铁新线设计都包含了空调系统。

大千世界欧洲人为何少用空调

    德国人几乎不在家里安装空调,甚至很少会买电风扇。走在法国的大街小巷,也很难看到墙上安装空调的人家。欧洲人不装空调的做法,对我们防暑降温也是一个有益的启示。那么,欧洲人为何不爱装空调呢?

    首先是建筑节能,欧洲的节能建筑一般能达到75%以上,保温效果好,冬暖夏凉。其次是垂直绿化多。欧洲很多国家的城市,阳台或屋顶上种植绿色植物十分普遍,机关、学校、商厦、居民住宅的屋顶花园随处可见。

    有数据表明,屋顶绿化能使夏天顶楼的温度降低3℃至4℃,可节约空调耗电量的20%至40%;屋顶绿化相当于地面绿化效益的60%。此外,欧洲人更愿意到户外纳凉避暑,很多湖泊和森林是免费开放的,人们常常一家老小相聚湖边休闲,或去公共泳池避暑,享受水的清凉。

    事实上,空调越多,室外温度就越高,整个城市的温度自然也越来越高,这就形成了恶性循环,因此有“空调是一个很差的发明”的说法。

 

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