知識(shí)點(diǎn)心：空調(diào)的趣味歷史
又到了使用空調(diào)的季節(jié)，空調(diào)利用冷凝和蒸發(fā)之間的換熱關(guān)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(diào)將某個(gè)地方的溫度降低，同時(shí)將這個(gè)地方的熱量排到外界，因此又有“很差發(fā)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(guó)、古埃及和古希臘等文化發(fā)展較早國(guó)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(shí)，“西洋機(jī)關(guān)”風(fēng)輪把冰塊融化的涼風(fēng)徐徐送出，就有點(diǎn)兒人工空調(diào)的意思。其實(shí)，中國(guó)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(qū)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(jī)械傳動(dòng)的制冷設(shè)備，采用冷水循環(huán)的方法，用扇輪轉(zhuǎn)搖，產(chǎn)生風(fēng)力將冷氣送入殿中。同時(shí)，還利用機(jī)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(dá)到消暑之目的。張仲素《宮中樂》詩(shī)云：“甘泉將避暑，臺(tái)殿水光凝”，就是對(duì)涼殿消暑的贊譽(yù)。
到了宋代，涼殿造得比唐朝更加豪華。《武林舊事》卷三記載：“禁中避暑，多御復(fù)古，選德勘殿及翠寒堂納涼。長(zhǎng)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(wàn)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(shù)百盆于廣庭，鼓以風(fēng)輪，清芬滿殿……聞洪景盧學(xué)士嘗賜對(duì)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。”宋代涼殿不但以風(fēng)輪送冷水涼氣，而且還在蓄水池上和大廳四周擺設(shè)各種花卉，使冷風(fēng)帶香，芬芳滿室，其冷風(fēng)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(huì)效仿。唐代的高官顯貴有些也建起私家避暑設(shè)施，規(guī)模雖然比不得皇家，但設(shè)計(jì)也十分巧妙。其中專供納涼用的水亭，就是一種避暑建筑。《唐語(yǔ)林》卷五記載，御史大夫王某“宅第有一雨亭。檐上飛流四注，當(dāng)夏處之，凜若高秋。”劉禹錫《劉駙馬水亭避暑》也描述了水亭：“千竿竹翠數(shù)蓮紅，水閣虛涼玉簟空。琥珀盞紅疑漏雨，水晶簾瑩更通風(fēng)。”這種水亭，利用機(jī)械將冷水輸送到亭頂?shù)乃拗匈A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(dāng)寒冬季節(jié)都有專職官吏負(fù)責(zé)采集天然冰塊，貯存于“冰井”之中，炎夏時(shí)節(jié)取出，以供皇家和貴族使用。這一傳統(tǒng)歷史悠久，《詩(shī)經(jīng)》中即有記載，是我國(guó)一傳統(tǒng)風(fēng)俗，稱“藏冰”。將“藏冰”用到登峰造極的當(dāng)屬唐代顯貴楊國(guó)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。”用冰塊琢山，用于大宴賓朋時(shí)納涼，楊國(guó)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?cè)谖蓓斣O(shè)立納涼露臺(tái)，利用屋頂高差開窗通風(fēng)。古希臘屬地中海氣候，夏季高溫少雨，冬季溫和濕潤(rùn)，民居庭院常設(shè)有噴泉、水池，栽有花木。
隨著工業(yè)革命的開始，真正意義上的現(xiàn)代空調(diào)才一步步走上歷史舞臺(tái)。1755年愛丁堡的化學(xué)教授庫(kù)侖利用乙醚蒸發(fā)使水結(jié)冰。1834年雅各布·帕金斯正式呈遞了乙醚在封閉循環(huán)中膨脹制冷的英國(guó)專利申請(qǐng)。1844年美國(guó)人戈里發(fā)明了空氣制冷機(jī)。
空調(diào)最初服務(wù)對(duì)象僅限于機(jī)器
1902年，美國(guó)人威利斯·開利博士發(fā)明第一套空調(diào)系統(tǒng)。1906年他以“空氣處理裝置”為名申請(qǐng)了專利，也因此被后人稱為“空調(diào)之父”。
開利博士這個(gè)重要的發(fā)明，并非由于人們對(duì)炎熱天氣的抱怨，而是因?yàn)橐粋€(gè)印刷作坊抱怨印刷機(jī)因空氣溫度和濕度變化使得紙張伸縮不定，油彩對(duì)位不準(zhǔn)，印出來(lái)的東西模模糊糊，客戶不滿意。
開利博士發(fā)明空調(diào)系統(tǒng)后，印刷作坊將其應(yīng)用于調(diào)節(jié)生產(chǎn)車間的溫度與濕度。取得良好效果后，空調(diào)又被應(yīng)用于化工業(yè)、制藥業(yè)、食品制造業(yè)，甚至軍火業(yè)。
1911年，開利博士發(fā)表溫濕度基本原理，后來(lái)體現(xiàn)為“濕空氣焓濕圖”，這就是現(xiàn)在所有空調(diào)計(jì)算的基礎(chǔ)。在空調(diào)誕生的最初20年間，一直由機(jī)器們“享受”，直到1922年，開利工程公司研制成功離心式空調(diào)機(jī)。這臺(tái)世界上第一臺(tái)離心式冷水機(jī)組，如今陳列于美國(guó)華盛頓國(guó)立博物館。
離心式空調(diào)機(jī)在空調(diào)史上具有里程碑式的意義，其最大特點(diǎn)是效率高，這為大空間調(diào)節(jié)空氣提供了可能性，從這以后，空調(diào)的發(fā)展開始轉(zhuǎn)向?yàn)槿朔?wù)。
開利公司在1928年推出了第一代家用空調(diào)。同年開業(yè)的梅蘭大廈在當(dāng)時(shí)是全美最高的建筑(21層)，它采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。梅蘭大廈還是世界上第一座裝配空調(diào)系統(tǒng)的建筑，開利博士的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試工作。這個(gè)改善生活條件的偉大發(fā)明本來(lái)應(yīng)有很好的市場(chǎng)，可惜時(shí)運(yùn)不濟(jì)，經(jīng)濟(jì)大蕭條和第二次世界大戰(zhàn)接踵而至，讓人們無(wú)暇關(guān)注生活條件這些小小細(xì)節(jié)。直到20世紀(jì)50年代美國(guó)經(jīng)濟(jì)開始復(fù)蘇，家用空調(diào)才真正走進(jìn)家庭。
空調(diào)無(wú)疑是能耗大戶，那么空調(diào)適合采用什么能源呢?電能顯然不是惟一的選擇。20世紀(jì)60年代，擅長(zhǎng)能源精細(xì)管理的日本研制出了燃?xì)饪照{(diào)。和電力空調(diào)相比，燃?xì)饪照{(diào)不僅運(yùn)行費(fèi)用低，而且使用壽命長(zhǎng)。更重要的是，推廣燃?xì)饪照{(diào)可以減輕電力系統(tǒng)夏季負(fù)荷壓力。日本用了10年的時(shí)間大力推廣燃?xì)饪照{(diào)，到20世紀(jì)70年代時(shí)，日本中央空調(diào)85%使用燃?xì)狻ｍn國(guó)在研究了日本的經(jīng)驗(yàn)后也開始推廣燃?xì)饪照{(diào)，現(xiàn)在韓國(guó)的燃?xì)饪照{(diào)市場(chǎng)占有率比日本還高。
還有沒有比燃?xì)飧m合的能源呢?太陽(yáng)能顯然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。20世紀(jì)90年代，隨著太陽(yáng)能制冷空調(diào)關(guān)鍵技術(shù)的逐步成熟，特別是在太陽(yáng)能集熱器和制冷機(jī)方面取得突破性進(jìn)展之后，太陽(yáng)能空調(diào)得到快速發(fā)展。新式太陽(yáng)能空調(diào)主要分為兩派：一派是先實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，再用電力驅(qū)動(dòng)常規(guī)壓縮式制冷機(jī)進(jìn)行制冷;另一派是利用太陽(yáng)的熱能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷。經(jīng)過反復(fù)較量，后一種制冷方式逐漸占了上風(fēng)，現(xiàn)在正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
制冷劑氟利昂的百年之爭(zhēng)
幾年前，寶馬和奔馳發(fā)生了一場(chǎng)汽車空調(diào)制冷劑之爭(zhēng)。寶馬i3的空調(diào)系統(tǒng)加注了新型的制冷劑R1234yf，而奔馳則拒絕使用新型制冷劑，因?yàn)楸捡Y發(fā)現(xiàn)R1234yf制冷劑存在起火隱患。兩個(gè)德系汽車品牌為什么在制冷劑的使用上持有不同的態(tài)度?其實(shí)關(guān)于空調(diào)制冷劑的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了上百年。
1834年，美國(guó)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(huán)技術(shù)，這算是開啟了人類制冷技術(shù)的大門，當(dāng)時(shí)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(shí)曾跟隨一名金匠學(xué)習(xí)手藝，在師父去世后，帕金斯繼承了金匠的工作并對(duì)制作工藝以及業(yè)務(wù)范圍進(jìn)行了改進(jìn)，不再拘泥于傳統(tǒng)的制造思路，因此世間有“金匠發(fā)明了制冷劑”的傳說(shuō)。1834年，帕金斯向世人展示了他發(fā)明的蒸汽壓力泵制冷循環(huán)技術(shù)，這時(shí)他已經(jīng)將近70歲。
帕金斯當(dāng)時(shí)使用的制冷劑是乙醚。在這之后，圍繞制冷劑的發(fā)明和變革就開始了。當(dāng)時(shí)那個(gè)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(guān)注的是，在那時(shí)就有人提出用二氧化碳作為制冷劑的方案，只是由于技術(shù)的限制，二氧化碳的特性并沒能被充分挖掘出來(lái)。總體來(lái)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(diào)機(jī)選擇制冷劑時(shí)進(jìn)行了大量論證，排除了一些有著明顯缺陷的物質(zhì)，比如二氧化碳以及對(duì)金屬有腐蝕的四氯化碳等，最終，二氯乙烷成為應(yīng)用在第一臺(tái)離心式壓縮機(jī)中循環(huán)的制冷劑。
20世紀(jì)初，空調(diào)開始在大廈中投入使用，逐步成為調(diào)節(jié)大廈內(nèi)部溫度的主要手段，美國(guó)梅蘭大廈第一個(gè)“吃了螃蟹”。而第一輛裝有空調(diào)的汽車則等到上世紀(jì)30年代末才問世。
在接下來(lái)的30年里，有很多種氟利昂被研制出來(lái)，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(zhǎng)的汽車上還能見到加注有R12制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，它被廣泛應(yīng)用于家用冰箱等低溫儲(chǔ)藏設(shè)備中，而在汽車空調(diào)領(lǐng)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(fā)現(xiàn)泄漏到空氣中會(huì)釋放破壞大氣臭氧層的氯，就在同時(shí)，人們還發(fā)現(xiàn)在南極上空出現(xiàn)了臭氧層空洞，這無(wú)疑會(huì)加劇溫室效應(yīng)的程度。有關(guān)氟利昂的一些負(fù)面聲音開始涌現(xiàn)，進(jìn)而引發(fā)了整個(gè)社會(huì)對(duì)于氟利昂的關(guān)注。
新一代制冷劑側(cè)重點(diǎn)放在環(huán)保方面，在確保制冷劑效果的同時(shí)，還要盡可能避免其對(duì)環(huán)境的危害。于是，為了適應(yīng)未來(lái)發(fā)展需要，制冷劑的生產(chǎn)廠商開始投入到環(huán)保型制冷劑的研發(fā)之中。
所謂環(huán)保型制冷劑，它基本以兩個(gè)數(shù)值作參考，一個(gè)是評(píng)估臭氧層損耗物質(zhì)的ODP值，另一個(gè)是GWP值(全球變暖潛能值)，它是以二氧化碳對(duì)溫室效應(yīng)的影響為標(biāo)準(zhǔn)，比如，GWP>150，那就意味著這個(gè)制冷劑給溫室效應(yīng)帶來(lái)的影響是二氧化碳的150倍。
1985年3月通過的《保護(hù)臭氧層維也納公約》以及1987年9月通過的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》對(duì)新型制冷劑的研發(fā)和發(fā)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(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響。
在第四代制冷劑的探索階段，發(fā)達(dá)國(guó)家仍是主力，包括中國(guó)在內(nèi)的一些發(fā)展中國(guó)家也投入了相應(yīng)的研發(fā)力量。根據(jù)歐盟《汽車空調(diào)系統(tǒng)指令》的規(guī)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(chuàng)新技術(shù)：汽車熄火照樣吹空調(diào)
1927年，在美國(guó)紐約市場(chǎng)上出現(xiàn)了第一臺(tái)汽車空調(diào)裝置，當(dāng)時(shí)轟動(dòng)了世界各國(guó)汽車制造商。實(shí)際上，這種裝置只能稱之為“加熱器”，只是在汽車車廂內(nèi)增加了熱量，在歐洲寒冷的季節(jié)里，能起到一定的保暖作用。1939年，美國(guó)帕卡德公司第一次將機(jī)械制冷用于車用空調(diào)，為世界汽車空調(diào)市場(chǎng)開辟了發(fā)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(diào)，汽車空調(diào)才基本上具有了調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度、濕度的功能。 如今，空調(diào)已經(jīng)成為汽車的“標(biāo)配”，但是，相信很多人遇到過這樣的煩惱，大熱天外出時(shí)臨時(shí)停車，想要打開空調(diào)降溫就不能讓汽車熄火，但引擎空轉(zhuǎn)又帶來(lái)了油耗增高、廢氣排放等問題。
低壓直流電驅(qū)動(dòng)空調(diào)和高壓變頻電驅(qū)動(dòng)空調(diào)，打破了傳統(tǒng)空調(diào)的運(yùn)行規(guī)則，通過發(fā)電機(jī)、蓄電池組和空調(diào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)行車、停車熄火狀態(tài)下可不間斷運(yùn)行。新型空調(diào)讓汽車節(jié)油15%以上，蓄電池組可放電驅(qū)動(dòng)車載空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行，在停車熄火后空調(diào)可以繼續(xù)供冷30分鐘以上。
前沿發(fā)明：未來(lái)戰(zhàn)士或穿“空調(diào)衣”
士兵作戰(zhàn)或者行軍，因身負(fù)背包、穿防護(hù)服等阻礙了熱量散失，溫度太高會(huì)使體能消耗過快，從而影響戰(zhàn)斗力。經(jīng)過測(cè)試表明：人體溫度過高會(huì)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(lái)提升士兵在高溫環(huán)境下的戰(zhàn)斗力呢?
由美國(guó)陸軍士兵系統(tǒng)研究中心開發(fā)的“攔截者風(fēng)冷式戰(zhàn)術(shù)背心”采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)，并通過電動(dòng)換氣扇促進(jìn)空氣在防護(hù)服和皮膚之間的空隙中流通，從而達(dá)到制冷和輔助排汗的效果。據(jù)了解，該產(chǎn)品在配發(fā)美軍試穿后，根據(jù)反饋意見，設(shè)計(jì)者對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，包括采用兼容性更好的電池，減輕引擎重量，降低風(fēng)扇噪音等。想必在不久的將來(lái)，這種降溫背心的性能將越來(lái)越高，人穿著的舒適感將越來(lái)越好。
美國(guó)斯坦福大學(xué)科學(xué)家經(jīng)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(shù)”，是按照哺乳動(dòng)物的體溫調(diào)節(jié)規(guī)律開發(fā)出來(lái)的。該系統(tǒng)形狀像個(gè)咖啡壺，里面有個(gè)冰冷的錐形鋼板。使用者將手伸進(jìn)去，握住并扳動(dòng)金屬板，將真空裝置啟動(dòng)，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(huán)回體內(nèi)，就可以使全身的血液降溫，從而降低體能的消耗。
實(shí)驗(yàn)表明，“快速熱交換技術(shù)”系統(tǒng)能在10分鐘內(nèi)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(guó)有關(guān)部門正與發(fā)明者密切合作，積極利用這一原理研制“降溫戰(zhàn)靴”。將來(lái)，戰(zhàn)士們穿著這樣一雙鞋會(huì)有“腳下生風(fēng)”的感覺。
五花八門：倫敦地鐵2010年才有空調(diào)
1863年，英國(guó)倫敦市開通了世界上最早的城市地鐵系統(tǒng)“大都會(huì)地區(qū)鐵路”，其干線長(zhǎng)度約6.5公里，采用火車使用的蒸汽機(jī)車。盡管煙氣熏人，投運(yùn)當(dāng)天仍然有4萬(wàn)名乘客興致勃勃地搭乘這條線路。當(dāng)時(shí)地鐵使用的是通風(fēng)裝置，沒有空調(diào)。倫敦地鐵沒有空調(diào)的日子居然持續(xù)了近150年，直到2010年，首輛帶空調(diào)設(shè)備的新地鐵才在倫敦投入運(yùn)營(yíng)。
空調(diào)進(jìn)入地鐵，最早是在美國(guó)，華盛頓修建地鐵時(shí)增加了冷卻塔和制冷機(jī)，1976年華盛頓地鐵通車時(shí)乘客享受到了來(lái)自空調(diào)的涼爽。
我國(guó)第一條使用空調(diào)的地鐵線路是上海地鐵一號(hào)線，由于當(dāng)?shù)叵募練夂虮容^炎熱，1993年通車的上海地鐵一號(hào)線從設(shè)計(jì)之初就考慮了空調(diào)的使用。我國(guó)第一條地鐵線路北京地鐵一號(hào)線在建設(shè)之初并沒有考慮使用空調(diào)，2004年北京地鐵“消隱改造”時(shí)，一號(hào)線和二號(hào)線一起加裝空調(diào)系統(tǒng)，2008年奧運(yùn)會(huì)開幕之前改造完成，同時(shí)一號(hào)線和二號(hào)線開始陸續(xù)更換空調(diào)車輛，北京地鐵乘坐舒適度大為提高。五號(hào)線是北京第一條設(shè)計(jì)時(shí)即有空調(diào)系統(tǒng)的地鐵線路，此后的地鐵新線設(shè)計(jì)都包含了空調(diào)系統(tǒng)。
大千世界歐洲人為何少用空調(diào)
德國(guó)人幾乎不在家里安裝空調(diào)，甚至很少會(huì)買電風(fēng)扇。走在法國(guó)的大街小巷，也很難看到墻上安裝空調(diào)的人家。歐洲人不裝空調(diào)的做法，對(duì)我們防暑降溫也是一個(gè)有益的啟示。那么，歐洲人為何不愛裝空調(diào)呢?
首先是建筑節(jié)能，歐洲的節(jié)能建筑一般能達(dá)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(guó)家的城市，陽(yáng)臺(tái)或屋頂上種植綠色植物十分普遍，機(jī)關(guān)、學(xué)校、商廈、居民住宅的屋頂花園隨處可見。
有數(shù)據(jù)表明，屋頂綠化能使夏天頂樓的溫度降低3℃至4℃，可節(jié)約空調(diào)耗電量的20%至40%;屋頂綠化相當(dāng)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(fèi)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(shí)上，空調(diào)越多，室外溫度就越高，整個(gè)城市的溫度自然也越來(lái)越高，這就形成了惡性循環(huán)，因此有“空調(diào)是一個(gè)很差的發(fā)明”的說(shuō)法。
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