家用电器-空调制冷、制热、除霜、除湿、换新风的基本原理及实现讲解

一、空调历史

二、空调的作用

三、空调类型

四、基本原理

4.1 制冷过程

4.2 制热过程

4.3 除霜过程

4.4 除湿过程

4.5 换气过程

五、电路控制系统

六、核心部件

七、基本指标

1）气候类型

2）额定制冷量

3）能效比

八、市场

参考资料

一、空调历史

1、1902年后期，首个现代化、电力推动的空气调节系统由威利斯·开利发明。其设计与渥尔夫的设计差别在于并非只控制气温，亦控制空气的湿度以提高纽约布鲁克林一间印刷厂的制程品质。此技术提供了低温度及湿度的环境，令纸张面积及油墨的排列更准确，即发明了抽湿机。其后，开利的技术开始用于工作间以提升生产效率。

2、1924年，我国出现第一个安装中央空调的商用建筑。

1924年建成的坐落于上海延安西路164号，建筑面积3300m2的嘉道理大理石大厦（现中国福利会少年宫）中，使用了美国约克公司氨立式2缸和4缸活塞式冷水机组，这是我国第一个安装中央空调的商用建筑

3、1950年，，我国暖通空调专业开始萌芽

4、1954年，我国造出了第一台制冷机（溴化锂吸收式）

5、20世纪50年代末期，我国开始生产房间空气调节器（家用空调器）

6、1968年，美的电器成立

7、20世纪70年代，风机盘管机组的研制和生产

　　风机盘管机组是空气一水空调系统常用末端设备，70年代初，由于改革开放，旅游业的发展，宾馆客房均采用风机盘管机组供冷或供暖。我国自此开始研究和开发该产品。1972年，由于北京饭店工程的需要，在调查吸取国外产品性能的基础上，由中国建筑科学研究院空气调节研究所和北京空调器厂共同研制、北京市安装公司也同时开发了该产品，并在北京饭店客房使用，取得了较好的效果。80年代国外产品进入国内。

8、1971年，一汽生产的各种型号的红旗牌高级轿车上全部安装了空调装置，为此，当时的第一机械工业部专门拨款在一汽轿车厂建立了生产和装配压缩机的车间，在一汽散热器厂内建立了蒸发器和冷凝器生产车间，开始批量生产汽车空调装置

9、1985年，海尔生产出我国第一台分体空调器

空调内的制冷剂：最初的空调、电冰箱使用氨、氯甲烷之类的有毒气体。这类气体泄漏后会酿成重大事故。托马斯·米基利在1928年发明了氯氟碳气体（chlorofluorocarbon gas），并将其命名为氟利昂。这种制冷剂对人类安全得多，但是对大气臭氧层有害。氟利昂是杜邦公司CFC、HCFC或HFC类冷冻剂的商标，其中每一类冷冻剂名称还包括一个数字，以表示其成分的分子组成（例如R-11, R-12, R-22, R-134）。其中，在直接蒸发式适度冷却产品领域应用最广的R-22 HCFC制冷剂已于2010年起开始停用于新生产的设备中，并于2020年彻底停止使用。R-11和R-12在美国已经停产。作为替代品，一些对臭氧层无害的制冷剂已投入使用，包括商品名为“Puron”的制冷剂R-410A。

二、空调的作用

对密闭空间、房间或区域里空气的温度、湿度、洁净度及空气流动速度（简称“空气四度”）等参数进行调节。

三、空调类型

1）定频、变频（压缩机转速可调、电子膨胀阀的流量可调）

2）挂式、柜式、立式

四、基本原理

空调组成包括气路和电子控制系统。气路由蒸发器（制冷：室内机的热交换器制热：室外机的热交换器）、冷凝器（制冷：室外机的热交换器制热：室内机的热交换器）、压缩机、节流装置（热力膨胀阀/毛细管/电子膨胀阀）、四通阀、制冷剂（管路中）组成。

物理中的物态变化，蒸发和冷凝原理：

液体变为气态：蒸发吸热，在高温低压下蒸发加快

气态变为液态：液化（冷凝）放热，在低温高压下冷凝加快

4.1 制冷过程

可看做是制冷剂的在室内外的循环物态变化，并从室内环境中吸收热量，室外环境散热的过程。

当用户通过遥控器设置温度时，通过红外发射器将设置信息发射到室内机的电子控制系统的红外接收模块，依据接收的温度信息，空调电子控制系统开启制冷模式，依据安装在室内的温度传感器监测的温度反馈调节压缩机的转速和电子膨胀阀的流量大小，直到温度维持在设定的温度范围内。

制冷剂流动过程：压缩机（室外）->四通阀A->冷凝器(室外)->膨胀阀（室内）->蒸发器（室内）->四通阀A->压缩机

低温低压的气态制冷剂经过压缩机形成高温高压的气态制冷剂，该气态制冷剂经过冷凝器，通过冷凝器的散热管及轴式风扇散热冷凝为中温高压的液体制冷剂，该制冷剂通过膨胀阀形成低压低温的气液态制冷剂（由PV=nRT可知，压力下降使得温度下降。低压环境使得部分液体蒸发，为了保证进入压缩机的制冷剂为气态以不损坏压缩机，电子控制系统反馈调节膨胀阀的压力下降程度（流量大小）使得液态制冷剂在到达压缩机前能完全转换为气态），该低压低温的气液态制冷剂流过室内的蒸发器（进一步的吸热气化，实际上，膨胀阀和蒸发器安装在室内机）吸收室内环境热量，从而起到控制室内环境温度的作用。进一步的该低压低温的气态制冷剂再次经过压缩机进入下一步的循环。

在该制冷过程中，蒸发器（内部低温低压气态制冷剂，绝大部分为气态）金属面为低温，室内的高温空气接触后凝结成水滴，因此室内机有一根出水管专门用于排出冷凝水。

4.2 制热过程

可看做是制冷剂的在室内外的循环物态变化，并从室外环境中吸收热量，室内环境散热的过程。

制冷剂流动过程：压缩机（室外）->四通阀A->冷凝器(原先室内蒸发器)->膨胀阀（室内）->蒸发器（原先室外冷凝器）->四通阀A->压缩机

压缩机形成的高温高压的气态制冷剂，通过四通阀换向，进入室内的冷凝器（原先室内蒸发器），从而向室内散热并冷凝成液体的制冷剂（中温高压），该制冷剂经过膨胀阀降压形成低温低压的气态制冷剂，流经室外的蒸发器吸收室外环境的热量，进一步该气体制冷剂通过四通阀流经压缩机，再次压缩形成高温高压的气态制冷剂，进入下一个循环状态。

4.3 除霜过程

在空调制热过程中，当室外环境很低时，室外的蒸发器温度要比室外环境温度更低，当低于零度时，室外空气中的水分凝结附着在蒸发器金属表面，形成一层霜，影响了空调制热效果，因此开启除霜模式。

在除霜模式中：

通过间歇的切换到制冷过程，从而将室外的蒸发器变为冷凝器，从而通过散热方式除霜。
将室内的散热通道开通分支通道，将一部分热量通向室外机从而除霜。
辅助电加热，

4.4 除湿过程

制冷->制热-（室内空气水分凝结排出到室外，并控制室内温度维持原先温度）

将室内空气中的水分凝结并排到室外，从而降低室内的湿度。在制冷的过程中，室内温度下降，低温度下气体的水分子载量降低，在蒸发器上凝结的水滴通过管道排到室外，进一步的将室内温度再制热到原先的温度。

4.5 换气过程

额外增加通气管道、风机、滤芯、止逆阀等，在换气模式开启时源源不断的将室外空气抽进室内。

五、电路控制系统

控制系统包含：室内机显示单元、遥控发射接收单元、室内机贯流风扇控制系统、室内摆风单元、室内温度监测单元、压缩机控制子系统、电子膨胀阀控制系统、冷凝器或蒸发器温度监测单元、室外机轴式风扇控制系统、电源电路单元、室内外通信单元。

其中的各电路模块划分为：

驱动电路：电磁阀驱动电路（四通阀）、风机驱动电路（贯流风扇电机驱动（多档风速控制）、摆风电机驱动（左右、上下）、轴式风扇电机驱动、步进电机驱动控制电子膨胀阀的流量大小）、压缩机驱动电路（220v交流供电/380V，开关控制通过弱电控制强电（继电器）、输入PWM信号实现变频控制压缩机的转速）、电加热驱动电路、蜂鸣器驱动电路、显示驱动电路

检测电路：温度检测（NTC—压缩机排气温度、冷凝器温度、室外温度、室内温度、蒸发器温度）、压力检测（压力开关）、电压电流检测（检流线圈-电流互感器）、过零检测电路（检测电源过零点，使得控制光耦可控硅）、霍尔传感器检测电路

保护电路：热保护继电器、熔断温度保护、过电压保护（当电压过高时压敏电阻的阻值降低，相当于短路，熔断保险丝（正常测试两端阻值为0欧姆））、压缩机的交流接触器保护（当空调的功率很大（5000W以上）时，压缩机一般接380V电压（三相电），此时需要空气开关的热过载保护）

电源电路：5V、12V等直流电压转换、220V交流（压缩机、室内贯流电机（PG电机）、室外轴式电机）

相关电路部件：

稳压模块：7805或7812，使用在直流电压的稳压电路中，在电网电压变化时保持直流电压的稳定

CPU：8位单片机（数据总线宽度为8位，单片机CPU的寄存器位数为8位，即CPU可以一次操作8位数据） 5M时钟频率、512字节的RAM、24Kb的ROM例如：PD78F9189芯片