知識點心：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(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、古埃及和古希臘等文化發(fā)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(guān)”風(fēng)輪把冰塊融化的涼風(fēng)徐徐送出，就有點兒人工空調(diào)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(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械傳動的制冷設(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，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(fù)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(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(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(dāng)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(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)?！边@種水亭，利用機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)都有專職官吏負責(zé)采集天然冰塊，貯存于“冰井”之中，炎夏時節(jié)取出，以供皇家和貴族使用。這一傳統(tǒng)歷史悠久，《詩經(jīng)》中即有記載，是我國一傳統(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(shè)立納涼露臺，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，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。1755年愛丁堡的化學(xué)教授庫侖利用乙醚蒸發(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)中膨脹制冷的英國專利申請。1844年美國人戈里發(fā)明了空氣制冷機。
空調(diào)最初服務(wù)對象僅限于機器
1902年，美國人威利斯·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”為名申請了專利，也因此被后人稱為“空調(diào)之父”。
開利博士這個重要的發(fā)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(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，后來體現(xiàn)為“濕空氣焓濕圖”，這就是現(xiàn)在所有空調(diào)計算的基礎(chǔ)。在空調(diào)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(diào)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(diào)機在空調(diào)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(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)向為人服務(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，開利博士的團隊負責(zé)了整個空調(diào)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試工作。這個改善生活條件的偉大發(fā)明本來應(yīng)有很好的市場，可惜時運不濟，經(jīng)濟大蕭條和第二次世界大戰(zhàn)接踵而至，讓人們無暇關(guān)注生活條件這些小小細節(jié)。直到20世紀50年代美國經(jīng)濟開始復(fù)蘇，家用空調(diào)才真正走進家庭。
空調(diào)無疑是能耗大戶，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60年代，擅長能源精細管理的日本研制出了燃氣空調(diào)。和電力空調(diào)相比，燃氣空調(diào)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(diào)可以減輕電力系統(tǒng)夏季負荷壓力。日本用了10年的時間大力推廣燃氣空調(diào)，到20世紀70年代時，日本中央空調(diào)85%使用燃氣。韓國在研究了日本的經(jīng)驗后也開始推廣燃氣空調(diào)，現(xiàn)在韓國的燃氣空調(diào)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(diào)關(guān)鍵技術(shù)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(diào)得到快速發(fā)展。新式太陽能空調(diào)主要分為兩派：一派是先實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，再用電力驅(qū)動常規(guī)壓縮式制冷機進行制冷;另一派是利用太陽的熱能驅(qū)動進行制冷。經(jīng)過反復(fù)較量，后一種制冷方式逐漸占了上風(fēng)，現(xiàn)在正得到越來越廣泛的應(yīng)用。
制冷劑氟利昂的百年之爭
幾年前，寶馬和奔馳發(fā)生了一場汽車空調(diào)制冷劑之爭。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，因為奔馳發(fā)現(xiàn)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(tài)度?其實關(guān)于空調(diào)制冷劑的爭論已經(jīng)持續(xù)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(huán)技術(shù)，這算是開啟了人類制冷技術(shù)的大門，當(dāng)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(xué)習(xí)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(yè)務(wù)范圍進行了改進，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。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)，這時他已經(jīng)將近70歲。
帕金斯當(dāng)時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(guān)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(shù)的限制，二氧化碳的特性并沒能被充分挖掘出來。總體來看，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(diào)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(zhì)，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(yīng)用在第一臺離心式壓縮機中循環(huán)的制冷劑。
20世紀初，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，美國梅蘭大廈第一個“吃了螃蟹”。而第一輛裝有空調(diào)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(diào)系統(tǒng)。當(dāng)時，它被廣泛應(yīng)用于家用冰箱等低溫儲藏設(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)泄漏到空氣中會釋放破壞大氣臭氧層的氯，就在同時，人們還發(fā)現(xiàn)在南極上空出現(xiàn)了臭氧層空洞，這無疑會加劇溫室效應(yīng)的程度。有關(guān)氟利昂的一些負面聲音開始涌現(xiàn)，進而引發(fā)了整個社會對于氟利昂的關(guān)注。
新一代制冷劑側(cè)重點放在環(huán)保方面，在確保制冷劑效果的同時，還要盡可能避免其對環(huán)境的危害。于是，為了適應(yīng)未來發(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，它基本以兩個數(shù)值作參考，一個是評估臭氧層損耗物質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》對新型制冷劑的研發(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)會對環(huán)境造成不良影響。
在第四代制冷劑的探索階段，發(fā)達國家仍是主力，包括中國在內(nèi)的一些發(fā)展中國家也投入了相應(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，在美國紐約市場上出現(xiàn)了第一臺汽車空調(diào)裝置，當(dāng)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(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，美國帕卡德公司第一次將機械制冷用于車用空調(diào)，為世界汽車空調(diào)市場開辟了發(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(diào)降溫就不能讓汽車熄火，但引擎空轉(zhuǎn)又帶來了油耗增高、廢氣排放等問題。
低壓直流電驅(qū)動空調(diào)和高壓變頻電驅(qū)動空調(diào)，打破了傳統(tǒng)空調(diào)的運行規(guī)則，通過發(fā)電機、蓄電池組和空調(diào)機組實現(xiàn)行車、停車熄火狀態(tài)下可不間斷運行。新型空調(diào)讓汽車節(jié)油15%以上，蓄電池組可放電驅(qū)動車載空調(diào)壓縮機運行，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：未來戰(zhàn)士或穿“空調(diào)衣”
士兵作戰(zhàn)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(zhàn)斗力。經(jīng)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(huán)境下的戰(zhàn)斗力呢?
由美國陸軍士兵系統(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(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(fēng)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(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)”，是按照哺乳動物的體溫調(diào)節(jié)規(guī)律開發(fā)出來的。該系統(tǒng)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(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。
實驗表明，“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，戰(zhàn)士們穿著這樣一雙鞋會有“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，英國倫敦市開通了世界上最早的城市地鐵系統(tǒng)“大都會地區(qū)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(dāng)天仍然有4萬名乘客興致勃勃地搭乘這條線路。當(dāng)時地鐵使用的是通風(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營。
空調(diào)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(diào)的涼爽。
我國第一條使用空調(diào)的地鐵線路是上海地鐵一號線，由于當(dāng)?shù)叵募練夂虮容^炎熱，1993年通車的上海地鐵一號線從設(shè)計之初就考慮了空調(diào)的使用。我國第一條地鐵線路北京地鐵一號線在建設(shè)之初并沒有考慮使用空調(diào)，2004年北京地鐵“消隱改造”時，一號線和二號線一起加裝空調(diào)系統(tǒng)，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(xù)更換空調(diào)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(shè)計時即有空調(diào)系統(tǒng)的地鐵線路，此后的地鐵新線設(shè)計都包含了空調(diào)系統(tǒng)。
大千世界歐洲人為何少用空調(diào)
德國人幾乎不在家里安裝空調(diào)，甚至很少會買電風(fēng)扇。走在法國的大街小巷，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(diào)呢?
首先是建筑節(jié)能，歐洲的節(jié)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(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(diào)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(huán)，因此有“空調(diào)是一個很差的發(fā)明”的說法。
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