国内组合式空调机组专利现状与趋势分析

中国电子工程设计院有限公司 魏 兰 徐晓丽

组合式空调机组被广泛应用于电子、医药、汽车、烟草、化工、纺织等行业，但在使用过程中出现了一些问题，如机组漏水、表冷器冻裂、过滤器阻力大更换频繁、机组能耗大、机组调控响应速度慢等。为了解决上述问题，国内设备厂家、科研院所等单位开展研究，并申请了许多专利技术。本文对国内组合式空调机组专利申请现状进行分析，侧重组合式空调机组专利申请趋势、技术特点及创新点，为组合式空调机组发展提供参考。

1 组合式空调机组专利申请趋势

图1显示了2008年至2019年国内组合式空调机组专利申请情况，其中发明专利43项，实用新型专利77项，共计120项。专利申请总体上呈现增长态势，从2010年到2012年，组合式空调机组发明专利及实用新型专利申请量开始增长，主要是因为2008年国家颁布《国家知识产权战略纲要》，后又陆续出台《专利法》《反不正当竞争法》等法律法规，为企业知识产权权益的保护提供了法律依据；此外，知识产权在企业发展中的重要性日益凸显，是企业参与市场竞争的重要手段，所以企业重视知识产权保护。2013年，组合式空调机组专利申请呈现下降趋势，但从2014年开始，申请量迅速增长，到2017年总申请量达到峰值，该时期为快速发展期，年增长率达到34%。从2018年开始，组合式空调机组专利申请呈缓慢降低态势，主要集中在实用新型专利申请，发明专利申请几乎为零，组合式空调机组专利技术逐渐进入成熟期。

图1 2008—2019年组合式空调机组技术发明和实用新型专利申请趋势

2 组合式空调机组专利主要申请地区对比

表1为2008年至2019年国内不同地区组合式空调机组专利申请情况。可以看出，申请量排名前五的省市分别为广东省、江苏省、陕西省、山东省、北京市，广东省、江苏省、陕西省、山东省都是制造业大省，同时也聚集了许多机组生产厂家和科研院所，而北京市则是机组科技创新企业的聚集地，所以更重视对组合式空调机组技术的专利保护。

从技术申请情况看，主要涉及机组结构、机组控制、过滤、表冷器、加热器、加湿、温湿度独立调节等方面，其中关于机组结构专利申请量最多，为54个；其次是表冷器、过滤、机组控制专利技术。

3 专利技术及创新点分析

3.1 机组结构(见表2)

表1 2008—2019年不同地区组合式空调机组技术专利申请情况

表2 组合式空调机组关于机组结构专利技术对比与创新点分析

从表2可以看出，机组结构专利主要集中在功能段、箱体结构、机组排水、安全门等方面，其中关于机组功能段的专利申请量最多，其次是箱体结构、机组排水。

机组功能段的专利技术提供了不同行业因环境要求不同所需的机组功能段组合模式，例如电子行业，机组内需设置新风段、过滤段(至少粗、中、高效三级过滤)、预冷段、表冷段、加湿段、加热段、化学过滤段、消声段和送风机段，对环境温湿度、洁净度、化学污染物进行控制。医药行业，由于对微生物菌落数、温湿度要求严格，机组内需设置杀菌净化段及过滤、表冷、加湿、加热段和送风机段等功能段。与电子、医药行业不同，烟草行业对相对湿度要求严格，回风量较大且回风管道较长，所以机组内需设置回风机段、排风段、新回风混合段、表冷段、加热段、加湿段(二级加湿)、送风机段。

对组合式空调机组而言，保温面板边角、骨架、箱体框架等处最容易产生冷桥，相应的专利技术可解决机组在使用过程中空调箱框架及箱体板上产生冷凝水和冷量损失问题；同时，通过对箱体结构的模块化及组装方法研究，使得机组安装、拆卸、维护都方便快捷，投资、维护费用都大大降低。

机组底部结构、不同形式接水盘及水位报警等专利技术可解决机组内冷凝水无法排尽从而导致机组漏水和细菌滋生的问题；机组检修门在安全装置及连锁控制方面的专利技术可解决人员检修机组时的安全隐患。机组防雨罩、风室泄压装置、挡水板及风机均流罩方面的专利技术可简化机组室外防雨施设，减少成本和减少占地；解决机组内冷风快速通过挡水板时汽水分离不彻底问题；避免正负压室超压，泄压压力值容易准确调节，提高了系统安全性；避免出风口压力过大、四周压力小、出风不均匀的现象。

虽然在机组结构方面有很多专利，机组结构技术也获得了较大发展，但是目前机组一般承压都在2 kPa以内，对于功能段较多的机组，需要承压能力更高，这方面还有待进一步研究。

3.2 表冷器(见表3)

表3 组合式空调机组关于表冷器专利技术与创新点分析

从表3可以看出，表冷器专利技术主要集中在表冷器防冻、直接蒸发冷却、机械制冷与直接蒸发冷却、多级降温4个方面。

通过对表冷器设置各类加热元件及在表冷器前设置温度传感器，实现机组风机、表冷器及加热元件的连锁控制，解决环境温度过低时表冷器铜管内残留的水分结冰而冻裂盘管的问题。将表冷器与喷淋、预冷等功能段相结合，可解决一级表冷器降温除湿深度不够的问题，同时还可以提高制冷效率，降低机组能耗。将机械制冷与直接蒸发冷却技术相结合，不仅可以改善机械制冷在节能环保方面的不足，也可解决蒸发冷却应用受室外气象条件影响(干湿球温差影响)的问题，可以使机组充分利用室外自然冷源，尽可能减少机械制冷的运行时间，机组能耗大大降低。

3.3 过滤(见表4)

表4 组合式空调机组关于过滤专利技术对比与创新点分析

从表4可以看出，过滤专利技术主要集中在化学过滤、集尘器、自动清洗过滤、过滤装置结构4个方面，其中，关于化学过滤申请量最多。

化学过滤器通常与风机的过滤机组配合使用，用于控制生产车间内空气的洁净度和化学污染物含量，但是目前的化学过滤机组通常安装在车间的吊顶上，同时还要满足室内噪声的要求，所以一般只能提供90 Pa左右的机外余压，在克服系统中干表冷段和高架地板阻力后，提供给化学过滤器的压头很小，限制了化学过滤器中吸附剂层的厚度，导致化学过滤器使用寿命很短，待吸附剂层饱和后需频繁更换，缩短风机过滤机组的连续工作时间，不利于车间连续生产。化学过滤方面的专利技术可延长其使用寿命，进而提高空气处理机组的连续工作时间。但是，化学过滤器对进口段空气相对湿度要求严格，一般要求相对湿度<60%，相对湿度较大影响化学过滤效果，此问题仍待解决。

集尘器方面的专利技术则可解决除霾机组运行时，过滤器材上容易沉积空气中大量的微小颗粒，导致过滤效果随着运行时间的推移不断衰减的问题。组合式空调机组内部空气湿度大，加之除尘量大，粉尘容易粘结在过滤器上，而传统的清洗方法存在较多弊端，如浪费水、维护费用高、清洗效率低。自动清洗过滤方面的专利技术可以有效控制用水量，降低维护费用，提高清洗效率，实现过滤器清洗的自动化与智能化。过滤装置结构方面的专利技术可任意更换某块滤块而不必移动其他滤块，减少了粗效过滤器的维护工作且降低了劳动强度。但是，目前的过滤器仍然存在着一些问题，如过滤效率越高，过滤阻力越大，机组能耗越大，在过滤器的高效率、低阻力方面应进一步加强技术研究。

3.4 机组控制

机组控制方面的专利技术主要涉及控制系统和控制策略，申请量分别为6项和2项。机组控制系统包括采集、控制、显示系统及云服务平台。采集系统采集环境数据(温度、湿度、洁净度、压差)，控制系统对风阀、阀门组件、风机电动机等进行控制；云服务平台进行环境数据接收、分析、计算及计算结果指令的发送，显示装置与云服务平台连接，使机组能根据使用环境的变化，利用云服务器计算和分析，动态实时调节新回风比例、阀门开度、风机转速等，从而实现高精度控制。控制系统方面的专利技术可解决用户只能在现场通过控制板查询并设定机组的控制参数，而无法对机组进行远程监控的问题。此外，通过远程服务器用户可以获取机组的历史运行数据并进行运行状态分析。

机组控制策略方面的专利技术是通过对比室内与回风状态参数计算得出送风状态参数，对比送风与混风状态参数，控制机组相应调节装置，空气温湿度状态参数通过2个PID回路进行分析计算，调节控制风阀、表冷阀、加湿阀等，通过对送风温湿度的监控分析使得机组以最快的响应速度满足生产环境对温湿度的要求。控制策略方面的专利技术解决了目前机组对室内温湿度的控制主要通过初始设计值进行设定，不适应在复杂工况下实时调节的问题。

虽然优化机组控制使机组能耗降低，但是影响机组能耗的关键性指标还需探究，通过控制关键性指标使得机组快速响应，以及如何进行机组的能耗评价都仍需进一步研究。

3.5 其他

组合式空调机组关于温湿度独立调节、冷热源、热回收、加热器、加湿、杀菌消毒6个方面的专利技术特点及创新点见表5。

表5 组合式空调机组关于其他专利技术布局对比与创新点分析

新风、回风单独进行温湿度独立调节的专利技术，可解决目前机组新回风混合后集中处理再热耗能的问题；机组冷热源专利技术可解决室外温度过高时冷源制冷效率下降和利用冷凝热制取生活热水的问题，同时利用太阳能与土壤源结合冬夏季都可为机组提供冷热源。目前，机组的冷热源一般来自动力中心，但对于一些改造项目，原有的冷热源能量不足或者没有，则无法进行改造应用，这方面还需进一步研究。

热回收专利技术可解决目前机组排风热能的回收换热效率低(通常采用转轮式、板翅式)，排风和新风之间有渗透或接触对新风造成污染的问题；还可以在实现全热回收的同时减少设备的占用空间和制造成本。加热器专利技术可解决新风机组不适用于-5 ℃以下的环境，在低温下加热器易被冻裂的问题，同时通过对电加热器模块化结构优化，使得结构装配便捷，节省材料，通用性强。

加湿专利技术可解决纺织厂专用空调能耗高、占地大、投资高的问题；杀菌消毒专利技术可解决机组底部积水时容易滋生细菌等存在着严重的内部菌尘污染，影响空气品质，仅靠空气过滤的方法难于清除细菌的危害问题。

4 组合式空调机组技术发展趋势分析

近年来，组合式空调机组的专利技术促进了组合式空调机组的发展，但是尚有一些问题待解决，未来可以在以下方面进行改进或提高：

1) 对化学过滤器性能改进。化学过滤器常用活性炭作为吸附剂，为了保证活性炭吸附效果，需要控制化学过滤器进口段相对湿度<60%，所以在电子行业一般采用两级加湿设备(喷淋+电加湿)，会增加空调机组的长度和设备投资。可以对化学过滤器吸附材料进行改性，采用高锰酸盐、磷酸、柠檬酸、硫酸钠、碳酸盐、氢氧化物等浸渍剂对活性炭及活性氧化铝等基本材料表面进行处理，开发适应高湿环境的化学过滤器。

2) 研发高效过滤器。组合式空调机组内过滤器滤料一般为化纤、玻纤或者聚酯纤维，使用寿命短、过滤阻力大，且有的过滤器没法重复性使用，造成能源浪费。应开发高效低阻、使用寿命长且结合智能清洗控制系统的高效过滤器。

3) 目前欧美等国家采用ISO 16890标准对一般通风过滤器进行试验，而国内一般通风过滤器的传统试验方法不太实用，所以许多过滤器厂家及第三方实验室也在使用ISO 16890。根据ISO 16890标准新的分级(粗效、ePM10、ePM2.5、ePM1)及试验方法，开发组合式空调机组一般通风过滤器标准化设计选型及机组内模块化过滤段结构，将有市场前景。

4) 用于颗粒物、化学气体浓度要求较高场所的空调机组，需设置多功能段，从而导致机组静压非常高(一般为2.0～2.5 kPa)，而常规机组箱体结构是先形成外部框架，再将保温面板嵌入到框架中，框架和箱板之间存在间隙会漏风结露，其结构强度小、承压低，无法满足使用要求。开发承压能力高、无框架箱板结构，如在结构铝型材上插装隔热型材，研制形成一体化铝塑型材，会提升箱体的强度、密封和隔热性能。

5) 研究影响机组能耗的关键性指标及综合评价方法，制定组合式空调机组的优化控制策略。

6) 工业厂房中组合式空调机组冷热源一般来自动力中心，但对于一些改造项目或者没有集中冷热源的场合，机电一体化组合式空调机组优势明显，应开发利用。