國內(nèi)組合式空調(diào)機組專利現(xiàn)狀與趨勢分析

中國電子工程設(shè)計院有限公司 魏 蘭 徐曉麗

組合式空調(diào)機組被廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)藥、汽車、煙草、化工、紡織等行業(yè)，但在使用過程中出現(xiàn)了一些問題，如機組漏水、表冷器凍裂、過濾器阻力大更換頻繁、機組能耗大、機組調(diào)控響應(yīng)速度慢等。為了解決上述問題，國內(nèi)設(shè)備廠家、科研院所等單位開展研究，并申請了許多專利技術(shù)。本文對國內(nèi)組合式空調(diào)機組專利申請現(xiàn)狀進行分析，側(cè)重組合式空調(diào)機組專利申請趨勢、技術(shù)特點及創(chuàng)新點，為組合式空調(diào)機組發(fā)展提供參考。

1 組合式空調(diào)機組專利申請趨勢

圖1顯示了2008年至2019年國內(nèi)組合式空調(diào)機組專利申請情況，其中發(fā)明專利43項，實用新型專利77項，共計120項。專利申請總體上呈現(xiàn)增長態(tài)勢，從2010年到2012年，組合式空調(diào)機組發(fā)明專利及實用新型專利申請量開始增長，主要是因為2008年國家頒布《國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略綱要》，后又陸續(xù)出臺《專利法》《反不正當(dāng)競爭法》等法律法規(guī)，為企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)權(quán)益的保護提供了法律依據(jù)；此外，知識產(chǎn)權(quán)在企業(yè)發(fā)展中的重要性日益凸顯，是企業(yè)參與市場競爭的重要手段，所以企業(yè)重視知識產(chǎn)權(quán)保護。2013年，組合式空調(diào)機組專利申請呈現(xiàn)下降趨勢，但從2014年開始，申請量迅速增長，到2017年總申請量達到峰值，該時期為快速發(fā)展期，年增長率達到34%。從2018年開始，組合式空調(diào)機組專利申請呈緩慢降低態(tài)勢，主要集中在實用新型專利申請，發(fā)明專利申請幾乎為零，組合式空調(diào)機組專利技術(shù)逐漸進入成熟期。

圖1 2008—2019年組合式空調(diào)機組技術(shù)發(fā)明和實用新型專利申請趨勢

2 組合式空調(diào)機組專利主要申請地區(qū)對比

表1為2008年至2019年國內(nèi)不同地區(qū)組合式空調(diào)機組專利申請情況?？梢钥闯?，申請量排名前五的省市分別為廣東省、江蘇省、陜西省、山東省、北京市，廣東省、江蘇省、陜西省、山東省都是制造業(yè)大省，同時也聚集了許多機組生產(chǎn)廠家和科研院所，而北京市則是機組科技創(chuàng)新企業(yè)的聚集地，所以更重視對組合式空調(diào)機組技術(shù)的專利保護。

從技術(shù)申請情況看，主要涉及機組結(jié)構(gòu)、機組控制、過濾、表冷器、加熱器、加濕、溫濕度獨立調(diào)節(jié)等方面，其中關(guān)于機組結(jié)構(gòu)專利申請量最多，為54個；其次是表冷器、過濾、機組控制專利技術(shù)。

3 專利技術(shù)及創(chuàng)新點分析

3.1 機組結(jié)構(gòu)(見表2)

表1 2008—2019年不同地區(qū)組合式空調(diào)機組技術(shù)專利申請情況

表2 組合式空調(diào)機組關(guān)于機組結(jié)構(gòu)專利技術(shù)對比與創(chuàng)新點分析

從表2可以看出，機組結(jié)構(gòu)專利主要集中在功能段、箱體結(jié)構(gòu)、機組排水、安全門等方面，其中關(guān)于機組功能段的專利申請量最多，其次是箱體結(jié)構(gòu)、機組排水。

機組功能段的專利技術(shù)提供了不同行業(yè)因環(huán)境要求不同所需的機組功能段組合模式，例如電子行業(yè)，機組內(nèi)需設(shè)置新風(fēng)段、過濾段(至少粗、中、高效三級過濾)、預(yù)冷段、表冷段、加濕段、加熱段、化學(xué)過濾段、消聲段和送風(fēng)機段，對環(huán)境溫濕度、潔凈度、化學(xué)污染物進行控制。醫(yī)藥行業(yè)，由于對微生物菌落數(shù)、溫濕度要求嚴(yán)格，機組內(nèi)需設(shè)置殺菌凈化段及過濾、表冷、加濕、加熱段和送風(fēng)機段等功能段。與電子、醫(yī)藥行業(yè)不同，煙草行業(yè)對相對濕度要求嚴(yán)格，回風(fēng)量較大且回風(fēng)管道較長，所以機組內(nèi)需設(shè)置回風(fēng)機段、排風(fēng)段、新回風(fēng)混合段、表冷段、加熱段、加濕段(二級加濕)、送風(fēng)機段。

對組合式空調(diào)機組而言，保溫面板邊角、骨架、箱體框架等處最容易產(chǎn)生冷橋，相應(yīng)的專利技術(shù)可解決機組在使用過程中空調(diào)箱框架及箱體板上產(chǎn)生冷凝水和冷量損失問題；同時，通過對箱體結(jié)構(gòu)的模塊化及組裝方法研究，使得機組安裝、拆卸、維護都方便快捷，投資、維護費用都大大降低。

機組底部結(jié)構(gòu)、不同形式接水盤及水位報警等專利技術(shù)可解決機組內(nèi)冷凝水無法排盡從而導(dǎo)致機組漏水和細菌滋生的問題；機組檢修門在安全裝置及連鎖控制方面的專利技術(shù)可解決人員檢修機組時的安全隱患。機組防雨罩、風(fēng)室泄壓裝置、擋水板及風(fēng)機均流罩方面的專利技術(shù)可簡化機組室外防雨施設(shè)，減少成本和減少占地；解決機組內(nèi)冷風(fēng)快速通過擋水板時汽水分離不徹底問題；避免正負壓室超壓，泄壓壓力值容易準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)安全性；避免出風(fēng)口壓力過大、四周壓力小、出風(fēng)不均勻的現(xiàn)象。

雖然在機組結(jié)構(gòu)方面有很多專利，機組結(jié)構(gòu)技術(shù)也獲得了較大發(fā)展，但是目前機組一般承壓都在2 kPa以內(nèi)，對于功能段較多的機組，需要承壓能力更高，這方面還有待進一步研究。

3.2 表冷器(見表3)

表3 組合式空調(diào)機組關(guān)于表冷器專利技術(shù)與創(chuàng)新點分析

從表3可以看出，表冷器專利技術(shù)主要集中在表冷器防凍、直接蒸發(fā)冷卻、機械制冷與直接蒸發(fā)冷卻、多級降溫4個方面。

通過對表冷器設(shè)置各類加熱元件及在表冷器前設(shè)置溫度傳感器，實現(xiàn)機組風(fēng)機、表冷器及加熱元件的連鎖控制，解決環(huán)境溫度過低時表冷器銅管內(nèi)殘留的水分結(jié)冰而凍裂盤管的問題。將表冷器與噴淋、預(yù)冷等功能段相結(jié)合，可解決一級表冷器降溫除濕深度不夠的問題，同時還可以提高制冷效率，降低機組能耗。將機械制冷與直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結(jié)合，不僅可以改善機械制冷在節(jié)能環(huán)保方面的不足，也可解決蒸發(fā)冷卻應(yīng)用受室外氣象條件影響(干濕球溫差影響)的問題，可以使機組充分利用室外自然冷源，盡可能減少機械制冷的運行時間，機組能耗大大降低。

3.3 過濾(見表4)

表4 組合式空調(diào)機組關(guān)于過濾專利技術(shù)對比與創(chuàng)新點分析

從表4可以看出，過濾專利技術(shù)主要集中在化學(xué)過濾、集塵器、自動清洗過濾、過濾裝置結(jié)構(gòu)4個方面，其中，關(guān)于化學(xué)過濾申請量最多。

化學(xué)過濾器通常與風(fēng)機的過濾機組配合使用，用于控制生產(chǎn)車間內(nèi)空氣的潔凈度和化學(xué)污染物含量，但是目前的化學(xué)過濾機組通常安裝在車間的吊頂上，同時還要滿足室內(nèi)噪聲的要求，所以一般只能提供90 Pa左右的機外余壓，在克服系統(tǒng)中干表冷段和高架地板阻力后，提供給化學(xué)過濾器的壓頭很小，限制了化學(xué)過濾器中吸附劑層的厚度，導(dǎo)致化學(xué)過濾器使用壽命很短，待吸附劑層飽和后需頻繁更換，縮短風(fēng)機過濾機組的連續(xù)工作時間，不利于車間連續(xù)生產(chǎn)?；瘜W(xué)過濾方面的專利技術(shù)可延長其使用壽命，進而提高空氣處理機組的連續(xù)工作時間。但是，化學(xué)過濾器對進口段空氣相對濕度要求嚴(yán)格，一般要求相對濕度<60%，相對濕度較大影響化學(xué)過濾效果，此問題仍待解決。

集塵器方面的專利技術(shù)則可解決除霾機組運行時，過濾器材上容易沉積空氣中大量的微小顆粒，導(dǎo)致過濾效果隨著運行時間的推移不斷衰減的問題。組合式空調(diào)機組內(nèi)部空氣濕度大，加之除塵量大，粉塵容易粘結(jié)在過濾器上，而傳統(tǒng)的清洗方法存在較多弊端，如浪費水、維護費用高、清洗效率低。自動清洗過濾方面的專利技術(shù)可以有效控制用水量，降低維護費用，提高清洗效率，實現(xiàn)過濾器清洗的自動化與智能化。過濾裝置結(jié)構(gòu)方面的專利技術(shù)可任意更換某塊濾塊而不必移動其他濾塊，減少了粗效過濾器的維護工作且降低了勞動強度。但是，目前的過濾器仍然存在著一些問題，如過濾效率越高，過濾阻力越大，機組能耗越大，在過濾器的高效率、低阻力方面應(yīng)進一步加強技術(shù)研究。

3.4 機組控制

機組控制方面的專利技術(shù)主要涉及控制系統(tǒng)和控制策略，申請量分別為6項和2項。機組控制系統(tǒng)包括采集、控制、顯示系統(tǒng)及云服務(wù)平臺。采集系統(tǒng)采集環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、濕度、潔凈度、壓差)，控制系統(tǒng)對風(fēng)閥、閥門組件、風(fēng)機電動機等進行控制；云服務(wù)平臺進行環(huán)境數(shù)據(jù)接收、分析、計算及計算結(jié)果指令的發(fā)送，顯示裝置與云服務(wù)平臺連接，使機組能根據(jù)使用環(huán)境的變化，利用云服務(wù)器計算和分析，動態(tài)實時調(diào)節(jié)新回風(fēng)比例、閥門開度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速等，從而實現(xiàn)高精度控制?？刂葡到y(tǒng)方面的專利技術(shù)可解決用戶只能在現(xiàn)場通過控制板查詢并設(shè)定機組的控制參數(shù)，而無法對機組進行遠程監(jiān)控的問題。此外，通過遠程服務(wù)器用戶可以獲取機組的歷史運行數(shù)據(jù)并進行運行狀態(tài)分析。

機組控制策略方面的專利技術(shù)是通過對比室內(nèi)與回風(fēng)狀態(tài)參數(shù)計算得出送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，對比送風(fēng)與混風(fēng)狀態(tài)參數(shù)，控制機組相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置，空氣溫濕度狀態(tài)參數(shù)通過2個PID回路進行分析計算，調(diào)節(jié)控制風(fēng)閥、表冷閥、加濕閥等，通過對送風(fēng)溫濕度的監(jiān)控分析使得機組以最快的響應(yīng)速度滿足生產(chǎn)環(huán)境對溫濕度的要求?？刂撇呗苑矫娴膶＠夹g(shù)解決了目前機組對室內(nèi)溫濕度的控制主要通過初始設(shè)計值進行設(shè)定，不適應(yīng)在復(fù)雜工況下實時調(diào)節(jié)的問題。

雖然優(yōu)化機組控制使機組能耗降低，但是影響機組能耗的關(guān)鍵性指標(biāo)還需探究，通過控制關(guān)鍵性指標(biāo)使得機組快速響應(yīng)，以及如何進行機組的能耗評價都仍需進一步研究。

3.5 其他

組合式空調(diào)機組關(guān)于溫濕度獨立調(diào)節(jié)、冷熱源、熱回收、加熱器、加濕、殺菌消毒6個方面的專利技術(shù)特點及創(chuàng)新點見表5。

表5 組合式空調(diào)機組關(guān)于其他專利技術(shù)布局對比與創(chuàng)新點分析

新風(fēng)、回風(fēng)單獨進行溫濕度獨立調(diào)節(jié)的專利技術(shù)，可解決目前機組新回風(fēng)混合后集中處理再熱耗能的問題；機組冷熱源專利技術(shù)可解決室外溫度過高時冷源制冷效率下降和利用冷凝熱制取生活熱水的問題，同時利用太陽能與土壤源結(jié)合冬夏季都可為機組提供冷熱源。目前，機組的冷熱源一般來自動力中心，但對于一些改造項目，原有的冷熱源能量不足或者沒有，則無法進行改造應(yīng)用，這方面還需進一步研究。

熱回收專利技術(shù)可解決目前機組排風(fēng)熱能的回收換熱效率低(通常采用轉(zhuǎn)輪式、板翅式)，排風(fēng)和新風(fēng)之間有滲透或接觸對新風(fēng)造成污染的問題；還可以在實現(xiàn)全熱回收的同時減少設(shè)備的占用空間和制造成本。加熱器專利技術(shù)可解決新風(fēng)機組不適用于-5 ℃以下的環(huán)境，在低溫下加熱器易被凍裂的問題，同時通過對電加熱器模塊化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)裝配便捷，節(jié)省材料，通用性強。

加濕專利技術(shù)可解決紡織廠專用空調(diào)能耗高、占地大、投資高的問題；殺菌消毒專利技術(shù)可解決機組底部積水時容易滋生細菌等存在著嚴(yán)重的內(nèi)部菌塵污染，影響空氣品質(zhì)，僅靠空氣過濾的方法難于清除細菌的危害問題。

4 組合式空調(diào)機組技術(shù)發(fā)展趨勢分析

近年來，組合式空調(diào)機組的專利技術(shù)促進了組合式空調(diào)機組的發(fā)展，但是尚有一些問題待解決，未來可以在以下方面進行改進或提高：

1) 對化學(xué)過濾器性能改進?；瘜W(xué)過濾器常用活性炭作為吸附劑，為了保證活性炭吸附效果，需要控制化學(xué)過濾器進口段相對濕度<60%，所以在電子行業(yè)一般采用兩級加濕設(shè)備(噴淋+電加濕)，會增加空調(diào)機組的長度和設(shè)備投資?？梢詫瘜W(xué)過濾器吸附材料進行改性，采用高錳酸鹽、磷酸、檸檬酸、硫酸鈉、碳酸鹽、氫氧化物等浸漬劑對活性炭及活性氧化鋁等基本材料表面進行處理，開發(fā)適應(yīng)高濕環(huán)境的化學(xué)過濾器。

2) 研發(fā)高效過濾器。組合式空調(diào)機組內(nèi)過濾器濾料一般為化纖、玻纖或者聚酯纖維，使用壽命短、過濾阻力大，且有的過濾器沒法重復(fù)性使用，造成能源浪費。應(yīng)開發(fā)高效低阻、使用壽命長且結(jié)合智能清洗控制系統(tǒng)的高效過濾器。

3) 目前歐美等國家采用ISO 16890標(biāo)準(zhǔn)對一般通風(fēng)過濾器進行試驗，而國內(nèi)一般通風(fēng)過濾器的傳統(tǒng)試驗方法不太實用，所以許多過濾器廠家及第三方實驗室也在使用ISO 16890。根據(jù)ISO 16890標(biāo)準(zhǔn)新的分級(粗效、ePM10、ePM2.5、ePM1)及試驗方法，開發(fā)組合式空調(diào)機組一般通風(fēng)過濾器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計選型及機組內(nèi)模塊化過濾段結(jié)構(gòu)，將有市場前景。

4) 用于顆粒物、化學(xué)氣體濃度要求較高場所的空調(diào)機組，需設(shè)置多功能段，從而導(dǎo)致機組靜壓非常高(一般為2.0～2.5 kPa)，而常規(guī)機組箱體結(jié)構(gòu)是先形成外部框架，再將保溫面板嵌入到框架中，框架和箱板之間存在間隙會漏風(fēng)結(jié)露，其結(jié)構(gòu)強度小、承壓低，無法滿足使用要求。開發(fā)承壓能力高、無框架箱板結(jié)構(gòu)，如在結(jié)構(gòu)鋁型材上插裝隔熱型材，研制形成一體化鋁塑型材，會提升箱體的強度、密封和隔熱性能。

5) 研究影響機組能耗的關(guān)鍵性指標(biāo)及綜合評價方法，制定組合式空調(diào)機組的優(yōu)化控制策略。

6) 工業(yè)廠房中組合式空調(diào)機組冷熱源一般來自動力中心，但對于一些改造項目或者沒有集中冷熱源的場合，機電一體化組合式空調(diào)機組優(yōu)勢明顯，應(yīng)開發(fā)利用。