HVAC:空氣調節系統-中文百科頻道

解釋

空氣調節系統，是包含溫度、濕度、空氣清淨度以及空氣循環的控制系統，被稱為HVAC（英語：Heating，Ventilation，Air-conditioning and Cooling）。

空調供應冷氣、暖氣或除濕的作用原理均類似，利用冷媒在壓縮機的作用下，發生蒸發或凝結，從而引發周遭空氣的蒸發或凝結，以達到改變溫、濕度的目的。值得注意的是，“暖氣機”是一個罕見的、熱效率大于1的優良設備（若不考慮‘溫室效應’）。這使得其對地處亞熱帶地區的意義，遠不如對于地處溫帶的地區來得有建設性。

曆史

在超過一千年前，波斯已發明一種古式的空氣調節系統，利用裝置于屋頂的風杆，以外面的自然風穿過涼水并吹入室内，令室内的人感到涼快。

19世紀，英國科學家及發明家麥可·法拉第(Michael Faraday)，發現壓縮及液化某種氣體可以将空氣冷凍，此現象出現在液化氨氣蒸發時，當時其意念仍流于理論化。

1842年，佛羅裡達州醫生約翰·哥裡(John Gorrie)以壓所落成的新大樓設有中央空調。一名新澤西州Hoboken的工程師Alfred Wolff協助設計此嶄新的空氣調節系統，并把技術由紡織廠遷移至商業大廈，他被認為是令工作環境變得涼快的先驅之一。

1902年後期，首個現代化，電力推動的空氣調節系統由韋利士·夏維蘭·加利亞(1876年-1950年)發明。其設計與Wolff的設計分别在于并非隻控制氣溫，亦控制空氣的濕度以提高紐約布克林一間印刷廠的制作過程質素。此技術提供了低熱度及濕度的環境，令紙張面積及油墨的排列更準确。

其後，加利亞的技術開始用于在工作間以提升生産效率，開利工程公司亦在1915年成立以應付激增的需求。在逐漸發展下，空氣調節開始用于提升在家居及汽車的舒适度。住宅空調系統的銷量到1950年代才真正起飛。建于1906年，位于北愛爾蘭貝爾法斯特的皇家維多利亞醫院，在建築工程學上具有特别意義，被稱為世界首座設有空氣調節的大廈。

1906年，美國北卡羅萊納州夏洛特的Stuart W. Cramer正找尋方法增加其南方紡織廠的空氣濕度。Cramer把技術命名為空氣調節，并在同年将其用于專利申請中，作為水調節(water conditioning)的代替品。水調節當時是一個著名的程序，令紡織品的生産較容易。他把水汽與通風系統結合以“調節”及轉變工廠裡的空氣，控制紡織廠中極重要的空氣濕度。韋利士·加利亞使用此名稱，并把它放進其1907年創辦的公司名稱：“美國加利亞空氣調節公司”(今開利公司)。

最初的空調、電冰箱使用氨、氯甲烷之類的有毒氣體。這類氣體洩露後會釀成重大事故。Thomas Midgley，Jr.在1928年發明了氯氟碳氣體（chlorofluorocarbon gas），并将其命名為氟利昂。

這種制冷劑對人類安全得多，但是對大氣臭氧層有害。氟利昂是杜邦公司CFC、HCFC或HFC類冷凍劑的商标，其中每一類冷凍劑名稱還包括一個數字，以表示其成分的分子組成(例如R-11，R-12，R-22，R-134)。其中，在直接蒸發式适度冷卻産品領域應用最廣的R-22 HCFC制冷劑将于2010年起停止用于新生産的設備中，并于2020年徹底停止使用。R-11和R-12在美國已經停産。作為替代品，一些對臭氧層無害的制冷劑已投入使用，包括商品名為“Puron”的制冷劑R-410A。

空氣調節的應用

空調工程師們通常把空氣調節的應用大緻分為“舒适性應用”和“工藝過程性應用”。

相關技術

冷凍循環

在冷凍循環中，熱泵把熱力由一個低溫熱源傳送到另一個較高溫的散熱裝置，熱力會自然地以相反方向流動。這是最普遍的空氣調節方式。冰箱的運作原理與此相當接近，把熱力由冰箱内部傳送至冰箱外的空氣中。

此循環使用了普适氣體定律（universal gas law)PV=nRT，P代表氣壓，V代表體積，而R則代表普适氣體常數，T代表溫度，n則是氣體的摩爾數量（1摩爾=6.022×10粒子）。

最常見的冷凍循環使用電動馬達推動一個壓縮機。在汽車上，壓縮機是由引擎的曲軸透過滑輪推動，兩者皆使用電動馬達作空氣循環。由于熱力被吸收時會産生蒸發現象，而熱力釋放時會産生凝結，空氣調節機使用壓縮機在兩個間隔之間造成壓力的轉變，并以泵令冷凍劑流動。冷凍劑将被泵入較冷的間隔（蒸發盤管），而低壓及低溫令冷凍劑蒸發成蒸氣，并吸取熱量。在另一間隔（凝結器），冷凍劑的蒸氣被壓縮并經過另一熱力交換盤管，凝結成為液體，并釋放出先前在冷間隔中所吸收的熱量。

濕度

冷凍空氣調節器材通常會降低已處理空氣的濕度。比較冷（低于露點）的蒸發盤管把已處理空氣的水蒸氣凝結，正如冷飲品會令容器外空氣中的水蒸氣凝結一樣，水份将經過污水管流走，如此會去除了冷凍空間中的水蒸氣，并使相對濕度降低。由于人體會自然地透過蒸發排出的汗水以降低體溫，較幹燥的空氣會提高人體的舒适度。舒适的空氣調節系統通常設計成可排放出相對濕度介乎40%至60%的空氣。在食品零售商的物業中，大型開放式冷凍櫃可作為高效率的空氣抽濕器材。

一些空氣調節器材隻會令空氣幹燥而不會降低其溫度，其運作方式與一般空氣調節器材相似，隻是在空氣抽入口與排放口之間加入一個熱力交換器，加上對流式風扇，在熱帶潮濕的氣候下可達到與冷氣機相近的舒适程度，但隻消耗約1/3的電力。這種空調機亦适合一些對較冷空氣感到不舒服的人。

制冷劑（冷媒）

氟利昂（Freon，氯氟甲烷）是一系列由杜邦化工及其他公司生産的氯氟烴化學品的商标名稱。這些冷凍劑因具有很高的穩定性及安全性而被廣泛使用。但有證據顯示這些含有氯成份的冷凍劑在釋放出大氣時會升到大氣層的上層，其化學作用尚未清楚，但被認為是CFC在同溫層被紫外線照射而分解，放出氯原子。氯原子成為使臭氧分解的催化劑，令為地球防止紫外線照射的臭氧層被嚴重破壞。氯原子會繼續成為催化劑，直至其與其他粒子組成穩定狀态為止。

少見但已被禁止生産的CFC冷凍劑包括R-11及R-12。逐漸禁止生産的冷凍劑包括HCFC(R-22，普遍用于家居中）及HFC(R-134a，用于汽車上)已完全取代CFC。而根據蒙特利爾協定（Montreal Protocol），HCFC亦已逐漸被淘汰，由氫氟碳化物（hydrofluorocarbons，HFC）如R-410A,R404代替，并無氯化物成份。

除了化學制冷劑或化學混和制冷劑的使用之外，傳統使用天然制冷劑（冷媒）氨氣來制作冰塊，但是因氨氣物理特性之影響（如可燃性、毒性、惡臭及腐蝕性），并不适合于家用傳統空調環境使用。多使用于漁船或工業制冰使用。另一發展中之天然制冷劑（冷媒）為二氧化碳。因其超臨界壓縮特性，使用于熱水熱泵有極佳的優勢。

吸收式冷凍機

一些建築采用燃氣鍋爐來發電。鍋爐産生的熱廢氣可以用來驅動一種叫“吸收式冷凍機組”的設備來制取冷水。制取出來的冷水可以通過末端散熱設備來冷卻空氣，達到空調的目的。這種既發電又制冷的能源雙重利用技術很有吸引力，尤其是在燃油價格很合适并且有多種使用要求的地區。這種同時産熱，電，冷的系統目前叫“三聯供”系統。