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空气调节

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分离式空调室外部分(北卡罗莱那大学教堂山分校
分离式空调室内部分控制面板和进出风口

空气调节是包含温度湿度空气清净度以及空气循环的控制系统。冷气机/空调供应冷气、暖气或除湿的作用原理均类似,大部分利用冷媒压缩机的作用下,发生蒸发凝结,从而引发周遭空气的蒸发或凝结,以达到改变温、湿度的目的。冷气机及暖气机的效率会用性能系数来表示,是输入功和提供热能(或抽出热能)的比例值,一般来说,直流马达比交流省电,变频比传统压缩机省电,因为能够节省大量的电费,直流变频型态逐渐成为市场大宗。

空气调节在台湾香港马来西亚新加坡通称“冷气”,因为该地区位处亚热带,气候潮湿炎热,空调的绝大部分作用只是制造冷气,鲜有需要制造暖气,但也有冷暖气合一的机种,这种比较常见的通常都安装在车内。

历史[编辑]

在超过一千年前,波斯发明了一种古式的空气调节系统,利用装置于屋顶的风杆,以外面的自然风穿过凉水并吹入室内,令室内的人感到凉快[1]

19世纪,英国科学家发明家麦可·法拉第,发现压缩及液化某种气体可以将空气冷冻,此现象出现在液化氨气蒸发时,当时其意念仍流于理论化。

1842年,佛罗里达州医生约翰·哥里(John Gorrie)以压缩机技术制造冰,用来为他在佛罗里达州阿巴拉契科拉的医院病人提供凉爽的空气。他曾想用这种制冰技术来调节大楼的温度,并申请专利。但因缺乏资金,并未付诸实现。一名新泽西州霍博肯Hoboken的工程师阿尔弗列德·渥尔夫(Alfred Wolff)协助设计崭新的空气调节系统,并把技术用于商业大厦,他被认为是令工作环境变得凉快的先驱之一[来源请求]

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。其后,开利的技术开始用于工作间以提升生产效率。

在逐渐发展下,空气调节开始用于提升居家及汽车驾驶的舒适度。建于1906年,位于北爱尔兰贝尔法斯特的皇家维多利亚医院,在建筑工程学上具有特别意义,被称为世界首座设有空气调节的大厦。

1906年,美国北卡罗莱纳州夏洛特的史都亚特·W·克拉默(Stuart W. Cramer)正找寻方法增加其南方纺织厂的空气湿度。克拉默把技术命名为“空气调节”,并在同年将其用于专利申请中,作为水调节(water conditioning)的代替品。水调节当时是一个著名的程序,可令纺织品的生产较容易。他把水汽与通风系统结合以“调节”及转变工厂里的空气,控制纺织厂中极重要的空气湿度。威利斯·开利使用此名称,并把它放进其1907年创办的公司名称:“美国加利亚空气调节公司”(今开利公司)。

最初的空调、电冰箱使用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CFCHCFCHFC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

空气调节的种类[编辑]

冷冻循环[编辑]

冷冻循环示意图:1) 凝结盘管,2) 扩张阀,3) 蒸发盘管,4) 压缩机
一般构造

在冷冻循环中,热泵把热量由一个低温热源传送到另一个较高温区域的散热装置,热量会自然地以相反方向流动。这是最普遍的空气调节方式。冰箱的运作原理与此相当接近,把热量由冰箱内部传送至冰箱外的空气中。

此循环使用了普适气体定律(universal gas law)PV = nRTP代表气压,V代表体积,而R则代表普适气体常数T代表温度,n则是气体的摩尔数量(1摩尔 = 6.022×1023粒子)。

最常见的冷冻循环使用电动马达推动一个压缩机。在汽车上,压缩机是由引擎曲轴透过滑轮推动,两者皆使压缩机作压缩循环。由于热量被吸收时会产生蒸发现象,而热量释放时会产生凝结,空气调节机使用压缩机在两个间隔之间造成压力的转变,并以泵令冷媒流动。制冷模式时,压缩机将冷媒由气态压缩成气液混合态。气体压缩过程导致冷媒温度升高到接近100°C。从压缩机出来的高温高压混合态冷媒,流进室外机的冷凝器,通过室外机的轴流风扇的气冷将热量从冷凝器的铜管与铝片上带走,冷媒温度降低到稍高于室外温度。然后,常温中压冷媒经过毛细管,所受压力急剧减小,温度急剧降低至零度的低温常压冷媒,通过包裹保温棉的连接管进入室内机的蒸发器,室内机的贯流风扇带来的空气流经蒸发器的铜管和铝箔片被吸收大量的热量,低温空气吹出室内机。蒸发器出来的常压常温冷媒,又通过链接管回到压缩机,开始另一个循环。

湿度[编辑]

冷冻空气调节器材通常会降低已处理空气的湿度。比较冷(低于露点)的蒸发盘管把已处理空气的水蒸气凝结,正如冷饮品会令容器外空气中的水蒸气凝结一样,水分将经过污水管流走,如此会去除了冷冻空间中的水蒸气,并使相对湿度降低。由于人体会自然地透过蒸发排出的汗水以降低体温,较干燥的空气会提高人体的舒适度。舒适的空气调节系统通常设计成可排放出相对湿度介乎40%至60%的空气。在食品零售商的物业中,大型开放式冷冻柜可作为高效率的空气抽湿器材。

一些空气调节器材只会令空气干燥而不会降低其温度,其运作方式与一般空气调节器材相似,只是在空气抽入口与排放口之间加入一个热量交换器,加上对流式风扇,在热带潮湿的气候下可达到与冷气机相近的舒适程度,但只消耗约1/3的电力。这种空调机亦适合一些对较冷空气感到不舒服的人。

制冷剂(冷媒)[编辑]

氟利昂(Freon,氯氟甲烷)是一系列由杜邦化工及其他公司生产的氯氟烃化学品的商标名称。这些冷冻剂因具有很高的稳定性及安全性而被广泛使用。但有证据显示这些含有成分的冷冻剂在释放出大气时会升到大气层的上层,其化学作用尚未清楚,但被认为是CFC在同温层紫外线照射而分解,放出氯原子。氯原子成为使臭氧分解的催化剂,令为地球防止紫外线照射的臭氧层被严重破坏。氯原子会继续成为催化剂,直至其与其他粒子组成稳定状态为止。少见但已被禁止生产的CFC冷冻剂包括R-11R-12。逐渐禁止生产的冷冻剂包括HCFC (R-22,普遍用于家居中)及HFC (R-134a,用于汽车上)已完全取代CFC。而根据蒙特利尔议定书(Montreal Protocol),HCFC亦已逐渐被淘汰,由氢氟碳化物(hydrofluorocarbons,HFC)如R-410A,R404代替,并无氯化物成分。

除了化学制冷剂或化学混和制冷剂的使用之外,传统使用天然制冷剂(冷媒)氨气来制作冰块,但是因氨气物理特性之影响(如可燃性、毒性、恶臭及腐蚀性),并不适合于家用传统空调环境使用。多使用于渔船或工业制冰使用。另一发展中之天然制冷剂(冷媒)为二氧化碳。因其超临界压缩特性,使用于热水热泵有极佳的优势。

蒸发冷冻机[编辑]

武汉网吧的悬挂式室外机

吸收式冷冻机[编辑]

一些建筑采用燃气发电机组来发电,发电效率可达40%以上,发电的同时产生的高温高套水及高温烟气可以用来驱动一种叫“吸收式冷冻机组”的设备来制取冷水。制取出来的冷水可以通过末端散热设备来冷却空气,达到空调的目的。

这种既发电又制冷的能源双重利用技术很有吸引力,尤其是在燃气价格很合适并且有多种使用要求的地区。 这种同时产热、电、冷的系统目前叫“三联供”系统 (小型常见应用就是旅行拖车上的三用冰箱) 多以瓦斯 (亦可燃材) 或电力提供 车屋、船屋,冷暖空调、烹饪、电力、通讯、转换使用。

能源与效率[编辑]

空调设备的功率在美国通常用一个专业名词“冷吨”来表达。一“冷吨”的定义为:冷却一“短吨”(short ton,等于2000磅或907千克)的冰用24小时的时间来溶解所需要的制冷功率。它等于12,000英热单位/小时或 公制单位3517瓦[2]。民宅(独立别墅式建筑)的中央空调系统通常容量为1到5冷吨。在汽车里空调需要消耗交直流系统转换中大约5马力(4千瓦)的功率

在效率评估方面,有如下两项指标:

  • EER(Energy Efficiency Ratio),指能源效率比,即冷房能力除以每小时的耗电瓦数,因此冷气机EER值越高则通常越省电。
  • COP(Coefficient of Performance),指性能系数,即冷气机在单位时间抽走的热量除以它所消耗的功率。

在中国,空调设备的法定标称功率为千瓦或瓦,但俗用“”。空调的1匹指的是制冷量为2000大卡,即2325瓦。如果以COD为3.16,则1匹制冷量的额定电功率为2325瓦÷3.16 = 735.5瓦 = 1 马力。 “正1匹”空调机制冷量是2500W。“大1匹”空调机制冷量是2600W。现行的能效比为:一级COP=3.6;二级COP=3.4;三级COP=3.2。

隔热[编辑]

隔热可减低空气调节系统所需要的能量。较厚的、反射性的屋顶物料、隔热玻璃窗帘及建筑物隔邻的树木,皆可减低系统的能源需求,耗用较少电费。

增加室内气密性也是隔热节能的必要手段,但是也会伤害健康(气密会让室内二氧化碳及有害物质累积),想要兼顾省能及健康,应做好气密,并同时引入过滤过的室外空气,而如果透过全热交换机引入空气,省能效果更好。

特殊场所所需空调设备设计[编辑]

图书馆空调设备[编辑]

图书馆空调设备因为必须顾虑到保存藏书的品质,所以必须兼顾空气中的湿度与温度。一般而言,高温高湿时会加速纤维氧化分解,也会增加霉菌等微生物的活性而危害纸张,因此温度20℃、湿度50%为书籍理想保存条件[3]

各地的家居空气调节系统[编辑]

家居空气调节系统在东亚地区最为常见与普及,如日本中国大陆香港台湾等。由于夏季气候炎热,而生活水平亦较高,空气调节成为一种生活必需品。日本及邻近地区制造的空调系统多数为窗口式(窗型)或分体式,以分体式较为先进及昂贵。随着生活水平的提升,空调在热带气候的东南亚地区如马来西亚新加坡菲律宾等地亦逐渐普及。

美国,家居空气调节系统在东岸及南部较为常见,而美国北部和西岸地区夏天气温不高,因此民众甚少使用。中央空调系统在美国较常见,并成为佛罗里达州新建住宅的非正式标准。

欧洲,家居空气调节系统则较为罕见,部分原因是欧洲较为温和而没有炎热夏季的气候及社会原因,如西班牙人传统上会进行午睡(siesta),及到法国渡过漫长的暑假;但世界气候暖化的现象可能令空调系统更为普及。住宅、老人院及医疗设施皆欠缺空调设备,可能是欧洲在2003年热浪侵袭中造成35,000人死亡的原因之一。

健康影响[编辑]

中央空调风道

许多空调机只有很普通的滤网,过滤灰尘及阻止霉菌滋生效果非常有限,因此灰尘及霉菌会堆积在空调机的风道、热交换器及风扇上,而多数空调机有许多地方必须由专业人士拆机才能洗到(市面上有许多空调机清洗剂,但这种方法洗不到空调机深处,因此效益有限),若没有定期由专人清洗(常开启空调的家庭,清洗间隔可能要低于一年),空调机反而会劣化空气质量。许多使用者不知道要定期请专人清洗室内的冷气机、或以为自行清洗即可,因此造成空气质量下降,提高过敏气喘患病率。

空调机外加静电滤网甚至HEPA滤网、并定期更换,可以减少致敏源进入封闭的环境,减少过敏问题,但由于空气倾向绕过滤网,因此没有良好气密设计的空调机仍须经常清洗(空调机过滤器的气密设计很重要、与滤网效能及定期更换滤网一样重要,有效的气密设计才能确保进入空调机的空气全部都经过过滤)。而如果要过滤有害气体,还需要加入活性炭滤网或更有效的CPZ滤网。

另外,二手烟毒性强、扩散快、难过滤、会大幅缩减滤网寿命,只有室内全面禁烟或室内吸烟区完全隔离(完全隔离的定义包括独立空调或没有空调、负压隔离及管理好废气排放,在社会学上的定义还要有吸烟区不得提供吸烟以外的功能)才能大幅降低二手烟害,而室外在较为接近门窗处也必需禁烟。同理也适用于燃烧金纸、燃及厨房油烟。 但是就算空气过滤设计良好,空调系统造成的温度变化过大(如由闷热的室外进入凉爽的室内空间)本身就有潜在危险,空调机被认为会引起哮喘(vasomotor asthma或vasomotor rhinitis),是在转换气压或气温的情况下通常会引起的反应。如果想要减少温差造成的影响,应该配合风扇使用,最好是让整个空间都有微风吹拂;在微风吹拂下,可以将温度调高仍有相同舒适度,不但更健康、也更省电。

就算定期清洗空调机及拥有良好的过滤系统,紧闭门窗仍会造成二氧化碳浓度上升,因此由室外引进空气也很重要,最好是引进经由过滤的空气;如果要减少通风造成的能量损失,可以采用全热交换机来引进室外空气。

除湿[编辑]

部分品牌的空调没有精确除湿功能,容易除湿过度,造成干眼症、空调病。[4]

环境影响[编辑]

冷气消耗大量电力,带来二氧化碳温室气体的排放,令城市越来越热。[5]

参看[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ Badgirs--Windcatchers | MetaFilter
  2. ^ NIST Guide to SI Units - Appendix B9. Conversion Factors. B.9 Factors for units listed by kind of quantity or field of science. Heat Flow Rate To convert from ton of refrigeration(12 000 BtuIT/h)to watt (W) 3.516 853 Multiply by E+03  参数|quote=值左起第108位存在水平制表 (帮助)
  3. ^ 档案库房温湿度环境控制—纸质篇. 国家发展委员会档案管理局. [2015-06-20]. 
  4. ^ http://www.icare99.com.tw/expert_view.html?nid=39243
  5. ^ 陈倩儿. 活在酷热香港,我们还能摆脱“越用越热”的冷气吗?. 端传媒 Initium Media. 2016-10-09 [2017-08-23]. 

外部链接[编辑]