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冷氣結構及運作 |
空氣調節系統,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,實則包含冷氣、暖氣及除溼。其作用原理類似;都是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、溼度的目的。 值得注意的是,「暖氣機」是一個罕見的、熱效率大於1的優良設備(若不考慮『溫室效應』的話)。這對地處亞熱帶地區的意義,遠不如地處溫帶的地區來得有建設性。 |
歷史 |
在超過一千年前,波斯已發明一種古式的空氣調節系統,利用裝置於屋頂的風桿,以外面的自然風穿過涼水並吹入室內,令室內的人感到涼快。 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將空氣冷凍,此現象出現在液化氨氣蒸發時,當時其意念仍流於理論化。1842年,佛羅里達州醫生約翰•哥里(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,並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的設計分別在於並非只控制氣溫,亦控制空氣的濕度以提高紐約布克林一間印刷廠的製作過程質素。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確。其後,加利亞的技術開始用於在工作間以提升生產效率,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,空氣調節開始用於提升在家居及汽車的舒適度。住宅空調系統的銷量到1950年代才真正起飛。建於1906年,位於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別意義,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,並在同年將其用於專利申請中,作為水調節(water conditioning)的代替品。水調節當時是一個著名的程序,令紡織品的生產較容易。他把水氣與通風系統結合以「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,並把它放進其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)。 |
冷凍循環 |
冷凍循環示意圖:1) 凝結盤管,2) 擴張閥,3) 蒸發盤管,4) 壓縮機在冷凍循環中,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,把熱力由冰箱內部傳送至冰箱外的空氣中。此循環使用了普適氣體定律(universal gas law) PV = nRT,P代表氣壓,V代表體積,而R則代表普適氣體常數,T代表溫度,n則是氣體的摩爾數量 (1 摩爾 = 6.022×1023 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。由於熱力被吸收時會產生蒸發現象,而熱力釋放時會產生凝結,空氣調節機使用壓縮機在兩個間隔之間造成壓力的轉變,並以泵令冷凍劑流動。冷凍劑將被泵入較冷的間隔(蒸發盤管),而低壓及低溫令冷凍劑蒸發成蒸氣,並吸取熱量。在另一間隔(凝結器),冷凍劑的蒸氣被壓縮並經過另一熱力交換盤管,凝結成為液體,並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(低於露點)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太空氣中的水蒸氣凝結一樣,水份將經過污水管流走,如此會去除了冷凍空間中的水蒸氣,並使相對濕度降低。由於人體會自然地透過蒸發排出的汗水以降低體溫,較乾燥的空氣會提高人體的舒適度。舒適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。一些空氣調節器材只會令空氣乾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,只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適程度,但只消耗約1/3的電力。這種空調機亦適合一些對較冷空氣感到不舒服的人。 |
製冷劑(冷媒) |
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態為止。少見但已被禁止生產的CFC冷凍劑包括R-11及R-12。逐漸禁止生產的冷凍劑包括HCFC (R-22,普遍用於家居中) 及 HFC (R-134a,用於汽車上) 已完全取代CFC。而根據蒙特婁協定(Montreal Protocol),HCFC亦已逐漸被淘汰,由氫氟碳化物(hydrofluorocarbons,HFC)如 R-410A,R404 代替,並無氯化物成份。 除了化學製冷劑或化學混和製冷劑的使用之外,傳統使用天然製冷劑(冷媒)氨氣來製作冰塊,但是因氨氣物理特性之影響(如可燃性、毒性、惡臭及腐蝕性),並不適合於家用傳統空調環境使用。多使用於漁船或工業製冰使用。另一發展中之天然製冷劑(冷媒)為二氧化碳。因其超臨界壓縮特性,使用於熱水熱泵有極佳的優勢。 |