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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。[1]

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)
氟利昂(Freon,氯氟甲烷)是一系列由杜邦化工及其他公司生產的氯氟烴化學品的商標名稱。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。

Reference: http://www.wikipedia.org


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