HVAC

　　HVAC是Heating, Ventilation and Air Conditioning 的英文縮寫，就是供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)。 既代表上述內(nèi)容的學(xué)科和技術(shù)，也代表上述學(xué)科和技術(shù)所涉及到的行業(yè)和產(chǎn)業(yè)。 HVAC又指一門應(yīng)用學(xué)科，它在世界建筑設(shè)計(jì)和工程以及制造業(yè)有廣泛的影響，各國(guó)都有HVAC協(xié)會(huì)，中國(guó)建筑學(xué)會(huì)暖通分會(huì)即中國(guó)的官方代表機(jī)構(gòu)。傳熱學(xué)、流體力學(xué)是其基本理論基礎(chǔ)，它的研究和發(fā)展方向是為人類提供更加舒適的工作和生活環(huán)境。

　　簡(jiǎn)介

　　空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是包含溫度、濕度、空氣清凈度以及空氣循環(huán)的控制系統(tǒng)，被稱為HVAC(英語：Heating,Ventilation,Air-conditioning and Cooling)。

　　空調(diào)供應(yīng)冷氣、暖氣或除濕的作用原理均類似，利用冷媒在壓縮機(jī)的作用下，發(fā)生蒸發(fā)或凝結(jié)，從而引發(fā)周遭空氣的蒸發(fā)或凝結(jié)，以達(dá)到改變溫、濕度的目的。值得注意的是，“暖氣機(jī)”是一個(gè)罕見的、熱效率大于1的優(yōu)良設(shè)備(若不考慮‘溫室效應(yīng)’)。這使得其對(duì)地處亞熱帶地區(qū)的意義，遠(yuǎn)不如對(duì)于地處溫帶的地區(qū)來得有建設(shè)性。

　　歷史

　　在超過一千年前，波斯已發(fā)明一種古式的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用裝置于屋頂?shù)娘L(fēng)桿，以外面的自然風(fēng)穿過涼水并吹入室內(nèi)，令室內(nèi)的人感到?jīng)隹臁?/p>

　　19世紀(jì)，英國(guó)科學(xué)家及發(fā)明家麥可·法拉第(Michael Faraday)，發(fā)現(xiàn)壓縮及液化某種氣體可以將空氣冷凍，此現(xiàn)象出現(xiàn)在液化氨氣蒸發(fā)時(shí)，當(dāng)時(shí)其意念仍流于理論化。

　　1842年，佛羅里達(dá)州醫(yī)生約翰·哥里(John Gorrie)以壓縮技術(shù)制造出冰塊，并使用作冷凍空氣以吹向瘧疾與黃熱病的病人。他想到使用其制冰機(jī)以管理大廈的環(huán)境，并想像到可令整個(gè)城市涼快的中央空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。哥里在1851年為其制冰機(jī)取得美國(guó)專利(#8080)。此技術(shù)受到北方一些商人及宗教領(lǐng)袖的攻擊，因此技術(shù)威脅這些商人從北方運(yùn)送冰塊至南方出售的生意。當(dāng)哥里及其生意伙伴在1855年去世后，空氣調(diào)節(jié)的意念亦隨之消失。

　　空氣調(diào)節(jié)其中一個(gè)供個(gè)人舒適的應(yīng)用是在1902年，當(dāng)時(shí)紐約證券交易所壓所落成的新大樓設(shè)有中央空調(diào)。一名新澤西州Hoboken的工程師Alfred Wolff協(xié)助設(shè)計(jì)此嶄新的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并把技術(shù)由紡織廠遷移至商業(yè)大廈，他被認(rèn)為是令工作環(huán)境變得涼快的先驅(qū)之一。

　　1902年后期，首個(gè)現(xiàn)代化，電力推動(dòng)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)由韋利士·夏維蘭·加利亞(1876年-1950年)發(fā)明。其設(shè)計(jì)與Wolff的設(shè)計(jì)分別在于并非只控制氣溫，亦控制空氣的濕度以提高紐約布克林一間印刷廠的制作過程質(zhì)素。此技術(shù)提供了低熱度及濕度的環(huán)境，令紙張面積及油墨的排列更準(zhǔn)確。其后，加利亞的技術(shù)開始用于在工作間以提升生產(chǎn)效率，開利工程公司亦在1915年成立以應(yīng)付激增的需求。在逐漸發(fā)展下，空氣調(diào)節(jié)開始用于提升在家居及汽車的舒適度。住宅空調(diào)系統(tǒng)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(yī)院，在建筑工程學(xué)上具有特別意義，被稱為世界首座設(shè)有空氣調(diào)節(jié)的大廈。

　　1906年，美國(guó)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(shù)命名為空氣調(diào)節(jié)，并在同年將其用于專利申請(qǐng)中，作為水調(diào)節(jié)(water conditioning)的代替品。水調(diào)節(jié)當(dāng)時(shí)是一個(gè)著名的程序，令紡織品的生產(chǎn)較容易。他把水汽與通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合以“調(diào)節(jié)”及轉(zhuǎn)變工廠里的空氣，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(jìn)其1907年創(chuàng)辦的公司名稱：“美國(guó)加利亞空氣調(diào)節(jié)公司” (今開利公司)。

　　最初的空調(diào)、電冰箱使用氨、氯甲烷之類的有毒氣體。這類氣體泄露后會(huì)釀成重大事故。Thomas Midgley,Jr.在1928年發(fā)明了氯氟碳?xì)怏w(chlorofluorocarbon gas)， 并將其命名為氟利昂。這種制冷劑對(duì)人類安全得多，但是對(duì)大氣臭氧層有害。氟利昂是杜邦公司CFC、HCFC或HFC類冷凍劑的商標(biāo)，其中每一類冷凍劑名稱還包括一個(gè)數(shù)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(fā)式適度冷卻產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用最廣的R-22 HCFC制冷劑將于2010年起停止用于新生產(chǎn)的設(shè)備中，并于2020年徹底停止使用。R-11和R-12在美國(guó)已經(jīng)停產(chǎn)。作為替代品，一些對(duì)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。

　　應(yīng)用

　　空調(diào)工程師們通常把空氣調(diào)節(jié)的應(yīng)用大致分為“舒適性應(yīng)用”和“工藝過程性應(yīng)用”。

　　相關(guān)技術(shù)

　　冷凍循環(huán)

　　在冷凍循環(huán)中，熱泵把熱力由一個(gè)低溫?zé)嵩磦魉偷搅硪粋�(gè)較高溫的散熱裝置，熱力會(huì)自然地以相反方向流動(dòng)。這是最普遍的空氣調(diào)節(jié)方式。冰箱的運(yùn)作原理與此相當(dāng)接近，把熱力由冰箱內(nèi)部傳送至冰箱外的空氣中。

　　此循環(huán)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(shù)，T代表溫度，n則是氣體的摩爾數(shù)量 (1 摩爾 = 6.022×10 粒子)。

　　最常見的冷凍循環(huán)使用電動(dòng)馬達(dá)推動(dòng)一個(gè)壓縮機(jī)。在汽車上，壓縮機(jī)是由引擎的曲軸透過滑輪推動(dòng)，兩者皆使用電動(dòng)馬達(dá)作空氣循環(huán)。由于熱力被吸收時(shí)會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，而熱力釋放時(shí)會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)，空氣調(diào)節(jié)機(jī)使用壓縮機(jī)在兩個(gè)間隔之間造成壓力的轉(zhuǎn)變，并以泵令冷凍劑流動(dòng)。冷凍劑將被泵入較冷的間隔(蒸發(fā)盤管)，而低壓及低溫令冷凍劑蒸發(fā)成蒸氣，并吸取熱量。在另一間隔(凝結(jié)器)，冷凍劑的蒸氣被壓縮并經(jīng)過另一熱力交換盤管，凝結(jié)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(diào)節(jié)器材通常會(huì)降低已處理空氣的濕度。比較冷(低于露點(diǎn))的蒸發(fā)盤管把已處理空氣的水蒸氣凝結(jié)，正如冷飲品會(huì)令容器外空氣中的水蒸氣凝結(jié)一樣，水份將經(jīng)過污水管流走，如此會(huì)去除了冷凍空間中的水蒸氣，并使相對(duì)濕度降低。由于人體會(huì)自然地透過蒸發(fā)排出的汗水以降低體溫，較干燥的空氣會(huì)提高人體的舒適度。舒適的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)成可排放出相對(duì)濕度介乎40%至60%的空氣。在食品零售商的物業(yè)中，大型開放式冷凍柜可作為高效率的空氣抽濕器材。

　　一些空氣調(diào)節(jié)器材只會(huì)令空氣干燥而不會(huì)降低其溫度，其運(yùn)作方式與一般空氣調(diào)節(jié)器材相似，只是在空氣抽入口與排放口之間加入一個(gè)熱力交換器，加上對(duì)流式風(fēng)扇，在熱帶潮濕的氣候下可達(dá)到與冷氣機(jī)相近的舒適程度，但只消耗約1/3的電力。這種空調(diào)機(jī)亦適合一些對(duì)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產(chǎn)的氯氟烴化學(xué)品的商標(biāo)名稱。這些冷凍劑因具有很高的穩(wěn)定性及安全性而被廣泛使用。但有證據(jù)顯示這些含有氯成份的冷凍劑在釋放出大氣時(shí)會(huì)升到大氣層的上層，其化學(xué)作用尚未清楚，但被認(rèn)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(yán)重破壞。氯原子會(huì)繼續(xù)成為催化劑，直至其與其他粒子組成穩(wěn)定狀態(tài)為止。少見但已被禁止生產(chǎn)的CFC冷凍劑包括R-11及R-12。逐漸禁止生產(chǎn)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(jù)蒙特利爾協(xié)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(xué)制冷劑或化學(xué)混和制冷劑的使用之外，傳統(tǒng)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)，并不適合于家用傳統(tǒng)空調(diào)環(huán)境使用。多使用于漁船或工業(yè)制冰使用。另一發(fā)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(yōu)勢(shì)。

　　吸收式冷凍機(jī)

　　一些建筑采用燃?xì)忮仩t來發(fā)電. 鍋爐產(chǎn)生的熱廢氣可以用來驅(qū)動(dòng)一種叫“吸收式冷凍機(jī)組”的設(shè)備來制取冷水。制取出來的冷水可以通過末端散熱設(shè)備來冷卻空氣，達(dá)到空調(diào)的目的。這種既發(fā)電又制冷的能源雙重利用技術(shù)很有吸引力，尤其是在燃油價(jià)格很合適并且有多種使用要求的地區(qū)。這種同時(shí)產(chǎn)熱，電，冷的系統(tǒng)目前叫“三聯(lián)供”系統(tǒng)。

　　隔熱

　　隔熱可減低空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需要的能量。較厚的墻、反射性的屋頂物料、窗簾及建筑物隔鄰的樹木，皆可減低系統(tǒng)的能源需求，耗用較少電費(fèi)。

　　功率需求

　　空調(diào)設(shè)備的功率在美國(guó)通常用一個(gè)專業(yè)名詞“冷噸”來表達(dá). 一“冷噸”的定義為：冷卻一“短噸” (en:short ton，等于2000磅或907千克)的冰用24小時(shí)的時(shí)間來溶解所需要的制冷功率。它等于12,000 英熱單位/小時(shí) 或 3510 瓦[2]。民宅(獨(dú)立別墅式建筑)的中央空調(diào)系統(tǒng)通常容量為1到5冷噸。

　　在汽車?yán)锟照{(diào)需要消耗交直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換中大約5馬力(4千瓦)的功率。