空氣調節

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）。

冷氣機/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，從而引發週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、熱效率大於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，遠不如對於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威利斯·開利(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，開利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。威利斯·開利使用此名稱，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)。

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），並將其命名為氟利昂。這種製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類冷凍劑的商標，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，在直接蒸髮式適度冷卻產品領域應用最廣的R-22 HCFC製冷劑將於2010年起停止用於新生產的設備中，並於2020年徹底停止使用。R-11和R-12在美國已經停產。作為替代品，一些對臭氧層無害的製冷劑已投入使用，包括商品名為「Puron」的製冷劑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致分為「舒適性應用」和「工藝過程性應用」。

效率評估 (SEER)

空氣調節的種類

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外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。而根據蒙特利爾議定書(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。

蒸發冷凍機

吸收式冷凍機

一些建築採用燃氣鍋爐來發電. 鍋爐產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。這種既發電又製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適並且有多種使用要求的地區。這種同時產熱，電，冷的系統目前叫「三聯供」系統。

功率

空調設備的功率在美國通常用一個專業名詞「冷噸」來表達. 一「冷噸」的定義為：冷卻一「短噸」（en:short ton，等於2000磅或907千克）的冰用24小時的時間來溶解所需要的製冷功率。它等於12,000 英熱單位/小時或 3510 瓦^[2]。民宅(獨立別墅式建築)的中央空調系統通常容量為1到5冷噸。

在汽車裡空調需要消耗交直流系統轉換中大約5馬力(4千瓦)的功率。

隔熱

隔熱可減低空氣調節系統所需要的能量。較厚的牆、反射性的屋頂物料、隔熱玻璃、窗簾及建築物隔鄰的樹木，皆可減低系統的能源需求，耗用較少電費。

特殊場所所需空調設備設計

圖書館空調設備

圖書館空調設備因為必須顧慮到保存藏書的品質，所以必須兼顧空氣中的濕度與溫度。一般而言，高溫高濕時會加速纖維氧化分解，也會增加黴菌等微生物的活性而危害紙張，因此溫度20℃、濕度50﹪為書籍理想保存條件。

各國的家居空氣調節系統

家居空氣調節系統在東亞地區的國家最為常見與普及，包括日本、南韓、中國大陸大城市、香港及台灣等。由於夏季氣候炎熱，而生活水平亦較高，空氣調節成為一種生活必需品。日本及鄰近地區製造的空調系統多數為窗口式（窗型）或分體式（分離式），以分體式較為先進及昂貴。隨著生活水平的提升，空調在熱帶氣候的東南亞地區如馬來西亞、新加坡與菲律賓等地亦逐漸普及。

在美國，家居空氣調節系統在東岸及南部較為常見，由於美國全境大部份地區的夏天氣溫不高，民眾甚少使用，故部份地區的普及程度與東亞地區不遑多讓。中央空調系統在美國較常見，並成為佛羅里達州新建住宅的非正式標準。

在歐洲，家居空氣調節系統則較為罕見，部份原因是歐洲較為溫和而沒有炎熱夏季的氣候及社會原因，如西班牙人傳統上會進行午睡(siesta)，及到法國渡過漫長的暑假；但世界氣候暖化的現象可能令空調系統更為普及。住宅、老人院及醫療設施皆欠缺空調設備，可能是歐洲在2003年熱浪侵襲中造成35,000人死亡的原因之一。

健康影響

許多空調機只有很普通的濾網，過濾灰塵及阻止霉菌滋生效果非常有限，因此灰塵及霉菌會堆積在空調機的風道、熱交換器及風扇上，而多數空調機有許多地方必須由專業人士拆機才能洗到，若不定期清洗，空調機反而會劣化空氣品質。許多家庭不知道要定期請專人清洗室內的冷氣機，因此造成空氣品質下降。

空調機外加靜電濾網甚至HEPA濾網、並定期更換，可以減少致敏源進入封閉的環境，減少過敏問題，但仍需以相同頻率清洗空調機內部，因為空氣傾向繞過濾網；此特性讓空調機過濾器的氣密設計非常重要、與濾網效能及定期更換濾網一樣重要，有效的氣密設計才能確保進入空調機的空氣全部都經過過濾。而如果要過濾有害氣體，還需要加入活性炭濾網或更有效的CPZ濾網。

另外，二手菸毒性強、擴散快、難過濾、會大幅縮減濾網壽命，因此室內吸菸室必需採用負壓隔離設計才能避免二手菸害，而接近門窗的室外空間也必需禁菸。

但是就算空氣過濾設計良好，空調系統造成的溫度變化過大（如由悶熱的室外進入涼爽的室內空間）本身就有潛在危險，空調機被認為會引起哮喘(vasomotor asthma 或 vasomotor rhinitis)，是在轉換氣壓或氣溫的情況下通常會引起的反應；而且在門窗關緊的情況下，就算過濾器能過濾有害氣體，二氧化碳濃度仍會上升，因此由室外引進新鮮空氣也很重要，最好是引進經由過濾的空氣。

參看

品牌

外部連結

制熱和製冷美國能源部－能源效率和可再生能源署
獲得能源之星的中央空調
英國ECA：英國政府計劃，為使用ECA認證產品的公司提供稅收折扣。
www.doityourself.com上關於空調的內容
國際能源組織 - 建築和社區系統的節能
AHAM認證

參考

[1] Badgirs--Windcatchers | MetaFilter

[2] NIST Guide to SI Units - Appendix B9. Conversion Factors

[1]

[2]

歷史