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HVAC

补充:0  浏览:3747  发布时间:2013-9-4

  


  HVAC是Heating, Ventilation and Air Conditioning 的英文缩写,就是供热通风与空气调节。 既代表上述内容的学科和技术,也代表上述学科和技术所涉及到的行业和产业。 HVAC又指一门应用学科,它在世界建筑设计和工程以及制造业有广泛的影响,各国都有HVAC协会,中国建筑学会暖通分会即中国的官方代表机构。传热学、流体力学是其基本理论基础,它的研究和发展方向是为人类提供更加舒适的工作和生活环境。


  简介


  空气调节系统,是包含温度、湿度、空气清净度以及空气循环的控制系统,被称为HVAC(英语:Heating,Ventilation,Air-conditioning and Cooling)。


  空调供应冷气、暖气或除湿的作用原理均类似,利用冷媒在压缩机的作用下,发生蒸发或凝结,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。值得注意的是,“暖气机”是一个罕见的、热效率大于1的优良设备(若不考虑‘温室效应’)。这使得其对地处亚热带地区的意义,远不如对于地处温带的地区来得有建设性。


  历史


  在超过一千年前,波斯已发明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。


  19世纪,英国科学家及发明家麦可·法拉第(Michael Faraday),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)以压缩技术制造出冰块,并使用作冷冻空气以吹向疟疾与黄热病的病人。他想到使用其制冰机以管理大厦的环境,并想像到可令整个城市凉快的中央空气调节系统。哥里在1851年为其制冰机取得美国专利(#8080)。此技术受到北方一些商人及宗教领袖的攻击,因此技术威胁这些商人从北方运送冰块至南方出售的生意。当哥里及其生意伙伴在1855年去世后,空气调节的意念亦随之消失。


  空气调节其中一个供个人舒适的应用是在1902年,当时纽约证券交易所压所落成的新大楼设有中央空调。一名新泽西州Hoboken的工程师Alfred Wolff协助设计此崭新的空气调节系统,并把技术由纺织厂迁移至商业大厦,他被认为是令工作环境变得凉快的先驱之一。


  1902年后期,首个现代化,电力推动的空气调节系统由韦利士·夏维兰·加利亚(1876年-1950年)发明。其设计与Wolff的设计分别在于并非只控制气温,亦控制空气的湿度以提高纽约布克林一间印刷厂的制作过程质素。此技术提供了低热度及湿度的环境,令纸张面积及油墨的排列更准确。其后,加利亚的技术开始用于在工作间以提升生产效率,开利工程公司亦在1915年成立以应付激增的需求。在逐渐发展下,空气调节开始用于提升在家居及汽车的舒适度。住宅空调系统的销量到1950年代才真正起飞。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Stuart W. Cramer正找寻方法增加其南方纺织厂的空气湿度。Cramer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,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。韦利士·加利亚使用此名称,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、电冰箱使用氨、氯甲烷之类的有毒气体。这类气体泄露后会酿成重大事故。Thomas Midgley,Jr.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CFC、HCFC或HFC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制冷剂将于2010年起停止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。


  应用


  空调工程师们通常把空气调节的应用大致分为“舒适性应用”和“工艺过程性应用”。


  相关技术


  冷冻循环


  在冷冻循环中,热泵把热力由一个低温热源传送到另一个较高温的散热装置,热力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,把热力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 = nRT,P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 = 6.022×10 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,压缩机是由引擎的曲轴透过滑轮推动,两者皆使用电动马达作空气循环。由于热力被吸收时会产生蒸发现象,而热力释放时会产生凝结,空气调节机使用压缩机在两个间隔之间造成压力的转变,并以泵令冷冻剂流动。冷冻剂将被泵入较冷的间隔(蒸发盘管),而低压及低温令冷冻剂蒸发成蒸气,并吸取热量。在另一间隔(凝结器),冷冻剂的蒸气被压缩并经过另一热力交换盘管,凝结成为液体,并释放出先前在冷间隔中所吸收的热量。


  湿度


  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,水份将经过污水管流走,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力交换器,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)


  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氯成份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在同温层被紫外线照射而分解,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-11及R-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。而根据蒙特利尔协定(Montreal Protocol),HCFC亦已逐渐被淘汰,由氢氟碳化物(hydrofluorocarbons,HFC)如 R-410A,R404 代替,并无氯化物成份。


  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。


  吸收式冷冻机


  一些建筑采用燃气锅炉来发电. 锅炉产生的热废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,尤其是在燃油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。


  隔热


  隔热可减低空气调节系统所需要的能量。较厚的墙、反射性的屋顶物料、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。


  功率需求


  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” (en: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 3510 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。

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