暖通空调

暖通空调（heating, ventilation and air conditioning，简称HVAC）是指室内或车内负责暖气、通风及空气调节的系统或相关设备。暖通空调系统的设计应用到热力学、流体力学及流体机械，是机械工程领域中的重要分支学科。其目的是建立有益于人类生存的室内人工环境。如果没有安装暖气（如热带和亚热带地区），则会写作MVAC（Mechanical Ventilation and Air Conditioning）。有时也在缩写HVAC中加入R，代表冷冻（refrigeration），缩写就变成HVAC&R或HVACR，或是缩写中加入R，减去代表通风的V，缩写就变成HACR。暖通空调系统可以控制空气的温度及湿度，提高室内的舒适度，是中大型工业建筑或办公建筑（如摩天楼）中重要的一环。在制药、电子、关键任务设施以及油气等领域和行业中，暖通空调的作用举足轻重。暖气、通风及空气调节是由于许多科学家的发明及发现而产生，其中包括尼古拉·利沃夫（英语：Nikolay Lvov）、麦可·法拉第、威利斯·开利、鲁本·特灵（英语：Reuben Trane）、詹姆斯·焦耳、威廉·兰金及尼古拉·卡诺等人。暖通空调系统的零件大约发明在工业革命前后，全世界的公司和发明家也不断引进各种现代化及高效率的新方法。暖通空调的三个主要功能暖气、通风及空气调节都有相互关联，其目的是在合理的安装、运转及维修成本下，提供舒适温度及适当的室内空气质量。暖通空调系统提供通风功能，减少空气渗透（英语：Infiltration (HVAC)），维持室内外或不同房间之间的压力关系, 空气流进或流出房间的特性称作室内空气分布（英语：Room air distribution）。在现代的建筑中，上述机能（包括其控制系统，及系统的设计及安装）会整合在一个或多个的暖通空调系统中。针对小型的建筑，承包商会直接依需求选择暖通空调系统及设备。若是大型的建筑，会由建筑设计者及机械、结构等工程师共同分析、设计并选定暖通空调系统，再由专业的机械承包商来安装。暖通空调系统是一个国际性的产业，其相关工作包括系统的运行、保养、设计及架构、设备制造商及业务、研究以及教育推广。暖通空调产业以往是由暖通空调设备的制造商所管理，现在有许多国际性管理及标准化组织关注此领域，包括空调采暖和制冷研究所（英语：HARI）、国际暖通空调分销商管理办法委员会（英语：HARDI）、美国采暖、制冷和空调工程师协会、美国金属片与空调承包商协会（英语：SMACNA）、美国空调承包商协会（英语：Air Conditioning Contractors of America）、统一机械规范（Uniform Mechanical Code）、国际建筑法规（英语：International Building Code）于提供暖通空调产业相关服务并提升其水准。供暖系统早在罗马帝国时代就已出现，当时在公共浴池的墙壁及地板内，都有一种称为hypocaust的风管系统。供暖系统有许多种。在气候寒冷的地区常使用中央供暖系统提给私人住宅和公共建筑供暖。其系统会包括加热蒸气、水或空气的锅炉或加热炉，此系统一般会放在大楼的机械室（英语：Mechanical room）中。使用水作为热交换介质的系统称为循环水供冷供热系统（英语：Hydronics）。供暖系统中也会包括传送加热流体的管道或是管线，以及利用对流将热传递给空气的暖气片。暖气片一般会埋在墙内或是埋在地板以下。大部分的供暖系统中都有泵可以使系统的水循环流动，使得每片暖气片提供的热不会差异太大。风暖系统利用空气作为热交换介质，利用风管（英语：Duct (HVAC)）来输送热空气送到室内。若天气温暖甚至炎热时，空调系统也可以使用相同的风管。有些系统会将热空气先经过滤网或空气滤清器过滤，然后再送到室内。供暖系统也可以使用电流流过电阻后所散发的热量作为供热源，可以作成踢脚板电热器及便携式电热器，也可以是热泵系统的主要（或备用）热源或是备用热源。供暖系统的出风口或暖气片需放在室内最冷的位置。若室内有对外的窗户，玻璃窗的低温会使得空气冷却，密度变大而下降，而且玻璃窗容易凝结水汽，出风口或暖气片一般会放在窗户的旁边，以减少冷空气的形成及窗户的水汽。除了供暖系统本身的设计外，也需要尽量减少空气渗透到室外的量。通风是指将一区域的空气排出或是将外界的空气流进一区域的程序，其目的包括减少区域内的湿气、异味、烟尘、细菌及二氧化碳，并补充氧气。通风也包括建筑物内的空气循环，避免室内气体停滞，是维持室内空气质量的重要因素之一。建筑物的通风方式可以分为机械通风（或称强迫通风）及自然通风二种。机械通风或强迫通风是利用机械设备进行通风，利用引入外界空气的方式维持室内空气质量，减少空气中的湿气、异味及污染物，不过若外界的湿度较高，还需要额外的能量去除引入空气中的湿气。排风扇可以提供初步的机械通风机能，空气处理机组则可以提供较完整的机能。机械通风加上空气调节会被合称为MVAC（mechanical ventilation and air conditioning）。机械通风分为正压通风、负压通风和平衡通风三种模式。在需要保护或对洁净度要求比较高的房间一般采用正压通风；在需要排除异味或危险气体的房间一般采用负压通风，如厨房、卫生间、浴室和产生危险气体的厂房或仓库等；在需要利用大量空气进行冷却的房间采用平衡通风，如变压器房。一般厨房及浴室都会有抽油烟机或排风扇来去除异味及湿气。这类系统设计时的主要考量是空气流率（和风扇转速及大小有关）及噪音。若风管会经过一些温度较低的区域，风管需要作隔热处理，以免风管因温度过低而造成水蒸汽凝结的问题。很多应用都会使用直接驱动型的风扇，可以减少维护的成本。室内的电风扇可以让空气流动，皮肤上的汗水蒸发，因此室内的人会感觉比较凉爽。较热的空气会上升，在冬天也会用天花板的吊扇，使房间上方的较热空气和其他位置的空气循环。不过室内的电风扇只能使室内的空气流动，无法达到引入外界空气的通风目的。自然通风（英语：Natural ventilatio）是指一建筑物的通风不借由风扇或其他机械装置，可以打开的窗户是最简单的自然通风设备，适用在需通风的区域不大，且建筑物允许的情形下。较复杂的自然通风系统会利用暖空气上升的原理（即烟囱效应），使得建筑物内的空气产生对流，暖空气从建筑物上方的开口处排出，同时使上方的冷空气下降到较低的区域。这类系统耗能很少，不过需小心确保通风过程不会造成建筑物内人员的不适。在较潮湿或较热的天气时，很难只靠自然通风使维持室内舒适的温度，因此仍然会配合传统的空调系统一起使用。空气侧的节能装置其功能也是自然通风，不过会视需要先对要导入的外界空气进行预处理，调节温度及湿度后再进入室内。广义的空气调节是指室内空气的温度、湿度、清净度的调整，狭义的空气调节即为冷气，也就是降低室内空气的温度。空气调节系统的功能包括冷气、通风及空气湿度控制等。空气调节系统的原理大致相近，主要都是透过热泵，把热由一个低温热源传送到另一个较高温的散热装置，此程序称为冷冻循环（英语：refrigeration cycle）。在空气调节系统中传递能量的介质称为工质或冷媒，可以是水、空气、冰或其他化学物质都可以作为冷媒。在冷冻循环中，冷媒一开始为气态，借由压缩机使冷媒变成高温高压的气体，然后高温的冷媒流到室外的热交换器（也称为凝结盘管），冷媒释放热量，凝结成为液体。液态冷媒先经由扩张阀控制流量，再进入室内的另一个热交换器（也称为蒸发盘管），冷媒吸收室内空气的热量，在蒸发盘管中蒸发成为气态，再进入压缩机中重复下一个的循环。上述的循环会吸收室内的热量，再将热量释放到室外，因此可以降低建筑物内的温度。现代许多住宅、办公室及公共建筑会装设全空气（all-air）式的中央空调系统，全空气式的空调系统以空气做为传递热量的介质，由室外机吸收空气的热量（或提供热量给空气），处理后的空气直接透过风管送到室内。不过全空气式空调系统需要大型的风管，若建筑物建造时未考虑这类的空调系统，后来很难针对全空气式中央空调进行改造。而且风管设计需设法避免细菌的散布。这类的空调系统主要使用在住宅，最近也开始使用在小型的商业大楼。空气调节系统中的除湿机能是由蒸发盘管所提供。蒸发盘管的工作温度在露点以下，使得空气中的水汽凝结在蒸发器盘管的外侧。凝结水集中在蒸发盘管下方的凝结水盘中，再排到排水系统或直接排到室外的地上。除湿机是用来降低室内湿度的电器，原理类似空气调节系统。在食品零售业中的场合中，大型开放式冰水主机的除湿效率很高。加湿器的功能和除湿机恰好相反，是用来增加室内湿度的电器。有空气调节系统的建筑物其窗户多半是密封式的窗户，因为开放式的窗户会使空调系统无法达到维持室内空气条件恒定的目的。现代的空气调节系统都在内部装有空气过滤器。一般都使用重量较轻的空气滤网，空气经过滤网后才送到蒸发盘管。蒸发盘管依使用条件需定期清洗或是更换。例如建筑物位在高粉尘环境，或是室内有饲养猫、狗等宠物，其滤网的更换频率就会比较高。若空气滤网迟迟没有更换，会造成空气流量的下降，降低热交换效率、一方面浪费能源，使电费上升，也会缩短设备寿命。若冷涷系统中的空气流量不足，会使得蒸发盘管结冰，使空气流量变得更少。若暖气系统中的空气滤网很脏其至已经堵塞空气流量不足，会造成暖气循环系统过热，甚至有失火的危险。空气调节系统的主要作用是将热由室内的蒸发盘管传递到室外的凝结盘管。凝结盘管除了要将室内的热排到室外之外，也负责将压缩机运转产生的热排出。因此维持凝结盘管的清净也非常重要，以免因压缩机散热不良造成系统的损坏。在过去的二、三十年，暖通空调设备制造商一直努力使其生产的设备及系统更有效率。一开始是由于上涨的能源成本，后来则是由于对环境议题（如温室效应）的日益重视。美国国家环境保护局对暖通空调效率的要求也渐渐提高。如2006年就规定美国家用空调的季节能效比（英语：Seasonal energy efficiency ratio）（SEER）需高于13BTU/Wh，较当时市面上贩售空调季节能效比高了30%。以下是一些提高暖通空调设备效率的方法。热水暖气系统使用水作为热量传递的介质。可以有效率的提供大楼暖气，是许多年前常用的系统。但风热暖气（英语：forced air）（forced air）的系统还可以提供冷气的功能，使用上更加方便。风管供暖系统常用在教堂、学校及高级住宅中。其优点为空调效率较佳，可节省能源。但缺点是其装设成本较传统的暖通空调系统要高。分区的供暖系统将室内分成不同区域，利用多个自动调温器调节不同区域的温度，其能源效率会比中央供暖系统要好。在热水型的供暖系统，自动调温器控制各区域的热水阀门。在风管供暖系统，自动调温器控制各风管内减少暖风流量的挡板。在分区的供暖系统中，控制系统是维持各区域适当温度的关键技术。地源热泵类似一般的热泵，但用地热为其热源来提供暖气、空调及热水。各地区地下的温度随纬度而变化，但和气温相比，地下温度要稳定许多，地下约3米处的温度约从摄氏10度到16度。地源热泵的装设费用较一般的热泵要高，但后续所消耗的能源会明显下降。依照美国国家环境保护局的估计，使用地源热泵可以比一般热泵节省约四成的能源消耗，若和传统的电热器相比，可以节省约七成的能源消耗。能量回收（英语：Energy recovery）系统是指热能回收通风设备（英语：heat recovery ventilation）或是能量回收通风设备（英语：energy recovery ventilation）。这类设备利用热交换器或焓轮（enthalpy wheel）将排出空气和吸入空气进行热交换。因此可以回收排出空气的显热（英语：sensible heat）或是潜热。压缩机冷冻循环的性能受到热力学第二定律的限制。热机的效率可以用热效率来表示。不过空调系统及热泵是将热由一处移到另一处，和热机将热能转换为能量的情形不同，所计算的数值往往会超过100%，因此一般不使用“热效率”一词，改用性能系数（英语：Coefficient of performance）（简称COP）一词来表示。性能系数是一个无因次的物理量，是热泵的冷却能力和所输入的功率的比例：其中两者会使用相同的单位，一般会使用瓦特。另一个常用来表示冷却能力的词是能效比（简称EER），EER是指室外温度在摄氏35度时，热泵的冷却能力和所输入的功率的比例，冷却能力使用单位为千卡／小时或是BTU／小时，而输入功率使用单位为瓦特。为了要更准确的描述空调系统在实际使用一季时的特性，将能效比略作修改，成为季节能效比（英语：Seasonal Energy Efficiency Ratio）（简称SEER）。季节能效比会以室外温度为一季的平均温度为准。工程师发现可以透过硬件的改变来提升空调系统的效率。例如用来使空气流通的风扇一般是用金属片直接冲压而成，此作法在生产上是相当经济的作法，但所生产的风扇往往效率不佳。一个依空气动力学进行设计的风扇可以使推动等量空气的电动减少三分之一。