空气调节

空气调节，简称空调，是包含温度、湿度、空气清净度以及空气循环的控制系统。这与冷气机／空调供应冷气、暖气或除湿的作用原理均类似，大部分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。冷气机及暖气机的效率会用性能系数来表示，是输入功和提供热能（或抽出热能）的比例值，一般来说，直流马达比交流省电，变频比传统压缩机省电，因为能够节省大量的电费，直流变频型态逐渐成为市场主流。

## 历史

北非、西亚和印度很早以前就出现了被动制冷的捕风塔。

19世纪，英国科学家及发明家麦可·法拉第，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·B·戈里以压缩机技术制造冰，用来为他在佛罗里达州阿巴拉契科拉的医院病人提供凉爽的空气。他曾想用这种制冰技术来调节大楼的温度，并申请专利。但因缺乏资金，并未付诸实现。新泽西州霍博肯的工程师阿尔弗列德·渥尔夫（Alfred R Wolff, 1859-1909年）协助设计崭新的空气调节系统，并把技术用于商业大厦，他被认为是空气调节的先驱之一，但并不著名。

1902年后期，首个现代化、电力推动的空气调节系统由威利斯·开利发明。其设计与渥尔夫的设计差别在于并非只控制气温，亦控制空气的湿度以提高纽约布鲁克林一间印刷厂的制程品质。此技术提供了低温度及湿度的环境，令纸张面积及油墨的排列更准确，即发明了除湿机。其后，开利的技术开始用于工作间以提升生产效率。

在逐渐发展下，空气调节开始用于提升居家及汽车驾驶的舒适度。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史都亚特·W·克拉默（Stuart W. Cramer）正找寻方法增加其南方纺织厂的空气湿度。克拉默把技术命名为“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，可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。威利斯·开利使用此名称，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。这类气体泄漏后会酿成重大事故。托马斯·米基利在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制冷剂已于2010年起开始停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。

近年亦兴起了移动空调。

## 原理

### 冷冻循环

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在冷冻循环中，热泵把热量由一个低温热源传送到另一个较高温区域的散热装置，热量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，把热量由冰箱内部传送至冰箱外的空气中。

此循环可以用逆卡诺循环 (Carnot cycle) 解释。

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，两者皆使压缩机作压缩循环。由于热量被吸收时会产生蒸发现象，而热量释放时会产生冷凝，空气调节机使用压缩机在蒸发器和冷凝器之间造成压力的转变，并使冷媒流动。制冷模式时，压缩机将冷媒由低压气态压缩成高温高压气态。从压缩机出来的高温高压冷媒，流进室外机的冷凝器，通过室外机的轴流风扇的气冷将热量从冷凝器的铜管与铝片上带走，冷媒温度降低到稍高于室外温度。然后，常温中压冷媒经过毛细管或膨胀阀，所受压力急剧减小，温度急剧降低至低温低压冷媒，通过包裹保温棉的连接管进入室内机的蒸发器，室内机的风扇带来的空气流经蒸发器的铜管和铝箔片被吸收大量的热量，低温空气吹出室内机。蒸发器出来的低温低压气态冷媒，又通过连接管回到压缩机，开始另一个循环。

#### 湿度

冷冻空气调节装置常常会降低空气的湿度。比较冷（低于露点）的蒸发盘管把空气中的水蒸气凝结，正如冷饮品会令容器外空气中的水蒸气凝结一样，从而使相对湿度降低。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能够保持室内相对湿度介乎40%至60%。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设施。

#### 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氯成分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。而根据蒙特利尔议定书（Montreal Protocol），HCFC亦已逐渐被淘汰，由氢氟碳化物（hydrofluorocarbons，HFC）如R-410A,R404代替，并无氯化物成分。

除了化学冷媒或化学混和冷媒的使用之外，传统使用天然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。

### 蒸发冷冻机

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### 燃气三联供技术

一些建筑采用燃气发电机组来发电，发电效率可达40%左右，发电的同时产生的高温缸套水及高温烟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。如果不需要制冷，则可以制取热水或提供供热。

这种既发电又制冷或制热的能源利用技术很有吸引力，尤其是在燃气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 (小型常见应用就是旅行拖车上的三用冰箱) 多以瓦斯 (亦可燃材) 或电力提供 车屋、船屋，冷暖空调、烹饪、电力、通讯、转换使用。

## 能源与效率

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”（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 公制单位3517瓦。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。

在效率评估方面，有如下两项指标：

- EER（Energy Efficiency Ratio），指能源效率比，即冷房能力除以每小时的耗电瓦数，因此冷气机EER值越高则越有效率。
- COP（Coefficient of Performance），指性能系数，即冷气机在单位时间抽走的热量除以它所消耗的功率(一般指电机的输出功率)。

在中国，空调设备的法定标称功率为千瓦或瓦，但俗用“匹”。空调的1匹指的是制冷量为2000大卡，即2325瓦。如果以COP为3.16，则1匹制冷量的额定电功率为2325瓦÷3.16 = 735.5瓦 = 1 马力。“正1匹”空调机制冷量是2500W。“大1匹”空调机制冷量是2600W。现行的能效比为：一级COP=3.6；二级COP=3.4；三级COP=3.2。

## 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、隔热玻璃、窗帘及建筑物隔邻的树木，皆可减低系统的能源需求，耗用较少电能。

增加室内气密性也是隔热节能的必要手段，但是也会伤害健康（气密会让室内二氧化碳及有害物质累积），想要兼顾省能及健康，应做好气密，并同时引入过滤过的室外空气，而如果透过全热交换机引入空气，省能效果更好。

## 空调安装

须注意是空调机安装过程中的辅材配件对最终冷却效果甚至机体寿命有重大影响，苏宁易购2019年发布行业自主警示，认为最末端的空调安装乱象多发，诸多小水电师傅被请来安装空调但使用劣质辅材，最终导致冷却效果打折甚至漏水等现象，却被不知情的消费者怪罪于空调品牌商或销售商，苏宁表示"三分产品，七分安装"再好的空调机要是安装出差错也没用，而较便宜的空调机只要安装精细不见得制冷效果差，同时苏宁联合中国电器科学研究院发布《集成家电防坑手册》普及大众知识。

## 特殊场所所需空调设备设计

### 图书馆空调设备

图书馆一些区域会较冷，是因为空调设备必须顾虑到保存藏书的品质，所以必须兼顾空气中的湿度与温度。一般而言，高温高湿时会加速纤维氧化分解，也会增加霉菌等微生物的活性而危害纸张，因此温度20℃、湿度50％为书籍理想保存条件。

## 各地的家居空气调节系统

家居空气调节系统在西亚最为常见与普及。由于夏季气候炎热，而生活水平亦较高，空气调节成为一种生活必需品。随着生活水平的提升，空调在热带气候的东南亚地区如马来西亚、越南与菲律宾等地的有钱人社区亦逐渐普及。

东亚地区如日本、中国大陆、香港、新加坡和台湾等为生产空调的重要产地。此地区制造的空调系统多数为窗口式（窗型）或分体式，以分体式较为先进及昂贵。

在美国，家居空气调节系统在东岸及南部较为常见，而美国北部和西岸地区夏天气温不高，因此民众甚少使用。不过，中央空调系统在美国较常见，并成为佛罗里达州新建住宅的非正式标准。南美与澳洲等南半球国家到了12月的夏天也很炎热，因此北方地区也配备了冷气。

在欧洲，家居空气调节系统则较为罕见，部分原因是欧洲较为温和而没有炎热夏季的气候及社会原因，如西班牙人传统上会进行午睡（siesta），及到北游法国渡过漫长的暑假；但世界气候暖化的现象可能令空调系统更为普及，而且冷气机一般也可以用于供应暖气，算是一石二鸟。住宅、老人院及医疗设施皆欠缺空调设备，可能是欧洲在2003年热浪侵袭中造成35,000人死亡的原因之一。

## 健康影响

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许多空调机只有很普通的滤网，过滤灰尘及阻止霉菌滋生效果非常有限，因此灰尘及霉菌会堆积在空调机的风道、热交换器及风扇上，而多数空调机有许多地方必须由专业人士拆机才能洗到（市面上有许多空调机清洗剂，但这种方法洗不到空调机深处，因此效益有限），若没有定期由专人清洗（常开启空调的家庭，清洗间隔可能要低于一年），空调机反而会劣化空气质量。许多使用者不知道要定期请专人清洗室内的冷气机、或以为自行清洗即可，因此造成空气质量下降，提高过敏、气喘患病率。

空调机在冷气模式时，空调机变脏的速度可能会加快，因为水会凝结在热交换器上，当空调机关闭后，这些水会让霉菌更容易在空调机内部生长，因此冷气关闭后，空调机的风扇仍须开启至少数分钟、以吹干内部水汽，多数空调机都有冷气关闭后自动送风一段时间的功能选择。

空调机外加静电滤网甚至HEPA滤网、并定期更换，可以减少致敏源进入封闭的环境，减少过敏问题，但由于空气倾向绕过滤网，因此没有良好气密设计的空调机仍须经常清洗（空调机过滤器的气密设计很重要、与滤网效能及定期更换滤网一样重要，有效的气密设计才能确保进入空调机的空气全部都经过过滤）。而如果要过滤有害气体，还需要加入活性炭滤网或更有效的CPZ滤网。

另外，二手烟毒性强、扩散快、难过滤、会大幅缩减滤网寿命，只有室内全面禁烟或室内吸烟区完全隔离（完全隔离的定义包括独立空调或没有空调、负压隔离及管理好废气排放，在社会学上的定义还要有吸烟区不得提供吸烟以外的功能）才能大幅降低二手烟害，而室外在较为接近门窗处也必需禁烟。同理也适用于燃烧金纸、燃香及厨房油烟。

但是就算空气过滤设计良好，空调系统造成的温度变化过大（如由闷热的室外进入凉爽的室内空间）本身就有潜在危险，空调机被认为会引起哮喘(vasomotor asthma或vasomotor rhinitis），是在转换气压或气温的情况下通常会引起的反应。如果想要减少温差造成的影响，应该配合风扇使用，最好是让整个空间都有微风吹拂；在微风吹拂下，可以将温度调高仍有相同舒适度，不但更健康、也更省电。

就算定期清洗空调机及拥有良好的过滤系统，紧闭门窗仍会造成二氧化碳浓度上升，因此由室外引进空气也很重要，最好是引进经由过滤的空气；如果要减少通风造成的能量损失，可以采用全热交换机来引进室外空气。

### 除湿

部分品牌的空调没有精确除湿功能，容易除湿过度，造成干眼症、空调病。室外温度很高，空气干燥时，不宜开启除湿模式，以免损坏压缩机。长时间开启除湿模式，空气对鼻子的刺激较大。

## 环境影响

冷气消耗大量电力，带来二氧化碳等温室气体的排放，令城市越来越热。随着空调的普及化，越来越多的人也能在家中享受冷气，但当每家每户都启动空调时，其设备运行时所产生的热量亦令室外温度提升，尤其是夏天时所造成的影响就更明显，这种情况被称为热岛效应。

## 外部链接

- 制冷计算器，美国家电制造商协会（AHAM）
- 消费者家庭节能向导-中央空调，美国能源效率经济委员会（ACEEE）
- 获得能源之星的中央空调