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2017年7月12日 星期三

上午2:15:00
HVAC Training - Basics of HVAC







謝仁堯


在談空調控制之前,需要有一些基本領域知識及觀念的理解,下面我們就先整理分享一些,必備的知識背景供大家了解:

首先談何謂空調?一般業界將這個領域統稱為暖通空調(Heating, Ventilation and Air Conditioning,簡稱HVAC)這通常是指室內關於暖氣、通風及空氣調節整體系統的通稱,但國內因地處亞熱帶,所以大部分人所謂的空調,都指的是冷氣系統而已!所以我們討論的重點,也會放在以冷凍為基礎的重點上。

熱交換
熱交換是空調的基本要件,進行熱交換時需要一種能傳遞能量的介質,依據能量守恆定律,當高溫介質遇到低溫介質時會將能量(熱)導向低溫介質,所以高溫介質溫度降低、同時低溫介質溫度昇高。在空氣調節系統中傳遞能量的介質稱為冷媒,冷媒可以是水、空氣或其他化學物質,這些物質至少會有二態(液態 ↔ 氣態)或三態(固態 ↔ 液態 ↔ 氣態)變化以利潛熱轉移。當然要承載這些介質以及讓冷媒可以流動必需要一些輔助裝置,這些組合品可以稱之為熱交換器。

熱泵

依據熱力學原理,能量是由高處(熱)往低處(冷)流,但當我們希望逆流(能量由低溫處傳導至高溫處)時怎麼辦?所以前人就發明了一套熱交換循環系統來讓願望得以實現,這套系統就稱之為熱泵。

依據維基百科的定義:熱泵(Heat Pump),又稱冷機(Refrigerator),是在熱力學第二定律基礎上産生的一種高效加熱裝置,可將能量由低溫處(低溫熱庫)傳送到高溫處(高溫熱庫)。它能提供給高溫處的能量總和,要大於它自身運行所需要的能量,多出的這部份熱量,是在運行能量的作用下,從較低溫處所取得的。



簡單解釋其中道理,就是要逆向傳導能量就必需得作工,當然種瓜不一定得瓜,利用能量轉換原理,可以供給電能相對轉換為熱能,這其中牽涉到運作轉換效率的問題,即謂之空調效率或能效(COP)。

能效(COP)

依據維基百科的說明:能效(COP)這個詞描述了有效熱量移動,與工作需要的能量的比率。壓縮機冷凍循環的性能,受到熱力學第二定律的限制。熱泵的效率可以用熱效率來表示。性能係數是一個無因次的物理量,是熱泵的冷卻能力和所輸入的功率的比例:




兩者會使用相同的單位,一般會使用瓦特。

另一個常用來表示冷卻能力的詞是能效比(簡稱EER),EER是指室外溫度在攝氏35度時,熱泵的冷卻能力和所輸入的功率的比例,冷卻能力使用單位為千卡/小時或是BTU/小時,而輸入功率使用單位為瓦特。

冷凍循環
依據維基百科的說明:在冷凍循環中,熱泵把熱量由一個低溫熱源,傳送到另一個較高溫區域的散熱裝置,熱量會自然地以相反方向流動。

這是最普遍的空氣調節方式。最常見的冷凍循環,使用電動馬達推動一個壓縮機,由於熱量被吸收時會產生蒸發現象,而熱量釋放時會產生凝結,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,並經過另一熱量交換盤管,凝結成為液體,並釋放出先前在冷間隔中,所吸收的熱量。我們用下面這張圖來說明整個冷凍循環系統:





整個冷凍循環系統看似簡單,實則隱含很多各家營業秘密在裡頭,關於各熱交換裝置的選擇、壓縮機廠牌及大小的選用匹配以及如何精準控制流量的技術等最後都會呈現在 COP值的表現上,而COP值的優劣表現就表示整體冷凍機的好壞。

接著我們來談談空調的分類有那些,若依冷凍機熱交換的機制,不同一般可以分為水、空氣及化學冷媒三種;若依系統的大小,則可以簡分為中央空調,及獨立系統二大類。

先說明這樣的分法沒有任何學術依據,完全是個人的經驗分享,但應該足夠一般人便於分辨學習了!通常獨立系統多由單一廠商,提供的單一品牌設備組成,反之中央空調系統則多由多廠牌設備透過系統整合,以及工程商組合而成,所以較為複雜。首先我們先由獨立系統開始談起。

一般市面上常見的獨立冷氣系統大概可以區分為窗型(通常為定頻)、分離式(有定頻及變頻二種)及多聯變頻三大類,獨立型冷氣系統基本上都是以化學冷媒(冷凍機部分)搭配氣冷式熱交換機制組合。

我們回到冷凍循環系統圖來看,共有吸熱及散熱二組熱交換機制,氣冷式代表這二組,均以空氣來作熱交換介質,所以吸熱區放置在室內空間持續運轉,則可以降低室內空間溫度,反之則將吸熱區吸取的熱能,逸散至室外空間。

窗型屬一體成型機全含所有機制,分離式則是將吸熱裝置分離獨立放置到室內空間,這二者間則以冷媒管互相連結,多連式則有多組以上的獨立室內吸熱交換機,所以一組室外機可以搭配多組室內機,也由於吸熱空間的量體並不固定,所以多以變頻為之!

定頻及變頻的主要差異是定頻提供固定的制冷量而變頻機則可以依需求不同提供可變制冷量,當然也相對節能多了;變頻相對於定頻需要的元件較多、處理程序及系統也較為複雜所以價位也相對較高。

中央空調系統通常指的是中大型空調系統,這種系統一般是以一或二組以上冰水主機為核心,再搭配其它系統組合而成,當然現在有很多日系獨立系統,也慢慢發展出中小型中央空調系統,但這類系統我們在此先不多作討論,有機會再另外說明。

以冰水主機為核心的中央空調系統,多會搭配水系統,及水氣混合系統為熱交換介質,我們先不討論冰水主機的內部構成,整體系統可以簡單的由下列幾個子系統組成:

- 冰水主機-核心設備主制冷機制。
-  冰水循環系統-將冰水送至各需要冷房效果的房間。
-   冷却水循環系統-將冰水主機吸收的熱源送至戶外冷却水塔與戶外空氣進行熱交換。
-   冷却水塔-將冰水主機送出之熱水降至一般溫度再回送至冰水主機。
-   終端氣冷循環系統或稱終端空調箱-以冰水主機輸出之冰水為冷媒與室內空氣進行冷熱交換帶走室內熱源送至冰水主機。
- 中央空調系統-泵、閥、各式感應器及開關以及控制器及軟體…等等,這部分是整體中央空調表現是否優劣(節能與否)的核心,也是未來我們討論的重點。


整體架構可由下圖說明:




當然我們今天介紹的都只是基本架構,不論冰水主機或各循環子系統或終端空調箱,都還有各自足以探討的領域,及深化的技術,這些粗淺的說明,只是利於未來我們要繼續探討空調控制,所需具備的基本常識,希望這些說明能對一些有興趣的朋友有所幫助。


待續


                                                                                                                                                                                                                 

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