空调使炎热的天气变得可以忍受。 谢斯托克/盖蒂图片社

　　第一个现代空调系统是由一位名叫威利斯·哈维兰·开利的年轻电气工程师于 1902 年开发的。它旨在解决纽约布鲁克林的萨克特-威廉平版印刷和出版公司的湿度问题，工厂的纸张有时会从温暖的夏季空气中吸收水分，因此难以应用当时的分层墨迹技术。开利通过吹过冷却管道来处理建筑物内的空气。空气在通过冷管时冷却，由于冷空气不能像暖空气那样携带那么多的水分，因此该过程降低了植物中的湿度并稳定了纸张的水分含量。降低湿度也有降低空气温度的附带好处 - 一项新技术诞生了。

　　开利意识到他已经开发出了具有深远潜力的东西，不久之后，空调系统开始出现。 剧院 和商店，使漫长而炎热的夏季更加舒适[来源： 时间].

　　空调用于降低房间内环境空气温度的实际过程是基于一个非常简单的科学原理。其余的都是通过应用一些巧妙的机械技术来实现的。实际上，空调与您家中的其他电器非常相似 - 冰箱.空调没有冰箱所依赖的外部外壳来隔热其冷藏箱。相反，您家中的墙壁将冷空气挡在里面，热空气挡在外面。

　　让我们转到下一页，我们将发现当您使用空调时，所有热空气会发生什么。

　　空调基础知识

　　空调利用制冷来冷却室内空气，利用了一个非凡的物理定律：当液体转化为气体时(在一个称为 相位转换)，它吸收热量。空调利用这种相转换的特点，迫使特殊的化合物在封闭的线圈系统中一遍又一遍地蒸发和冷凝。

　　涉及的化合物是 制冷 剂 具有使它们能够在相对较低的温度下发生变化的特性。空调还包含风扇，可将温暖的室内空气通过这些冷的、充满制冷剂的盘管移动。事实上，中央空调有一个完整的管道系统，旨在将空气输送到这些蛇形的空气冷却盘管中。

　　当热空气流过冷的低压时 蒸发器盘管，内部的制冷剂在从液态变为气态时吸收热量。为了保持高效冷却，空调必须将制冷剂气体再次转化为液体。为此，压缩机将气体置于高压下，这一过程会产生不必要的热量。然后，在第二组线圈的帮助下，通过压缩气体产生的所有额外热量被排空到室外，称为 冷凝器盘管，以及第二个风扇。当气体冷却时，它会变回液体，然后该过程重新开始。把它想象成一个无休止的、优雅的循环：液体制冷剂、相转化为气体/热量吸收、压缩和再次相变回液体。

　　很容易看出，空调中发生了两件截然不同的事情。制冷剂正在冷却室内空气，产生的气体不断被压缩和冷却，以便再次转化为液体。在下一页中，我们将看看空调的不同部分如何使这一切成为可能。

　　空调的零件

　　如何工作在解决构成标准空调的独特组件之前，让我们先解决一些内务管理主题。空调要做的最大工作是冷却室内空气。不过，这还不是它的全部。空调通过 恒温器.它们还有一个机载过滤器，可以从循环空气中去除空气中的颗粒物。空调的作用是 除湿 机.由于温度是相对湿度的关键组成部分，因此降低一定体积潮湿空气的温度会导致其释放部分水分。这就是为什么在空调附近或连接到空调时有排水沟和集湿盘，以及为什么空调在潮湿的日子里运行时会放水。

　　尽管如此，空调的主要部件管理制冷剂并在两个方向上移动空气：室内和室外：

　　蒸发器- 接收液体制冷剂

　　冷凝器- 促进热传递

　　膨胀阀 - 调节进入蒸发器的制冷剂流量

　　压缩机- 对制冷剂加压的泵

　　空调的冷侧包含蒸发器和风扇，风扇将空气吹过冷却盘管并进入房间。热侧包含压缩机、冷凝器和另一个风扇，用于将压缩制冷剂排出的热空气排放到室外。在两组线圈之间，有一个 膨胀阀.它调节进入蒸发器的压缩液体制冷剂的量。一旦进入蒸发器，制冷剂就会经历压降、膨胀并变回气体。这 压缩机 实际上是一个大型电动泵，它对制冷剂气体加压，作为将其变回液体的过程的一部分。还有一些额外的传感器、计时器和阀门，但蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀是空调的主要部件。

　　虽然这是空调的传统设置，但您应该了解几种变化。窗户空调将所有这些组件安装到一个相对较小的金属盒中，该金属盒安装在窗户开口中。热空气从设备背面排出，而冷凝器盘管和风扇冷却并再循环室内空气。较大的空调的工作方式略有不同：中央空调与家庭供暖系统共用一个控制恒温器，而压缩机和冷凝器，即设备的热侧，甚至不在房子里。它位于户外一个单独的全天候住房中。在非常大的建筑物中，如酒店和医院，外部冷凝装置通常安装在屋顶的某个地方。

　　窗户和分体式空调机组

　　如何工作窗式空调单元在狭小的空间内实现完整的空调。这些装置做得足够小，可以放入标准窗框。您关闭设备上的窗户，将其插入并打开以获得冷空气。如果您取下未插电的窗户单元的盖子，您会发现它包含：

　　一台压缩机

　　膨胀阀

　　热线圈(在外面)

　　冷却线圈(内部)

　　两个风扇

　　一个控制单元

　　风扇将空气吹过盘管，以提高其散热(向外部空气)和冷(对正在冷却的房间)的能力。

　　当您进入更大的空调应用时，是时候开始研究分体式系统单元了。分体式空调将系统的热侧与冷侧分开，如下图所示。

　　冷侧由膨胀阀和冷盘管组成，通常放置在 炉 或其他一些空气处理器。空气处理器通过盘管吹气，并使用一系列管道将空气输送到整个建筑物中。热侧，称为冷凝装置，位于建筑物外。

　　该装置由一个形状像圆柱体的长螺旋线圈组成。线圈内部是一个风扇，用于通过线圈吹空气，以及 天气-抗性压缩机和一些控制逻辑。这种方法多年来一直在发展，因为它成本低，还因为它通常会导致房屋内的噪音降低(以增加房屋外的噪音为代价)。除了热侧和冷侧分开并且容量更高(使线圈和压缩机更大)之外，分体式系统和窗式空调之间没有区别。

　　在仓库、大型商务办公室、商场、大型百货公司和其他大型建筑物中，冷凝机组通常位于屋顶上，并且可能非常庞大。或者，屋顶上可能有许多较小的单元，每个单元都连接到一个小型空气处理器上，该空气处理器冷却建筑物中的特定区域。

　　在较大的建筑物中，特别是在多层建筑物中，拆分系统方法开始遇到问题。要么在冷凝器和空气处理器之间运行管道超过距离限制(运行时间过长会导致压缩机润滑困难)，要么管道工作量和管道长度变得难以管理。在这一点上，是时候考虑冷冻水系统了。

　　冷冻水和冷却塔空调机组

　　如何工作虽然标准空调非常受欢迎，但它们会消耗大量能量并产生相当多的热量。对于办公楼等大型设施，空气处理和空调的管理有时略有不同。

　　某些系统使用 水 作为冷却过程的一部分。最著名的两种是冷冻水系统和冷却塔空调。

　　冷冻水系统 - 在冷冻水系统中，整个空调安装在屋顶或建筑物后面。它将水冷却到40至45华氏度(4.4至7.2摄氏度)之间。然后，冷冻水通过管道输送到整个建筑物中，并连接到空气处理器。这可以是一个多功能系统，其中水管像标准空调中的蒸发器盘管一样工作。如果它绝缘良好，冷冻水管的长度没有实际的距离限制。

　　冷却塔技术 - 在我们到目前为止描述的所有空调系统中，空气都用于从压缩机盘管散热。在一些大型系统中，使用冷却塔代替。塔产生一股冷水流，流经热交换器，冷却热冷凝器盘管。塔将空气吹过水流，导致部分蒸发，蒸发冷却水流。这种系统的缺点之一是必须定期加水以弥补蒸发损失的液体。空调系统从冷却塔获得的实际冷却量取决于空气的相对湿度和气压。

　　因为上升 电气 成本和环境问题，其他一些空气冷却方法也在探索中。一种是非高峰或冰冷技术。一 非高峰期 冷却系统使用傍晚冻结的冰在一天中最热的时候冷却室内空气。尽管该系统确实使用能源，但最大的能源消耗是在社区电力需求最低的时候。非高峰时段的能源成本较低，高峰时段的能耗降低缓解了对电网的需求。

　　另一种选择是地热供暖。它各不相同，但在地下约6英尺(1.8米)处，地球的温度范围为45至75华氏度(7.2至23.8摄氏度)。背后的基本思想 地热冷却 就是用这个恒温作为热源或冷源，而不是用电来生热或冷。最常见的家庭地热装置类型是闭环系统。充满液体混合物的聚乙烯管道埋在地下。在冬季，流体从地球收集热量，并将其通过系统带入建筑物。在夏季，该系统通过管道将热量吸入地下来反转以冷却建筑物[来源： 地暖].

　　为了提高能源效率，太阳能空调也首次亮相。可能仍然有一些问题需要解决，但美国消耗的所有电力中约有5%用于为一种或另一种类型的空调供电，因此节能空调选择有很大的市场[来源： 王牌].

　　BTU 和 EER

　　大多数空调的容量以英国热量单位(Btu)为单位。Btu 是将 1 磅(0.45 公斤)水的温度提高一华氏度(0.56 摄氏度)所需的热量。一个 Btu 等于 1，055 焦耳。在加热和冷却方面，一吨等于12，000 Btu。

　　典型的窗式空调的额定值可能为 10，000 Btu。相比之下，典型的 2，000 平方英尺(185.8 平方米)的房子可能有一个 5 吨(60，000 Btu)的空调系统，这意味着您可能需要每平方英尺 30 Btu。这些是粗略的估计。要根据您的特定应用准确确定空调的尺寸，您应该联系暖通空调 承包商.

　　空调的能效等级 (EER) 是其 Btu 等级相对于其瓦数。例如，如果一台 10，000 Btu 的空调消耗 1，200 瓦，则其 EER 为 8.3(10，000 Btu/1，200 瓦)。显然，您希望 EER 尽可能高，但通常更高的 EER 伴随着更高的价格。

　　假设您可以在两个 10，000-Btu 单位之间进行选择。一个 EER 为 8.3，消耗 1，200 瓦，另一个 EER 为 10，消耗 1，000 瓦。假设价格差异为100美元。要确定更昂贵设备的投资回收期，您需要知道您每年将运行空调大约多少小时以及您所在地区的千瓦时 (kWh) 成本。

　　假设您计划在一年中的四个月中每天使用空调六小时，费用为 0.10 美元/千瓦时。两个单元之间的能耗差异为 200 瓦。这意味着每五个小时，较便宜的装置将比较昂贵的装置多消耗一千瓦时(或 0.10 美元)。

　　让我们算一算：一个月大约有 30 天，您正在操作空调：

　　4 个月 x 每月 30 天 x 每天 6 小时 = 720 小时

　　[(720 小时 x 200 瓦)/ (1000 瓦/千瓦)] x 0.10 美元/千瓦时 = 14.40 美元

　　更昂贵的空调机组的购买成本要高出100美元，但运营成本却更少。在我们的示例中，价格较高的单位需要七年才能实现收支平衡。

　　湿度背后的热量

　　人类使用汗水来保持凉爽，大约45%的相对湿度几乎非常适合出汗。非常潮湿的条件非常不舒服，因为空气被水分饱和，所有那些好的，凉爽的汗水都无法蒸发。它无处可去。只要把那闪亮的光芒想象成你身体的个人空调——当它不太潮湿时[来源：HSW]。

　　节能冷却系统

　　由于成本上升 电力 随着“绿色环保”趋势的增长，越来越多的人转向替代冷却方法，以保护他们的钱包和环境。大企业甚至纷纷加入进来，以改善其公众形象并降低管理费用。

　　冰冷却系统是企业在夏季应对高电费的一种方式。冰冷却就像听起来一样简单。大水箱在夜间冻结成冰，此时能源需求较低。第二天，一个很像传统空调的系统将冰中的冷空气泵入建筑物。冰冷却可以节省资金，减少污染，减轻电网压力，并且可以与传统系统一起使用。冰冷却的缺点是系统安装成本高且需要大量空间。即使启动成本很高，全球仍有3，000多个系统在使用[来源： 美国有线电视新闻网].您可以在 中阅读有关冰冷却的更多信息 冰块比空调好吗?

　　冰冷却系统是省钱和节约能源的好方法，但其价格标签和空间要求将其限制在大型建筑物中。房主节省能源成本的一种方法是安装地热供暖和制冷系统，也称为地源热泵 (GSHP)。环境保护局最近将地热机组命名为“所有空间调节系统中最节能和环境敏感的装置”

　　虽然它有所不同，但在地下六英尺处，地球的温度在 45 到 75 华氏度之间。地热冷却背后的基本原理是利用这种恒温作为热源，而不是用电产生热量。

　　最常见的家庭地热装置类型是闭环系统。聚乙烯管埋在地下，要么像井一样垂直，要么水平埋在三到六英尺的沟渠中。它们也可以埋在池塘下。水或防冻液/水混合物通过管道泵送。在冬季，流体从地球收集热量，并将其通过系统带入建筑物。在夏季，系统会通过从建筑物中抽取热量，将其通过系统携带并将其放置在地下来反转以冷却建筑物.

　　房主可以通过用地源热泵替换传统的HVAC系统来节省30%至50%的冷却费用。初始成本可能高达30%，但这笔钱可以在三到五年内收回，大多数州都提供财务购买激励措施。另一个好处是该系统比传统装置使用寿命更长，因为它不受元素的影响并且不会被盗[来源： 地理交换].

　　被动冷却

　　有些人走极端，完全摆脱他们的空调。被动冷却是最环保的趋势，也是省钱的好方法。被动冷却围绕着利用房屋与周围环境之间的相互作用从家中去除暖空气的概念。有几种方法可以阻挡和消除热量，包括通过景观美化遮阳，使用深色外墙涂料，在屋顶椽子上安装辐射屏障和良好的老式绝缘材料。另一种方法是通过热虹吸，即通过受控气流去除热量的过程。打开房子微风一侧的下部窗户和对面的上部窗户会产生真空，吸出热空气。吊扇和屋顶通风口是以低成本将热量引出的其他方法[来源： 地球容易].