空调制冷制热原理图解说明 空调冷热转换原理
随着时代的发展，空调已不再是奢侈品，而是许多人在居住与生活上的必需品。然而空调的使用需要用电，因此随者电力的用电，相关节能省电的问题也受到相当高度的重视。要知道如何使空调节能，则需具备基本的知识与原理。一般所称之的空调，常让人会认为其功能仅是吹出较冷的空气让室内空气降温，但其实不然。空调的英文是Air Conditioner，较为正式的名称为空气调节机(以下简称为空调)，顾名思义，其主要的功能是进行空气的调节，那调节哪些东西呢?最单纯的家用系统，包含了温度与湿度，再进一步地则包含维持空气的新鲜与洁净，也就是换气与过滤微小粒子等。本文所介绍的主题，则主要在制冷方面的温度与湿度调节。
图1 基本制冷循环示意图。
室内的空调降温，其实是一种能量的转移，以制冷而言，就是将室内的热量藉由空调机的冷冻循环移到室外，而所移走的热量，则包含了显热与潜热。换句话说，夏季的空调机不仅是将室内的温度降下来，同时也会将空气中所含有的水蒸气予以移除，而使人感到舒适。空气分为干空气与湿空气，干空气是不含水蒸气的空气，湿空气则是包含水蒸气的空气。在不同温度的情况下，空气中所含有的水蒸气有最高极限值，超过此极限则会凝结成水滴。随着温度提升，单位质量的干空气所含的最高水蒸气也随之提高。单位质量干空气中所含的水蒸气质量比值为湿度比或绝对湿度，单位质量干空气中所含的水蒸气质量与其可容许的最高水蒸气的质量比称为相对湿度。由于空气中水蒸气乃是由液态水蒸发而成，其经由相变化吸收潜热，所以空气中的水蒸气即为其潜热的来源。所以制冷用空调机的主要功用，是藉由冷冻循环降低温室内的温度(显热)及绝对湿度(潜热)。基本冷冻循环包含四大组件，如图1所示:蒸发器、压缩机、冷凝器与膨胀阀(或冷媒控制器)，冷媒则在连接各组件间的铜管内流动，并藉由管内冷媒的吸热、放热与相变化来吸收室内的热量传递至室外。位于室内的蒸发器，流经其铜管内的冷媒为低温与低压的液态，此时冷媒的温度低于室温，吸收来自室内湿空气的热量后汽化，其温度仍属低温，此低温的汽化冷媒经由压缩机转换为高温高压的冷媒，再进入冷凝器，此时的气态冷媒温度高于室外温度，并藉由鳍片及风扇带动气流与室外空气进行热交换，将所吸收室内的热量带离冷媒，使冷媒凝结与降压，此时冷媒的温度高于室内温度，再通过膨胀阀(或冷媒控制器)降低温度与压力，再进入蒸发器，完成一个冷冻循环。然而室内端除了移除显热进行降温外，也要移除潜热，也就是移除空气中的水蒸气，所以冷凝器中的温度，必须要低到足以使空气中的水蒸气予以凝结除湿，也就是达到露点温度，此经除湿后的湿空气再往室内吹并与原有室内的湿空气混合后，达成所需要的温度与相对湿度范围，如图2所示。
图2 空调制热交换示意图。
空调机的能源效率，主要是以能源效率比(Energy Efficiency Ratio, EER)来评估，其值是空调机的冷冻能力除以空调机的总耗电量，单位为W/W，其值越高、能源效率越佳。藉由冷冻循环，空调机所能移除的总热量为其耗电量的好几倍。空调机能源效率的分级，则依EER值的高低来订之。然而空调机会依季节的不同而有不同的效能，通常也不会在最高负载的条件下运转，夏天热负荷高、春秋天适中、冬天则热负荷低，因此空调机在不同的负载情形下，其效率也会不同，而EER仅以单一气温条件(35oC)来进行量测，无法显示在季节不同情形下，能源效率改变之影响。因此我国经济部能源局于民国104年针对无风管的空调机公告空调季节性能因数(Cooling Seasonal Performance Factor, CSPF)来做为能源效率的基准值，其主要的改变在于以空调机在全年空调季节运转期间之总空调负载除以运转期间之总消耗电量，单位为kWh/kWh，改变过去仅由单一功率做为比较，更改为整年度能源消耗的比较，如此可以反应出空调机在台湾各种季节条件运行下，较为省电或耗电。所以目前市售的家用空调机，其能源效率分级皆是以CSPF为基准。
知道了空调机基本的能源效率分级后，要如何进一步的认识空调节能呢?现在就针对室内的潜热与显热对于人体舒适性的影响予以说明。一般的家用空调主要作用是让人舒适，人体是属于发热体，因此需要排热，然而人体要如何排热呢？人体的排热主要是藉由呼吸与皮肤排汗来进行，人体的汗会蒸发至空气中，连同热一起带走，此即为潜热。如果周遭环境的相对湿度过高，人体身上的汗将不易蒸发至空气中，而使身体感受到黏黏的不舒适；反之，如果周遭环境的相对湿度过低，身体的汗会很容易地蒸发至空气中，而感到皮肤干燥及口干舌燥，如此同样的会感受到不舒适。所以一般室内环境中，人是主要的潜热来源，人体的热藉由皮肤表面的汗挥发至空气中，相对与绝对湿度会增加，所以空调机需要进行除湿，将室内环境的相对湿度控制在50 %~60%，人体会觉得舒适，此时即使温度提升个1、2度，人体仍然会感受到舒适。再者，室内有流动的空气，也会使人感受舒适凉快，其主要原因有二，首先是流动的空气会促使室内的冷热空气的混合，使室内的温度得以平均，因此位于不同角落的人皆能感受到舒适；其次是微风吹到人体，会提升皮肤与空气的热交换，同时也会提升排汗的速率，而使人感受较为凉爽，此时室内温度调升个1、2度，人体也仍然会感受舒适。那室温调升为何会节能呢?其主要原因有二:第一是可以降低冷媒的流量，也就是压缩机的转速可以降低，而压缩机的理论消耗功率会与转速的三次方成正比，因此每降低一半的转速，其理论的消耗功率会为原来的1/8，而流量与压缩机的转速成正比，因此降低冷媒流量即可有效地节省空调机的耗电；第二是可以降低空调机室内与室外的风量，同样地，降低风量亦可以降低风机的转速，而风机的理论消耗功率亦与转速的三次方成正比，而风量与风机的转速成正比，因此降低风机的风量亦可有效地节省空调机的耗电。
室内环境的显热来源则包含了电器用品(如电灯、电视、电脑、烤箱、瓦斯炉…等)与室外的热传递至室内(如透过墙壁、窗户、门等)等，室外高焓值空气的侵入，会同时将显热及潜热带入室内，人体则为潜热的主要来源。整体室内的热焓值的增加量，则需要空调机将其移除，以维持室内的温度与湿度。因此，降低室内的热负荷，也能有效地达成空调节能。此外，当空调机刚开始运作制冷时，由于室内环境尚处于较高的温度与湿度，因此空调机是处于的高负载的条件，能耗较高。然而当室内温度达到所设定的温度与湿度后，仅须维持平衡，也就是将增加的热负荷能量予以移除即可，对于空调机而言，是处于较低的负载条件下运作，此时空调机若具备变频的功能，则可以降低压缩机转速与或风机转速，达到节能效益。
综合上述，对于空调机制冷应该有了基本的认识；能否进行有效的冷冻循环、降低热负荷与达到热舒适性，将是空调机是否得以节能的关键，因此归纳几点基本节能的建议:
- 选择具变频空调机，并有良好的CSPF能源效率值，使空调机在部份负载与因应不同季节的环境条件，皆能有好的能源效率。
- 不宜设定过低的温度，在维持适当的湿度下，可以适当调高室内温度值而维持良好的热舒适性。
- 空调机运作时可以搭配室内循环风扇使用，如此不仅可以使温度分布均匀，也可以在不影响热舒适性的条件下，将室内温度予以调高。
- 减少室内空调的外泄量，进而降低室外高焓值的热侵入至室内，导致空调负荷增加。
- 定期检查与清洗空调机室内机的蒸发器鳍片与室外机冷凝器鳍片，以免污垢与灰尘的累积影响热交换效能，导致空调机能源效率的下降。
- 确认包覆冷媒铜管的保温管无破损与确实包覆，以确保冷媒得以进行良好的冷冻循环。
- 室内机与室外机皆留有足够的空间进行空气的对流，使其得以具备良好的热交换效率。
- 空调机送风上游处避免流经发热源，以免热负荷带入整个室内空间，使人感受较为不舒适，导致必须调低控制温度以维持舒适性。
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