熱傳遞和英熱單位

舒適背後的科學

HVAC是應用熱力學。每個供暖和冷卻系統通過將熱從一個地方移動到另一個地方而工作。熱力學第一定律告訴我們能量不能被創造或破壞——只能被轉移。空調不會產生冷。它將熱從建築物內部移動到外部。

BTU（英熱單位）——HVAC行業中的標準熱能單位。一個BTU是將一磅水升溫一華氏度所需的熱量。典型的住宅空調系統額定為24,000至60,000 BTU/小時。一噸冷卻等於12,000 BTU/小時——這來自在24小時內融化一噸冰所需的熱量。

三種熱傳遞方式：

傳導——熱通過材料之間的直接接觸移動。熱銅製冷劑管溫暖你的手是傳導。熱通過熱交換器的牆壁通過傳導流動。

對流——熱由移動的流體（空氣或液體）攜帶。強制空氣爐加熱空氣，鼓風機將其推動通過管道——這是對流。製冷劑流經系統時通過對流攜帶熱。

輻射——沒有介質的電磁波傳遞的熱。太陽照射屋頂是輻射。輻射地板加熱直接加熱物體，無需先加熱空氣。

顯熱與潛熱——顯熱改變物質的溫度，你可以用溫度計測量。潛熱改變物質的狀態（液體到氣體或氣體到液體），不改變其溫度。在HVAC中，潛熱至關重要，因為製冷劑在蒸發器線圈內從液體蒸發為氣體時吸收大量熱。那個相變是使空調成為可能的原因。

顯熱與潛熱

在潮濕的夏日，你走進一棟空調建築。空氣感覺比外面涼爽幹燥。你注意到水從室內單元附近的冷凝水排水管滴落。

四個組件，一個循環

每個空調和熱泵的心臟

蒸汽-壓縮製冷循環是驅動每個空調、熱泵、冰箱和冷凍櫃的引擎。它將熱從你想要涼爽的地方移動到你可以傾倒它的地方。該循環有四個主要組件連接在一個閉路迴圈中。

1. 壓縮機——系統的泵。它接收來自蒸發器的低壓、低溫製冷劑蒸氣，並將其壓縮成高壓、高溫蒸氣。壓縮向製冷劑添加能量，將其溫度提高到遠高於室外空氣溫度，以便它可以在外部排放熱量。壓縮機是最昂貴的組件，也是消耗最多電力的組件。

2. 冷凝器（室外線圈）——高壓、高溫蒸氣進入冷凝器線圈。風扇將室外空氣吹過線圈。因為製冷劑比室外空氣熱，熱從製冷劑轉移到空氣。製冷劑釋放其熱（包括它在室內吸收的潛熱），並從蒸氣凝結為高壓液體。過冷卻是將液體冷卻到其冷凝溫度以下的額外冷卻——它確保所有製冷劑在到達膨脹裝置前完全液化。

3. 膨脹裝置（計量裝置）——高壓液體通過一個限制——一個熱膨脹閥（TXV）或固定孔口。突然的壓力下降導致製冷劑的沸點急劇下降。部分液體閃蒸為蒸氣，溫度急劇下降。製冷劑現在是冷的、低壓的液體和蒸氣的混合物。

4. 蒸發器（室內線圈）——冷製冷劑進入蒸發器線圈。室內空氣由鼓風機電動機吹過線圈。製冷劑從溫暖的室內空氣吸收熱並從液體蒸發為氣體。過熱是將蒸氣加熱到其沸點以上的額外加熱——它確保所有製冷劑在返回壓縮機前完全汽化，因為液體衝進壓縮機會摧毀它。

循環連續重複：壓縮、冷凝、膨脹、蒸發。熱在室內被吸收，在室外被排放。

製冷劑——循環中的工作流體。R-22（氟氯烴）曾經是標準，但由於臭氧耗盡現已被逐步淘汰。R-410A在大多數住宅系統中取代了它。R-454B是下一代，具有較低的全球變暖潛力。處理製冷劑需要EPA第608條認證——向大氣排放製冷劑是聯邦違規。

追蹤循環

一位房主打電話說他們的空調在運行但不冷卻。你到達時發現室外單元的風扇在旋轉，壓縮機在運行，室內鼓風機在移動空氣。但從供應通風口吹出的空氣是溫暖的。你檢查製冷劑管線，發現大吸入管線（應該是冷的並因冷凝而出汗）對觸摸是溫暖的。

爐、熱泵和鍋爐

建築物如何變暖

雖然空調主導夏季工作，但供暖系統在冬季保持HVAC技術人員忙碌。三種主要供暖技術各有不同的工作原理。

燃氣爐——在燃燒室中燃燒天然氣或丙烷。熱燃燒氣體通過熱交換器——一組金屬管或蛤殼組件。室內空氣由鼓風機吹過熱交換器外部，吸收熱量，並通過管道系統分配。燃燒氣體通過煙囪或PVC通風管排出到戶外。裂裂的熱交換器是HVAC中最危險的故障之一——它允許一氧化碳（CO）混入室內空氣供應。年度燃燒分析（檢查CO水平、氣體壓力、溫度上升和通風草稿）是至關重要的安全工作。

熱泵——與空調相同的製冷循環，但帶有一個逆轉閥，可以改變製冷劑流動方向。在冷卻模式中，它將熱從內部移動到外部，就像標準空調一樣。在加熱模式中，逆轉閥翻轉，系統將熱從室外空氣移動到建築物內部。室外線圈變成蒸發器（從室外空氣吸收熱）室內線圈變成冷凝器（在室內釋放熱）。熱泵即使在低溫下也可以從室外空氣中提取熱，儘管當溫度下降時它們的效率下降。大多數熱泵系統在極冷天氣時包括輔助電阻加熱條。

鍋爐——加熱水（水力系統）或產生蒸汽，並通過管道將其分配到散熱器、踢腳線加熱器或輻射地板管道。鍋爐燃燒氣體、油或使用電阻元件。水力系統在較舊的建築物和商業應用中很常見。鍋爐工作涉及理解水化學、壓力釋放閥、膨脹罐和循環泵。

效率等級——爐由AFUE（年度燃料利用效率）額定。96%AFUE爐將96%的燃料能量轉換為熱。熱泵由HSPF（加熱季節性能因素）額定用於加熱和SEER（季節能效率）用於冷卻。更高的數字意味著更高的效率。

熱泵與爐

一位溫和氣候（冬季溫度約30-40華氏度）的房主詢問他們是否應該用熱泵替換他們的舊燃氣爐。他們想節省能源費用並減少碳足跡。

管道系統、氣流和過濾

讓空氣到達它需要去的地方

世界上最好的爐或空調，如果空氣分配系統無法向每個房間提供冷卻的空氣，那就毫無用處。管道系統設計和氣流管理是核心HVAC技能。

管道類型——鋼板（剛性矩形或圓形）、軟管（柔性絕緣管）和管板（剛性玻璃纖維板）。鋼板最耐用且最高效。軟管更便宜，更容易安裝，但必須緊緊拉動——折叠或壓縮的軟管會殺死氣流。每種類型都根據建築物、預算和代碼要求有特定的應用。

氣流測量——空氣體積以CFM（每分鐘立方英尺）測量。每個房間根據其大小、熱負荷和居住人數需要特定的CFM。典型的2,000平方英尺房子可能需要800-1,200 CFM總計。技術人員使用風速計或流量罩在每個登記處測量CFM。

靜壓——管道系統對氣流的阻力，以英寸水柱（英寸）用壓力計測量。把它想象成血壓——太高意味著某物正在限制流量（髒過濾器、坍塌的管道、尺寸不足的管道）。太低意味著洩漏或鼓風機弱。大多數住宅系統的目標總外靜壓為0.50英寸或更低。高靜壓迫使鼓風機更努力地工作，浪費能源，降低氣流，並縮短設備壽命。

過濾——空氣過濾器從再循環空氣中去除灰塵、花粉和顆粒。過濾器由MERV（最小效率報告值）從1到20評級。標準住宅過濾器是MERV 8-11。醫院級是MERV 13-16。更高的MERV意味著更好的過濾，但靜壓也更高——對系統來說限制性太強的過濾器會窒息氣流，並可能凍結蒸發器線圈。

返回空氣——大多數系統具有供應管道（提供冷卻的空氣）和返回管道（將空氣拉回單元進行重新調節）。不充分的返回空氣是最常見的住宅管道問題之一——它造成壓力不平衡、使門砰地關閉並迫使系統與自己工作。

診斷氣流問題

一位房主抱怨他們的樓上臥室在夏季總是太溫暖，而樓下保持舒適。該系統是一個單區域空調，在樓下放置一個恆溫器。管道系統通過炎熱的閣樓運行到達樓上登記處。你測量靜壓，發現它是0.85英寸——遠高於0.50目標。

進入這個行業

HVAC職業和認證

HVAC是全國需求量最大的技術性行業之一。美國勞工統計局預測快於平均的工作增長，經驗豐富的技術人員供應短缺。這項工作無法外包——建築物需要當地技術人員，可以出現並修復系統。

EPA第608條認證——聯邦法律要求購買或處理製冷劑。有四種類型：I型（小型電器）、II型（高壓系統，如住宅空調）、III型（低壓系統，如大型冷卻塔）和通用（所有類型）。大多數HVAC技術人員在培訓早期獲得通用認證。測試涵蓋製冷劑處理、回收、回收和環境法規。

NATE認證——北美技術人員卓越。NATE測試涵蓋特定系統類型（空調、熱泵、燃氣爐等），並驗證實際診斷技能。許多雇主更願意或要求NATE認證的技術人員。

學徒與技術學校——技術學校課程（6個月至2年）在課堂和實驗室中教授基礎知識。工會學徒課程（通常4-5年）在課堂教學與在大師下的有償實際操作培訓相結合。兩條道路都導致職業，但學徒在你學習時支付你，並給你數千小時的監督現場經驗。

住宅與商業——住宅技術人員在家中工作——分裂系統、爐、管道。商業技術人員從事更大的設備——屋頂單元、冷卻塔、冷卻塔、建築自動化系統和可變空氣體積（VAV）系統。商業工作更複雜，通常支付更多。

專業化——製冷（超市、冷藏室、食品服務）、控制和建築自動化（DDC系統、BACnet、可編程控制器）、室內空氣質量、能源審計和系統設計。學習控制和自動化的HVAC技術人員的需求特別高，因為建築物變得更聰明。

收入——入門級HVAC技術人員通常從$35,000-$45,000開始。經驗豐富的住宅技術人員賺取$50,000-$75,000。具有認證和專業化的商業和工業技術人員可以賺取$75,000-$100,000或更多。企業主和承包商沒有上限。

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你現在知道供暖和冷卻背後的熱力學、製冷循環、爐和熱泵如何產生熱，以及管道系統如何向建築物提供冷卻的空氣。