热传递和BTU

舒适背后的科学

HVAC是应用热力学。每个加热和冷却系统都通过将热从一个地方转移到另一个地方来工作。热力学第一定律告诉我们能量不能被创造或破坏——只能转移。空调不会产生冷。它将热从建筑内部转移到外部。

BTU（英热单位） ——HVAC行业的标准热能单位。一个BTU是使一磅水升高华氏一度所需的热量。典型的住宅空调系统的额定功率为每小时24,000到60,000 BTU。一吨制冷等于12,000 BTU/小时——这来自在24小时内融化一吨冰所需的热量。

三种热传递方式：

传导 ——热通过材料之间的直接接触传递。温暖的铜制冷剂管温暖你的手是传导。热通过热交换器壁面进行传导。

对流 ——热通过移动流体（空气或液体）携带。强制空气炉加热空气，鼓风机将其推过风管——这是对流。通过系统流动的制冷剂通过对流携带热。

辐射 ——热通过电磁波传递，无需介质。太阳温暖屋顶是辐射。辐射地板采暖直接温暖物体，无需先加热空气。

显热与潜热 ——显热改变物质的温度，你可以用温度计测量。潜热改变物质的状态（液体到气体或气体到液体），不改变其温度。在HVAC中，潜热至关重要，因为制冷剂在蒸发器盘管内从液体蒸发成气体时吸收大量热。这种相变就是空调成为可能的原因。

显热与潜热

在炎热潮湿的夏日，你走进一个空调建筑。空气感觉比外面更凉爽和干燥。你注意到室内装置附近的冷凝水排水管有水滴。

四个组件，一个循环

每个空调和热泵的心脏

气液压缩制冷循环是驱动每个空调、热泵、冰箱和冷柜的动力。它将热从你想要凉爽的地方转移到你可以倾倒的地方。该循环有四个主要组件连接在一个闭合循环中。

1. 压缩机 ——系统的泵。它从蒸发器吸取低压、低温的制冷剂蒸汽，并将其压缩成高压、高温蒸汽。压缩向制冷剂添加能量，提高其温度远高于室外空气温度，以便它可以在外部拒绝热。压缩机是最昂贵的组件，也是消耗最多电力的组件。

2. 冷凝器（室外盘管） ——高压、高温蒸汽进入冷凝器盘管。风扇将室外空气吹过盘管。因为制冷剂比室外空气更热，热从制冷剂传递到空气。制冷剂释放其热（包括它在室内吸收的潜热）并从蒸汽冷凝成高压液体。过冷却是将液体冷却到其冷凝温度以下的额外冷却——它确保所有制冷剂在到达膨胀装置之前完全液化。

3. 膨胀装置（计量装置） ——高压液体通过一个限制——一个热静膨胀阀（TXV）或固定孔口。突然的压力下降导致制冷剂的沸点急剧下降。部分液体闪蒸成蒸汽，温度大幅下降。制冷剂现在是一个冷的、低压的液体和蒸汽混合物。

4. 蒸发器（室内盘管） ——冷制冷剂进入蒸发器盘管。室内空气由鼓风机电机吹过盘管。制冷剂从温暖的室内空气吸收热并从液体蒸发成气体。过热度是将蒸汽加热到其沸点以上的额外加热——它确保所有制冷剂在返回压缩机之前完全蒸发，因为液体进入压缩机会摧毁它。

循环不断重复：压缩、冷凝、膨胀、蒸发。热在室内吸收，在室外排放。

制冷剂 ——循环中的工作流体。R-22（氟利昂）曾经是标准，但现在由于臭氧破坏而逐步淘汰。R-410A在大多数住宅系统中替代了它。R-454B是下一代，全球变暖潜势更低。处理制冷剂需要EPA第608部分认证——将制冷剂排放到大气中是联邦违法行为。

追踪循环

一位房主打电话说他们的空调在运行但不冷却。你到达后发现室外装置的风扇在旋转，压缩机在运行，室内鼓风机在移动空气。但从供应通风口出来的空气是温暖的。你检查制冷剂管，注意大的吸入管（应该是冷的并且因冷凝而出汗）对触摸是温暖的。

炉子、热泵和锅炉

建筑物如何变暖

虽然空调主导夏季工作，但供暖系统全年使HVAC技术人员保持忙碌。三种主要供暖技术各有不同的工作原理。

燃气炉 ——在燃烧室内燃烧天然气或丙烷。热燃烧气体通过热交换器——一组金属管或蛤壳组件。室内空气吹过热交换器的外侧，吸收热，并通过风管分配。燃烧气体通过烟道或PVC通风管排出到室外。裂开的热交换器是HVAC中最危险的故障之一——它允许一氧化碳（CO）与室内空气供应混合。年度燃烧分析（检查CO水平、燃气压力、温度升高和烟道吸力）是关键的安全工作。

热泵 ——与空调相同的制冷循环，但带有一个可逆阀，可以改变制冷剂流向。在冷却模式下，它将热从内部转移到外部，就像标准空调一样。在供暖模式下，可逆阀翻转，系统将热从室外空气转移到建筑内。室外盘管成为蒸发器（从室外空气吸收热）和室内盘管成为冷凝器（在内部释放热）。热泵可以在低温下从室外空气中提取热，尽管其效率随着温度下降而下降。大多数热泵系统在非常寒冷的日子包括辅助电阻加热条。

锅炉 ——加热水（水力系统）或产生蒸汽并通过管道分配到散热器、踢脚线加热器或辐射地板管道。锅炉燃烧气体、油或使用电元素。水力系统在较旧的建筑和商业应用中很常见。锅炉工作涉及理解水化学、压力释放阀、膨胀罐和循环泵。

效率等级 ——炉子由AFUE（年度燃料利用效率）评级。96% AFUE炉子将燃料能量的96%转换为热。热泵对供暖的HSPF（供暖季节性能因数）和对冷却的SEER（季节能源效率比）评级。数字越高，效率越高。

热泵与炉子

一位温和气候（冬季在华氏30-40度左右）的房主问你他们是否应该用热泵更换他们的旧燃气炉。他们想节省能源账单并减少碳足迹。

风管、气流和过滤

让空气到达需要的地方

世界上最好的炉子或空调如果空气分配系统无法将空调空气输送到每个房间就毫无用处。风管设计和气流管理是核心HVAC技能。

风管类型 ——薄金属（刚性矩形或圆形）、柔性风管（灵活的绝缘管）和风管板（刚性玻璃纤维板）。薄金属是最耐用和最高效的。柔性风管更便宜，更容易安装，但必须拉紧——扭结或压缩的柔性风管会杀死气流。每种类型都有基于建筑、预算和代码要求的具体应用。

气流测量 ——空气体积以CFM（每分钟立方英尺）测量。每个房间需要基于其大小、热负荷和居住者数量的特定CFM。典型的2,000平方英尺房屋可能需要总共800-1,200 CFM。技术人员使用风速表或流量罩来测量每个寄存器处的CFM。

静压 ——风管系统中对气流的阻力，以水柱英寸（英寸w.c.）用压力计测量。把它看作血压——太高意味着什么限制流（脏过滤器、坍塌风管、风管太小）。太低意味着泄漏或鼓风机弱。大多数住宅系统的目标总外部静压为0.50英寸w.c.或更少。高静压迫使鼓风机工作更努力，浪费能源，减少气流，并缩短设备寿命。

过滤 ——空气过滤器从循环空气中去除灰尘、花粉和颗粒。过滤器由MERV（最小效率报告值）从1到20分级。标准住宅过滤器是MERV 8-11。医院级是MERV 13-16。更高的MERV意味着更好的过滤但也更高的静压——太限制的过滤器可能会窒息气流并可能冻结蒸发器盘管。

回风 ——大多数系统有供应风管（提供空调空气）和回风管（将空气拉回设备进行再调节）。不足的回风是最常见的住宅风管问题之一——它会造成压力不平衡，使门砰地关闭，并迫使系统与自己对抗。

诊断气流问题

一位房主抱怨他们的楼上卧室在夏天总是太温暖，而楼下保持舒适。该系统是一个单区空调，只有一个位于楼下的恒温器。风管通过炎热的阁楼到达楼上的通风口。你测量静压，发现它是0.85英寸w.c.——远高于0.50目标。

进入这个行业

HVAC职业和认证

HVAC是该国需求最高的技术行业之一。劳工统计局预测就业增长快于平均水平，经验丰富的技术人员供不应求。这项工作无法离岸外包——建筑需要当地的技术人员来出现和修复系统。

EPA第608部分认证 ——联邦法律要求购买或处理制冷剂。有四种类型：I型（小电器）、II型（高压系统如住宅空调）、III型（低压系统如大型冷却器）和通用型（所有类型）。大多数HVAC技术人员在培训早期获得通用认证。测试涵盖制冷剂处理、回收、回收和环境规定。

NATE认证 ——北美技术人员卓越，领先的行业认证。NATE测试涵盖特定的系统类型（空调、热泵、燃气炉等）并验证真实世界的诊断技能。许多雇主更喜欢或要求NATE认证的技术人员。

学徒制与贸易学校 ——贸易学校计划（6个月到2年）在课堂和实验室教授基础知识。工会学徒（通常为4-5年）将课堂指导与在熟练工人监督下的有薪在职培训相结合。两条路径都导致职业，但学徒在你学习时为你支付，并给你数千小时的有监督的现场经验。

住宅与商业 ——住宅技术人员从事家庭工作——分体式系统、炉子、风管。商业技术人员从事更大的设备——屋顶装置、冷却器、冷却塔、建筑自动化系统和可变空气容量（VAV）系统。商业工作更复杂，通常报酬更高。

专业化 ——制冷（超市、冷库、食品服务）、控制和建筑自动化（DDC系统、BACnet、可编程控制器）、室内空气质量、能源审计和系统设计。了解控制和自动化的HVAC技术人员的需求特别高，因为建筑变得更智能。

收入 ——入门级HVAC技术人员通常开始于$35,000-$45,000。经验丰富的住宅技术人员赚$50,000-$75,000。商业和工业技术人员有认证和专业化可赚$75,000-$100,000或更多。业务所有者和承包商没有上限。

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将HVAC连接到你的未来

你现在知道了加热和冷却背后的热力学，制冷循环，炉子和热泵如何产生热，以及风管如何将空调空气输送到建筑。