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冷暖氣機是如何運作的?
自從居住區域變成水泥叢林之後,地面柏油化了,風的流動也不再順暢,於是冷氣機成了必需品。「冷氣機」與「冷暖氣機」的結構大同小異,但為什麼功能卻有很大的不同呢﹖
 
 
 
臺灣地處亞熱帶,草木繁茂,夏日雖熱,但林蔭環繞,酷暑仍可忍受,這是我讀小學時的記憶。自從居住區域變成水泥叢林之後,地面柏油化了,風的流動也不再順暢,於是冷氣機成了必需品。問題是冷氣機會排出熱風,簡直是熱上加熱。至於在冬季,雖然寒流只是偶然來襲,但如果是濕冷的冷鋒,淒風加苦雨,似乎怎麼穿都不覺溫暖。

這時最常用的取暖方式,就是使用電熱器。然而住在北海岸的人,冬天時會覺得電熱器也只能在很小的空間內發揮效用。於是我家採用窗型冷暖氣機,在冬天提供熱風以維護全室的工作環境。

親友聽說我們如此行事,有的認為既浪費又沒良心。浪費的原因是冷暖氣機既貴又不耐用;沒良心的說法則認為是臺電供電已有困難,還如此耗電不是雪上加霜嗎!

冷暖氣機是奢侈品嗎

首先,我們來討論冷暖氣機算不算是奢侈品,如果冷氣機不算奢侈品,那麼「冷暖氣機」也不應算是。請比較一下同廠牌的冷氣機和冷暖氣機的價格,在以相同「冷房」功能的條件下,「冷暖氣機」的價格只略高而已。為何會如此,這並不是製造商特別優惠「冷暖氣機」的使用者,而是因為這兩種產品實為化一機為二用,但為什麼功能上卻有很大的不同呢﹖讓我們從冷氣機說起吧!

如果到五金店買一具能噴出空氣或透明漆的高壓氣罐,並噴上數秒鐘,就會發現氣罐壁和它所噴出的氣體都比較冷。這是因為罐內氣體以絕熱膨脹方式對外界作功,消耗了自己的內能,氣體的壓力和溫度因而降低。如果把噴出比較低溫的氣體導入管路而冷卻了管壁,再以風扇吹動的氣流掠過冷管壁,不就成為冷風了嗎!

反之,若把氣體「壓」進罐內,由於壓進氣體帶入能量,使得罐內氣體的能量增加,溫度及壓力因而升高。如果這時用風扇驅動空氣流過罐壁,就成了熱風,這就是暖氣的由來。由此可知產生冷氣和暖氣的主件都是高壓氣罐,需要改變的因素是氣流的管路和風扇而已。讓我們先從較熟知的冷氣機說起,再推及如何產生暖氣。請記住為籃球打氣,球皮會發燙,但把車胎放氣,車胎會變涼的法則,就能理解下文了。

冷暖氣機的運作原理

我們先看冷氣機如何運作。冷氣機中負責加壓的是「壓縮機」,加壓的對象是「冷媒」。過去的壓縮機是活塞式的,現在則改用旋轉式,效率高且故障率低,因此現代冷氣機更耐用。冷媒密封在壓縮機和管路之中,過去使用的冷媒漏出後會破壞臭氧層,現今的冷媒則已設計成具環保性了。

至於如何達成可連續使用的高壓「氣罐」呢?答案是:這是壓縮機的責任。它先在前段管路中,把冷媒壓縮成高壓高溫。這時必須利用風扇使這一段管路降溫,風扇只能使管路表面降到適溫,但不能降壓。吹到外面的風則因掠過高溫管壁變成熱風,使路過的行人感覺更熱。

這時如果把冷媒通過「噴口」放氣,正如壓下車胎的氣門使氣體噴出一般,在這段管路中的冷媒會降溫並冷卻管壁。這時如果以風扇吹動氣流流過冷卻的管壁,不就成為冷氣了嗎!冷媒在冷卻了掠過管外的氣流後,又獲得來自氣流的溫度回到室溫後,再度進入壓縮機,於是又啟動了下一循環,使冷氣不斷吹出。要注意,風扇驅動的是室內空氣,在冷卻後又吹入室內,因此有必要適時打開門窗換氣。

如果把冷媒流動的方向反轉,在經壓縮升壓升溫後通過如前述的熱段管時,即以風扇驅動的氣流掠過管面進入室內,不就成了暖風嗎!風扇可把這段的管面及其管內的冷媒降至適溫,但仍有高壓。這時冷媒就如同在冷氣模式操作,但反向通過噴口,然後因膨脹而降至低溫。在這個時候,反而需要以風扇驅風使冷媒溫度略升,而對室外吹出更冷的風。略升溫的冷媒可再經壓縮機升壓升溫,而進入下一循環。

以現代的技術,反轉冷媒的流動只是閥門開關的問題,不算困難。至於風扇雖有向內和向外吹之別,但也只需一部馬達來驅動,只是兩組扇葉驅動的風向相反而已。現代家用冷氣或冷暖氣機,已可把壓縮機和風扇等造成噪音的部分分離。當然,還有一些其他工程上的技巧,就不在本文中提及了。

除濕機

在夏季,冷氣機的冷卻管壁可以冷凝水汽,使室內空氣乾燥些。在冬季,使室內升溫也可減低相對濕度,同時冷媒通過噴口後在進入壓縮機之前,也造成了一低溫路段可以凝水。如果為了除濕,可以用一臺冷氣機,把它排出的冷風和熱風都留在室內,以儲水槽暫存凝結水,就成了除濕機。除濕機的優點是不會改變室溫,適合在春天使用。它的缺點是在濕度高的時候,間隔不久就要倒一次儲水槽中的水,很麻煩。

如此說來如果把冷氣機排出的熱風,以及冷暖氣機所排出的冷風都回收到室內,不就成了一具高功能除濕機,一年四季都可使用嗎?現在的冷氣機都有除濕的功能,但是會把室溫降下約3度,在冬季和春季都不適用,一機有三功能,才是真正的下一代「空調機」,條件是冷凝水不能滴到行人的頭上。

心得

本人從事雷射的研發工作。雷射所消耗的電功率,只有一小部分轉換成輸出的雷射光功率,剩餘的則轉換成了熱,必須以風或水移除。對功率較高的雷射來說,水冷是唯一合理的冷卻方式,原因是水的熱容量高,才有足夠的冷卻效果。

日前曾查閱國外所製作實驗室用冷水機的型錄,發現它們都像冷氣機般排出熱風,卻都排放在室內,因為那是為先進國家高度冷卻的實驗室所設計的。如果在國內只有一般冷氣機的實驗室中使用,研究人員會熱得受不了。於是筆者就和冷凍業者洽談,開發了以自來水冷卻替代風冷卻的冷水機,才對冷暖氣機有了較深入的了解。

在逐漸進入以腦力替代體力的過程中,在冬季以電力支援腦力並不算奢侈浪費,更何況在夏季冷氣已發揮了支援腦力的效用。在臺灣只要夏季時電力足以支援冷氣,在冬季自然也足以支援暖氣且有餘,而不用擔心冬天供電不足的問題。
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