出品：科普中國
製作：鄒路遙
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
這個夏天，世界各地又創下許多高溫記錄。 這樣的酷熱下，要是沒有空調相助，真不知道該如何度過。
可是你知不知道，越是炎熱的天氣，空調越不給力？這是怎麼回事呢？這要從空調製冷的方式和效率說起。
輸出功率大於輸入功率，空調是不是神效率？
如果你有心去看一下空調上貼的"中國能效標識"標籤，你會發現上面寫著三行數字：輸入功率、製冷量和能效比。家用立式空調和壁掛式空調的能效比，通常都超過了3。也就是說，空調輸出的製冷功率，遠大於需要輸入的功率。這是一個超過100%的效率！
圖1.筆者家中空調的"中國能效標識"標籤
我們知道，機器通常都不完美，總會有損耗，輸入功率應當大於輸出功率。這似乎才是符合能量守恆規律的情況。難道說，各空調廠家都掌握了什麼神秘技術，能夠憑空變出能量來嗎？
當然不是。能量守恆定律是牢不可破的物理規律。而要搞清楚為什麼空調的能效比能夠超過100%，要從空調的工作原理中去找原因。
空調製冷的過程比較複雜。和制熱用的"電熱絲"不同，並沒有什麼"電冷絲"，可以直接把輸入的電變成冷氣。空調的製冷機，實際上扮演了一個熱量搬運工的角色。
熱力學第二定律告訴我們，熱量只能自發地從溫度高的地方流向溫度低的地方。換句話說，如果已經到了冬天，你還想給屋子製冷的話，不用空調了——打開窗戶，熱量就往比室內更冷的室外跑，屋子裡自然而然就冷下來了。但在夏天，我們則需要把熱量從溫度低的地方（涼爽的室內）移到溫度高的地方（炎熱的室外）。這就需要"做功"來強迫熱量逆著溫差流通。空調就是利用輸入的電能，來完成這樣的熱量搬運。
打個不恰當的比方，如果把需要從室內排放到室外的熱量看成是貨物，空調就是搬貨物的推車。哪怕是一個人，也能夠用推車推動上百公斤的貨物——推車人需要花的力氣，並沒有貨物本身那麼重。這個類比大致可以說明，為什麼空調製冷的能效比能夠超過100%。這件事情本身並不違反任何熱力學定律。
空調如何搬運熱量？
空調如何搬運熱量呢？它的基本原理，依賴於叫做"製冷劑"的化學物質的特性。製冷劑是一大類物質，通常是一些沸點比較低，又很容易被壓縮的有機物。製冷劑有3個很有用的特性：
1. 液態的製冷劑在低氣壓的條件下很容易汽化，同時吸收大量的熱。
2. 氣態的製冷劑在高氣壓的條件下，又很容易回到液態，同時放出熱量。
3. 汽化和液化的過程中，溫度都不會改變。
汽化吸熱，液化放熱，把這兩個過程連接起來，讓製冷劑在溫度低的地方汽化，在溫度高的地方液化，就可以從低溫處吸熱，然後把熱量排放到高溫處了。以前人們用氟利昂做製冷劑，後來發現氟利昂中的氯會破壞臭氧層，所以現在改用不含氯的烷，比如四氟乙烷等等。
常見的空調製冷循環如圖2所示。從左上角開始，這個循環可以分4步：
1. 製冷劑處在高溫高壓的"飽和液體"狀態（1），就好比高壓鍋裡強行壓住沒有沸騰的熱水。
2. 從1到2：製冷劑流經一個膨脹閥。那裡，外界壓力迅速下降。高溫高壓的液體按耐不住，開始膨脹。有一小部分製冷劑汽化成了氣體，而剩下的則變成低溫低壓的液體（2）。
3. 從2到3：低溫低壓的製冷劑液體和氣體混合物流經蒸發器，蒸發器和室內的空氣相連。在蒸發器裡，所有的製冷劑液體全部蒸發，同時從室內空氣中吸收熱量。但是蒸發的時候，氣體的溫度不會變，所以製冷劑全部變成了低溫低壓的氣體（3）。被吸走熱量的室內空氣溫度降低，變成冷風，從空調出風口裡吹出來，讓我們感到涼爽。
4. 從3到4：低溫低壓的氣體制冷劑流經空調壓縮機。這裡，壓縮機強行壓縮這些氣體的體積。體積縮小，溫度和壓力都迅速上升，變成了高溫高壓的氣體（4）。
5. 從4到1：高溫高壓的氣體制冷劑流經冷凝器，按耐不住要變回液體。氣體液化的時候，雖然溫度也不變，但也會釋放熱量。製冷劑又變回了高溫高壓的液體狀態（1）。液化釋放出來的熱量，被空調外機吹出室外。而高溫高壓的液體制冷劑（1）則準備再次進入膨脹閥，開始下一個製冷循環。
圖2.空調常見的製冷循環
在這種製冷循環中，製冷劑的狀態不斷髮生變化：從液體變成氣體，再回到液體；從高溫降到低溫，再回到高溫。我們知道，"熵"是用來衡量混亂程度的：對於同樣的物質，液態時分子之間聯繫比較緊密，混亂程度比氣態時要低。也就是說，氣態的熵大於液態。所以，如果我們把圖2循環中製冷劑的狀態，畫在以熵（S）和溫度（T）為橫縱座標的二維平面上，就會像圖3中藍色箭頭圍成的曲線那樣。 圖中，從左到右，製冷劑從液態逐漸變為氣態，熵增加；從下往上，製冷劑的溫度逐漸升高。
圖3.空調製冷循環（藍色實線）和逆卡諾循環（黑色虛線）在溫度-熵示意圖上的軌跡。
△為示意清楚，逆卡諾循環的位置已和空調製冷循環錯開。
熱力學的推演表明，有一種理想狀態下效率最高的製冷循環，叫做"逆卡諾熱機"。它長成圖3中黑色虛線箭頭所示的樣子：正好是一個長方形。 製冷循環的曲線所圍成的面積約小，效率越高；曲線離橫軸越遠，溫度越高，效率越高。可以看到，空調使用的製冷循環並不是一個平行四邊形，而是在4的地方還多出一個尖角。和相同溫度下的逆卡諾循環相比，這部分面積是多出來的。所以空調的能效比無法超過逆卡諾循環的效率。
氣溫如何影響空調的製冷效率？
對於"逆卡諾熱機"來說，它的效率只和溫度有關：
這裡的高溫和低溫處的溫度，需要用絕對溫度來表示。 對於空調的製冷需要來說，低溫處就是蒸發器出口的溫度，它通向室內的冷風出風口；高溫處就是冷凝器出口的溫度，它通向室外的風機。如果我們假設，低溫處的溫度為15攝氏度，也就是288 K，高溫處的溫度為55攝氏度，也就是328 K，那理想狀態下"逆卡諾循環"可以達到的最高能效比是7.2。
如果要評價空調實際上浪費了多少能量，應該要把空調的能效比，除以對應溫度下"逆卡諾熱機"的能效比才行。這麼一看，空調確實還是如同其他任何設備一樣，會在工作過程中損失一些能量呢。
除了本身製冷循環在理論上降低的能效外，空調管線上的損耗、室內外的漏熱、房間除溼的消耗、壓縮機的發熱等等，都是在消耗輸入空調的電力，卻沒有有效地搬運熱量。
從理想狀況的能效比關係也可以看出，天氣較冷的時候，空調的實際製冷能力會升高，實際輸入功率會降低，總能效比變高；天氣較熱的時候，空調的實際製冷能力會下降，實際輸入功率會升高，總能效比變低。這種能效比隨環境溫度變化的特性如圖5所示。空調"國家能效標識"上貼的能效比，就是根據GB/T 7725-2004規定的測量方法，讓空調在各個溫度下各自運行規定的時間，再把每個溫度下實際測量到的能效比做加權平均得出來的。
圖5.空調能效比和輸入功率隨外界溫度的變化（引自國標GB/T 7725-2004）
因此，物理規律坐實了這個壞消息：天氣越熱，房間裡需要搬走的量越多，空調卻反而越不給力！
但不管怎樣，能效比數值越高的空調，相對還是越節能。但節能空調通常價格也較貴。 而且，即使空調的能效比再高，想要達到省電且快速的製冷效果，還需要結合住房本身的密閉性和隔熱性。住房本身密閉性和隔熱性較好，才能夠比較長久的保持室內的低溫，減少空調實際需要工作的時間，從而減少花費。
所以，究竟是選擇多花錢買更節能的空調而省電費，還是少花錢買不是那麼節能的空調而多花電費，還需要消費者根據自家住房的保溫性能算一筆賬，根據性價比再做決定。
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
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