出品：科普中国
制作：邹路遥
监制：中国科学院计算机网络信息中心
这个夏天，世界各地又创下许多高温记录。 这样的酷热下，要是没有空调相助，真不知道该如何度过。
可是你知不知道，越是炎热的天气，空调越不给力？这是怎么回事呢？这要从空调制冷的方式和效率说起。
输出功率大于输入功率，空调是不是神效率？
如果你有心去看一下空调上贴的"中国能效标识"标签，你会发现上面写着三行数字：输入功率、制冷量和能效比。家用立式空调和壁挂式空调的能效比，通常都超过了3。也就是说，空调输出的制冷功率，远大于需要输入的功率。这是一个超过100%的效率！
图1.笔者家中空调的"中国能效标识"标签
我们知道，机器通常都不完美，总会有损耗，输入功率应当大于输出功率。这似乎才是符合能量守恒规律的情况。难道说，各空调厂家都掌握了什么神秘技术，能够凭空变出能量来吗？
当然不是。能量守恒定律是牢不可破的物理规律。而要搞清楚为什么空调的能效比能够超过100%，要从空调的工作原理中去找原因。
空调制冷的过程比较复杂。和制热用的"电热丝"不同，并没有什么"电冷丝"，可以直接把输入的电变成冷气。空调的制冷机，实际上扮演了一个热量搬运工的角色。
热力学第二定律告诉我们，热量只能自发地从温度高的地方流向温度低的地方。换句话说，如果已经到了冬天，你还想给屋子制冷的话，不用空调了——打开窗户，热量就往比室内更冷的室外跑，屋子里自然而然就冷下来了。但在夏天，我们则需要把热量从温度低的地方（凉爽的室内）移到温度高的地方（炎热的室外）。这就需要"做功"来强迫热量逆着温差流通。空调就是利用输入的电能，来完成这样的热量搬运。
打个不恰当的比方，如果把需要从室内排放到室外的热量看成是货物，空调就是搬货物的推车。哪怕是一个人，也能够用推车推动上百公斤的货物——推车人需要花的力气，并没有货物本身那么重。这个类比大致可以说明，为什么空调制冷的能效比能够超过100%。这件事情本身并不违反任何热力学定律。
空调如何搬运热量？
空调如何搬运热量呢？它的基本原理，依赖于叫做"制冷剂"的化学物质的特性。制冷剂是一大类物质，通常是一些沸点比较低，又很容易被压缩的有机物。制冷剂有3个很有用的特性：
1. 液态的制冷剂在低气压的条件下很容易汽化，同时吸收大量的热。
2. 气态的制冷剂在高气压的条件下，又很容易回到液态，同时放出热量。
3. 汽化和液化的过程中，温度都不会改变。
汽化吸热，液化放热，把这两个过程连接起来，让制冷剂在温度低的地方汽化，在温度高的地方液化，就可以从低温处吸热，然后把热量排放到高温处了。以前人们用氟利昂做制冷剂，后来发现氟利昂中的氯会破坏臭氧层，所以现在改用不含氯的烷，比如四氟乙烷等等。
常见的空调制冷循环如图2所示。从左上角开始，这个循环可以分4步：
1. 制冷剂处在高温高压的"饱和液体"状态（1），就好比高压锅里强行压住没有沸腾的热水。
2. 从1到2：制冷剂流经一个膨胀阀。那里，外界压力迅速下降。高温高压的液体按耐不住，开始膨胀。有一小部分制冷剂汽化成了气体，而剩下的则变成低温低压的液体（2）。
3. 从2到3：低温低压的制冷剂液体和气体混合物流经蒸发器，蒸发器和室内的空气相连。在蒸发器里，所有的制冷剂液体全部蒸发，同时从室内空气中吸收热量。但是蒸发的时候，气体的温度不会变，所以制冷剂全部变成了低温低压的气体（3）。被吸走热量的室内空气温度降低，变成冷风，从空调出风口里吹出来，让我们感到凉爽。
4. 从3到4：低温低压的气体制冷剂流经空调压缩机。这里，压缩机强行压缩这些气体的体积。体积缩小，温度和压力都迅速上升，变成了高温高压的气体（4）。
5. 从4到1：高温高压的气体制冷剂流经冷凝器，按耐不住要变回液体。气体液化的时候，虽然温度也不变，但也会释放热量。制冷剂又变回了高温高压的液体状态（1）。液化释放出来的热量，被空调外机吹出室外。而高温高压的液体制冷剂（1）则准备再次进入膨胀阀，开始下一个制冷循环。
图2.空调常见的制冷循环
在这种制冷循环中，制冷剂的状态不断发生变化：从液体变成气体，再回到液体；从高温降到低温，再回到高温。我们知道，"熵"是用来衡量混乱程度的：对于同样的物质，液态时分子之间联系比较紧密，混乱程度比气态时要低。也就是说，气态的熵大于液态。所以，如果我们把图2循环中制冷剂的状态，画在以熵（S）和温度（T）为横纵坐标的二维平面上，就会像图3中蓝色箭头围成的曲线那样。 图中，从左到右，制冷剂从液态逐渐变为气态，熵增加；从下往上，制冷剂的温度逐渐升高。
图3.空调制冷循环（蓝色实线）和逆卡诺循环（黑色虚线）在温度-熵示意图上的轨迹。为示意清楚，逆卡诺循环的位置已和空调制冷循环错开。
热力学的推演表明，有一种理想状态下效率最高的制冷循环，叫做"逆卡诺热机"。它长成图3中黑色虚线箭头所示的样子：正好是一个长方形。 制冷循环的曲线所围成的面积约小，效率越高；曲线离横轴越远，温度越高，效率越高。可以看到，空调使用的制冷循环并不是一个平行四边形，而是在4的地方还多出一个尖角。和相同温度下的逆卡诺循环相比，这部分面积是多出来的。所以空调的能效比无法超过逆卡诺循环的效率。
气温如何影响空调的制冷效率？
对于"逆卡诺热机"来说，它的效率只和温度有关：
这里的高温和低温处的温度，需要用绝对温度来表示。 对于空调的制冷需要来说，低温处就是蒸发器出口的温度，它通向室内的冷风出风口；高温处就是冷凝器出口的温度，它通向室外的风机。如果我们假设，低温处的温度为15摄氏度，也就是288 K，高温处的温度为55摄氏度，也就是328 K，那理想状态下"逆卡诺循环"可以达到的最高能效比是7.2。
如果要评价空调实际上浪费了多少能量，应该要把空调的能效比，除以对应温度下"逆卡诺热机"的能效比才行。这么一看，空调确实还是如同其他任何设备一样，会在工作过程中损失一些能量呢。
除了本身制冷循环在理论上降低的能效外，空调管线上的损耗、室内外的漏热、房间除湿的消耗、压缩机的发热等等，都是在消耗输入空调的电力，却没有有效地搬运热量。
从理想状况的能效比关系也可以看出，天气较冷的时候，空调的实际制冷能力会升高，实际输入功率会降低，总能效比变高；天气较热的时候，空调的实际制冷能力会下降，实际输入功率会升高，总能效比变低。这种能效比随环境温度变化的特性如图5所示。空调"国家能效标识"上贴的能效比，就是根据GB/T 7725-2004规定的测量方法，让空调在各个温度下各自运行规定的时间，再把每个温度下实际测量到的能效比做加权平均得出来的。
图5.空调能效比和输入功率随外界温度的变化（引自国标GB/T 7725-2004）
因此，物理规律坐实了这个坏消息：天气越热，房间里需要搬走的量越多，空调却反而越不给力！
但不管怎样，能效比数值越高的空调，相对还是越节能。但节能空调通常价格也较贵。 而且，即使空调的能效比再高，想要达到省电且快速的制冷效果，还需要结合住房本身的密闭性和隔热性。住房本身密闭性和隔热性较好，才能够比较长久的保持室内的低温，减少空调实际需要工作的时间，从而减少花费。
所以，究竟是选择多花钱买更节能的空调而省电费，还是少花钱买不是那么节能的空调而多花电费，还需要消费者根据自家住房的保温性能算一笔账，根据性价比再做决定。
（本文中标明来源的图片均已获得授权）
