今年夏天，世界各地创下了更多的高温记录。 这么热的天，如果没有空调帮忙，我真不知道该如何生存。

但你知道吗，天气越热，空调就越弱？ 这里发生了什么？ 这就要从空调制冷的方式和效率说起。

输出功率大于输入功率，空调超高效吗？

如果你有心看一下空调上的“中国能效标识”标签，你会发现上面写着三行数字百思特网：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超过3。换句话说，空调输出的制冷功率远大于所需的输入功率。 这就是效率超过100%！

图1.笔者家中空调的“百思特网中国能效标识”标签。

我们知道，机器通常不是完美的，总会有损耗，输入功率应该大于输出功率。 这似乎符合能量守恒定律。 难道说，每个空调厂商都掌握了一些可以凭空变出能量的神秘技术吗？

当然不是。 能量守恒定律是牢不可破的物理定律。 要找出空调能效比为何能超过100%，就要从空调的工作原理上找原因。

空调制冷的过程比较复杂。 与用于加热的“电热丝”不同，没有可以直接将输入的电能转化为空调的“电冷丝”。 空调的冰箱实际上扮演着热量搬运工的角色。

热力学第二定律告诉我们，热量只能自发地从温度较高的地方流向温度较低的地方。 换句话说，如果已经是冬天了，你想让你的房子凉爽，你就不需要空调——打开窗户，热量就会传到外面，比里面冷，而里面又冷。房子自然就会凉下来。 但在夏天，我们需要将热量从温度低的地方（室内凉爽）转移到炎热的地方（室外炎热）。 这就需要“做功”来迫使热量逆着温差流动。 空调器利用输入的电能来完成这种热传递。

打个不恰当的比喻，如果把需要从室内排到室外的热量看成是货物，那么空调就是一辆运载货物的小车。 即使一个人用一辆推车也能推几百公斤的货物——推车的人所需的力气并不如货物本身重。 这个比喻可以大致解释为什么空调制冷的能效比可以超过100%。 该事件本身并不违反任何热力学定律。

空调如何带走热量？

空调如何带走热量？ 其基本原理依赖于称为“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、容易压缩的有机物质。 制冷剂具有 3 个有用的特性：

1、液态制冷剂在低压条件下容易汽化，同时吸收大量的热量。

2、在高压条件下，气态制冷剂很容易恢复液态，同时放出热量。

3、汽化、液化过程中，温度不会发生变化。

汽化吸收热量，液化放出热量。 将这两个过程连接起来，让制冷剂在低温的地方汽化，在高温的地方液化，这样就可以从低温处吸热，然后向高温处放热。 过去，人们使用氟利昂作为制冷剂，但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烃，如四氟乙烷等。

一个常见的空调制冷循环如图2所示。从左上角开始，这个循环可以分为4个步骤：

1、制冷剂处于高温高压“饱和液体”状态（1），就像高压锅强行压制未沸腾的热水。

2. 从1到2：制冷剂流经膨胀阀。 在那里，外部压力迅速下降。 高温高压的液体再也承受不住，开始膨胀。 一小部分制冷剂蒸发成气体，而其余部分则变成低温低压液体 (2)。

3、从2到3：低温低压制冷剂液气混合物流经蒸发器，蒸发器与室内空气连通。 在蒸发器中，所有制冷剂液体蒸发，同时从室内空气中吸收热量。 但蒸发时，气体的温度不会改变，因此制冷剂全部变成低温低压气体（3）。 吸收了热量的室内空气温度降低，变成冷风，从空调出风口吹出，使我们感到凉爽。

4、3至4：低温低压气体制冷剂流经空调压缩机。 在此，压缩机强制压缩这些气体的体积。 体积收缩，温度和压力迅速升高，成为高温高压气体（4）。

5、从4到1：高温高压的气态制冷剂流经冷凝器，受不了就会变回液态。 当气体液化时，虽然温度保持不变，但也会释放热量。 制冷剂在高温高压下恢复液态 (1)。 液化释放的热量由空调室外机吹出房间。 高温高压液态制冷剂（1）准备再次进入膨胀阀，开始下一个制冷循环。

图 2. 空调中的常见制冷循环。

在这个制冷循环中，制冷剂的状态不断变化：从液态到气态再回到液态； 从高温到低温，再回到高温。 我们知道，“熵”是用来衡量无序程度的：对于同一种物质，液态时分子间的联系更加紧密，无序程度比气态时更低。 也就是说，气态比液态具有更多的熵。 因此，如果我们将图2中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，就会像蓝色箭头包围的曲线一样如图3所示。 图中，从左到右，制冷剂逐渐由液态变为气态，熵增加； 从下到上，制冷剂的温度逐渐升高。

图3.温度-熵图上空调制冷循环（蓝色实线）和逆卡诺循环（黑色虚线）的轨迹。 为了清楚起见，逆卡诺循环的位置与空调制冷循环的位置错开。

热力学推导表明，在理想条件下存在一种效率最高的制冷循环，称为“逆卡诺热机”。 它的生长如图 3 中的黑色虚线箭头所示：恰好是一个矩形。 制冷循环曲线所围成的面积近似较小，效率较高； 曲线距离横轴越远，温度越高，效率越高。 可以看出，空调所采用的制冷循环并不是平行四边形，而是在4处多了一个尖角，与同温度下的逆卡诺循环相比，这部分面积是多余的。 因此，空调的能效比不能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”，其效率仅与温度有关：

这里的高温和低温的温度需要用绝对温度来表示。 对于空调的制冷需求，低温是蒸发器出口的温度，通向室内冷风出口； 高温是冷凝器出口的温度，通向室外风扇。 如果假设低温时的温度为15摄氏度，即288K，高温时的温度为55摄氏度，即328K，那么“理想条件下的“逆卡诺循环”为7.2。

如果要评估空调实际浪费了多少能源，则应将空调的能效比除以相应温度下“逆卡诺热机”的能效比。 从这一点来看，空调确实和任何其他设备一样，在工作过程中都会损失一些能量。

除了制冷循环本身理论上的能效降低外，空调管道中的损耗、室内外的漏热、房间内的除湿消耗、压缩机产生的热量等都在消耗输入到空气中的功率调节剂，但它们没有被有效地运输。 热。

从理想工况下的能效比关系也可以看出，当天气较冷时，空调的实际制冷量会增加，实际输入功率会减少，总能效比会增加； 当天气较热时，空调的实际制冷量会增加。 减小，实际输入功率增大，总能效比变低。 该能效比随环境温度变化的特性如图5所示。空调器“国家能效标识”上标注的能效比是根据GB/T 7725-2004规定的测量方法计算的。 让空调在每个温度下运行指定的时间，然后比较每个温度下实际测量的能效。 通过加权平均得到。

图5 空调能效比和输入功率随外界温度的变化（引自国家标准GB/T 7725-2004）。

因此，物理定律证实了一个坏消息：天气越热，房间里需要移动的音量就越大，空调的效果反而会减弱！

但无论如何，能效比越高的空调相对来说更节能。 但节能空调通常价格较贵。 而且，无论空调的能效比有多高，想要达到省电快速制冷的效果，都需要结合房屋本身的气密性和隔热性。 房屋本身的密闭性和隔热性较好，这样可以较长时间维持室内低温，减少空调的实际工作时间，从而降低成本。

因此，无论是选择花更多的钱购买更节能的空调，节省电费，还是花更少的钱购买更节能的空调，花更多百思特网的电费，消费者还是需要根据实际情况算一笔账。自己房子的保温性能，然后根据性价比来计算。 做决定。

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出品：科普中国

制作：邹璐瑶

主管单位：中国科学院计算机网络信息中心