空调如何搬运热量?

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      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下图所示。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。
      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。
      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。
      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。
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