清華大學建築技術科學系 邵雙全 2005年12月17日 14:26
空調原理簡析
炎炎夏日，打開家裏的空調器，立即就能給我們送來絲絲涼爽的風，房間的溫度也逐漸降下來，那麼房間的熱量到哪去了呢？如果告訴大家房間裏的熱量都被轉移到室外溫度更高的空氣中去了，大家會感覺奇怪嗎？生活中的常識告訴我們，熱量只能從高溫物體傳到低溫物體，經典的熱力學第二定律則給出了更為精確的描述“不消耗外功，熱量不可能自發的從低溫物體傳向高溫物體”。空調器是怎樣通過能量轉換把室內的熱量傳到室外為我們送來涼爽的風的呢？
讓我們先來看看家用空調器的結構和工作原理吧（如圖1所示）。家用空調器一般都是採用機械壓縮式的製冷裝置，其基本的元件共有四件：壓縮機、蒸發器、冷凝器和節流裝置，四者是相通的，其中充灌著製冷劑（又稱製冷工質）。壓縮機像一顆奔騰的心臟使得製冷劑如血液一樣在空調器中連續不斷的流動，實現對房間溫度進行調節。
製冷劑通常以幾種形態存在：液態、氣態和氣液混合物。在這幾種狀態互相轉化中，會造成熱量的吸收和散發，從而引起外界環境溫度的變化。在從氣態向液態轉化的過程，稱為液化，會放出熱量；反之，從液態向氣態轉化的過程，叫做汽化（包括蒸發和沸騰）要從外界吸收熱量。
首先，低壓的氣態製冷劑被吸入壓縮機，被壓縮成高溫高壓的氣體；而後，氣態製冷劑流到室外的冷凝器，在向室外散熱過程中，逐漸冷凝成高壓液體；接著，通過節流裝置降壓（同時也降溫）又變成低溫低壓的氣液混合物。此時，氣液混合的製冷劑就可以發揮空調製冷的“威力”了：它進入室內的蒸發器，通過吸收室內空氣中的熱量而不斷汽化，這樣，房間的溫度降低了，它也又變成了低壓氣體，重新進入了壓縮機。如此迴圈往復，空調就可以連續不斷的運轉工作了。
製冷劑真是神奇！它是怎樣在高溫下冷凝向外界散發熱量又在低溫下蒸發從外界吸收熱量呢？這與製冷劑本身的性質有關，大家知道，在山頂上煮雞蛋很難煮熟，而用高壓鍋做飯時，魚和肉等食品很快就能做熟，這是因為隨著壓力的升高，水的飽和溫度（通常叫做沸點）也升高。所以，在大氣壓低於標準大氣壓的情況下，水的沸點低於100oC，反之則高於100oC。同理，高溫高壓氣態製冷劑從壓縮機出來時飽和溫度要高於室外氣溫。通過不斷散熱並開始液化後，其溫度依然很高，甚至在其完全變成液態後，仍繼續向室外空氣散熱；而在室內，情況則相反，由於經過節流裝置，製冷劑的壓力和溫度都降低很多，它的飽和溫度也比室內氣溫低，這才能夠連續不斷的從室內空氣中吸收熱量。
原來，空調器並沒有違反熱力學第二定律。它是通過消耗機械能改變製冷劑的狀態，才將熱量從溫度低的物體傳給溫度高的環境的。
剛才我們詳細分析了家用空調器製冷迴圈的工作原理，那麼如果是在寒冷的冬天，我們需要用空調來給房間加熱時，空調的作用同樣是將從室外的低溫環境中吸收的熱量釋放到房間空氣中，維持室內的溫度。大家想一想，空調器的四個主要部件該怎麼佈置，製冷劑又怎樣在系統中迴圈呢？
空調實際上是“空氣調節”的簡稱，是指把經過處理的空氣，以一定的方式送入室內，使室內的溫度、濕度和噪聲等都控制在需要範圍內。它不僅為人們生活和停留的場所提供了舒適的溫度條件，隨著工業發展和科學技術的進步，其技術已經在國民經濟的各個領域（如國防、交通、化工、機械製造、航空、儀錶、電子、醫藥、食品工業、農業等）得到了極大的應用和普及，成為促進生產發展，提高工藝水準及完善科學研究的重要條件。
但在現今技術條件下，空調又是一把名副其實的“雙刃劍”，我們在享受空調技術給我們帶來的方便的同時，也必須認識到它的弊端：
首先，隨著人民生活水準的提高，家用空調器正以驚人的速度走入尋常百姓家，成為一支不可忽視的耗電大軍。據統計，1995年全國每百戶城鎮居民平均擁有8臺房間空調器，到2000年已為40臺；而部分經濟發達地區，如北京、上海和廣州，這一比例已由1995年的15臺/百戶猛增至2000年的78臺/百戶，而且仍在繼續上升。同時，家用空調器的耗電量在總空調耗電量中佔據相當大的份額，2000年北京地區為60％，日本的統計數據為80％。
自從1972年能源危機以來，人們開始利用各種技術手段力圖轉變空調的高耗能狀況。其中，變頻空調系統通過調節壓縮機頻率和利用電子膨脹閥等手段大大提高了空調系統的工作性能，微電腦控制、模糊控制、神經元演算法等現代智慧控制演算法也得以應用，來降低空調的能耗，提高室內的舒適性。
其次，目前所採用的製冷劑主要是氟利昂系列製冷劑，（主要含有碳，氫，氯，氟等元素），在氟利昂分子經紫外線的照射分解後，分離出來的氯原子能夠與臭氧分子發生化學反應，不斷的消耗臭氧分子，臭氧層的破壞使得太陽紫外線輻射增強，危及人類健康和部分生物的生長。
而且，氟利昂和空調系統消耗大量能量而間接生成的二氧化碳氣體是溫室效應氣體，導致了全球氣候變暖。這些問題都已引起了整個世界的關注，這也為我們進一步完善和發展空調技術提出了更高的要求。目前在技術改進上，環保型製冷劑（或稱“綠色製冷劑”）正在逐漸替代傳統的製冷劑。
總之，現在的空調也已經發展為集環境、能源、機械、電子與自動控制等技術於一體的綜合性產業，健康化、環保化、節能化、智慧化和多元化是其發展的幾大主要趨勢。空調也不僅僅是產品的名稱，而是用空氣調節的思想和方法去創造舒適而自然的生活，減少對大自然的破壞，實現真正意義上的人與自然最大程度上的和諧統一，讓我們一起為這樣一個樸素的思想和追求去奉獻我們的聰明才智和不懈的努力吧。
