格力和奧克斯所爭(zhēng)論的“能效”,到底是指什么?

最近，格力電器實(shí)名舉報(bào)AUX奧克斯空調(diào)一事中，“能效”就成為了雙方爭(zhēng)論的核心點(diǎn)。格力的舉報(bào)信中明確指出奧克斯某型號(hào)的空調(diào)“標(biāo)稱能效比3.59，第三方實(shí)測(cè)值僅為2.68”。那么這個(gè)多次出現(xiàn)的“能效”到底指什么呢？要怎樣計(jì)算呢？

輸出功率大于輸入功率

空調(diào)是不是神效率？

如果你有心去看一下空調(diào)上貼的“中國(guó)能效標(biāo)識(shí)”標(biāo)簽，你會(huì)發(fā)現(xiàn)上面寫著三行數(shù)字：輸入功率、制冷量和能效比。家用立式空調(diào)和壁掛式空調(diào)的能效比，通常都超過了3。也就是說，空調(diào)輸出的制冷功率，遠(yuǎn)大于需要輸入的功率。這是一個(gè)超過100%的效率！

圖1.筆者家中空調(diào)的“中國(guó)能效標(biāo)識(shí)”標(biāo)簽

我們知道，機(jī)器通常都不完美，總會(huì)有損耗，輸入功率應(yīng)當(dāng)大于輸出功率。這似乎才是符合能量守恒規(guī)律的情況。難道說，各空調(diào)廠家都掌握了什么神秘技術(shù)，能夠憑空變出能量來嗎？

當(dāng)然不是。能量守恒定律是牢不可破的物理規(guī)律。而要搞清楚為什么空調(diào)的能效比能夠超過100%，要從空調(diào)的工作原理中去找原因。

空調(diào)制冷的過程比較復(fù)雜。和制熱用的“電熱絲”不同，并沒有什么“電冷絲”，可以直接把輸入的電變成冷氣?？照{(diào)的制冷機(jī)，實(shí)際上扮演了一個(gè)熱量搬運(yùn)工的角色。

熱力學(xué)第二定律告訴我們，熱量只能自發(fā)地從溫度高的地方流向溫度低的地方。換句話說，如果已經(jīng)到了冬天，你還想給屋子制冷的話，不用空調(diào)了——打開窗戶，熱量就往比室內(nèi)更冷的室外跑，屋子里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(nèi)）移到溫度高的地方（炎熱的室外）。這就需要“做功”來強(qiáng)迫熱量逆著溫差流通?？照{(diào)就是利用輸入的電能，來完成這樣的熱量搬運(yùn)。

打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确?，如果把需要從室?nèi)排放到室外的熱量看成是貨物，空調(diào)就是搬貨物的推車。哪怕是一個(gè)人，也能夠用推車推動(dòng)上百公斤的貨物——推車人需要花的力氣，并沒有貨物本身那么重。這個(gè)類比大致可以說明，為什么空調(diào)制冷的能效比能夠超過100%。這件事情本身并不違反任何熱力學(xué)定律。

空調(diào)如何搬運(yùn)熱量？

空調(diào)如何搬運(yùn)熱量呢？它的基本原理，依賴于叫做“制冷劑”的化學(xué)物質(zhì)的特性。制冷劑是一大類物質(zhì)，通常是一些沸點(diǎn)比較低，又很容易被壓縮的有機(jī)物。制冷劑有3個(gè)很有用的特性：

1.液態(tài)的制冷劑在低氣壓的條件下很容易汽化，同時(shí)吸收大量的熱。

2.氣態(tài)的制冷劑在高氣壓的條件下，又很容易回到液態(tài)，同時(shí)放出熱量。

3.汽化和液化的過程中，溫度都不會(huì)改變。

汽化吸熱，液化放熱，把這兩個(gè)過程連接起來，讓制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，然后把熱量排放到高溫處了。以前人們用氟利昂做制冷劑，后來發(fā)現(xiàn)氟利昂中的氯會(huì)破壞臭氧層，所以現(xiàn)在改用不含氯的烷，比如四氟乙烷等等。

常見的空調(diào)制冷循環(huán)如圖2所示。從左上角開始，這個(gè)循環(huán)可以分4步：

1.制冷劑處在高溫高壓的“飽和液體”狀態(tài)(1)，就好比高壓鍋里強(qiáng)行壓住沒有沸騰的熱水。

2.從1到2：制冷劑流經(jīng)一個(gè)膨脹閥。那里，外界壓力迅速下降。高溫高壓的液體按耐不住，開始膨脹。有一小部分制冷劑汽化成了氣體，而剩下的則變成低溫低壓的液體(2)。

3.從2到3：低溫低壓的制冷劑液體和氣體混合物流經(jīng)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器和室內(nèi)的空氣相連。在蒸發(fā)器里，所有的制冷劑液體全部蒸發(fā)，同時(shí)從室內(nèi)空氣中吸收熱量。但是蒸發(fā)的時(shí)候，氣體的溫度不會(huì)變，所以制冷劑全部變成了低溫低壓的氣體(3)。被吸走熱量的室內(nèi)空氣溫度降低，變成冷風(fēng)，從空調(diào)出風(fēng)口里吹出來，讓我們感到?jīng)鏊?/p>

4.從3到4：低溫低壓的氣體制冷劑流經(jīng)空調(diào)壓縮機(jī)。這里，壓縮機(jī)強(qiáng)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(jīng)冷凝器，按耐不住要變回液體。氣體液化的時(shí)候，雖然溫度也不變，但也會(huì)釋放熱量。制冷劑又變回了高溫高壓的液體狀態(tài)(1)。液化釋放出來的熱量，被空調(diào)外機(jī)吹出室外。而高溫高壓的液體制冷劑(1)則準(zhǔn)備再次進(jìn)入膨脹閥，開始下一個(gè)制冷循環(huán)。

圖2.空調(diào)常見的制冷循環(huán)

在這種制冷循環(huán)中，制冷劑的狀態(tài)不斷發(fā)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(duì)于同樣的物質(zhì)，液態(tài)時(shí)分子之間聯(lián)系比較緊密，混亂程度比氣態(tài)時(shí)要低。也就是說，氣態(tài)的熵大于液態(tài)。所以，如果我們把圖2循環(huán)中制冷劑的狀態(tài)，畫在以熵(S)和溫度(T)為橫縱坐標(biāo)的二維平面上，就會(huì)像圖3中藍(lán)色箭頭圍成的曲線那樣。 圖中，從左到右，制冷劑從液態(tài)逐漸變?yōu)闅鈶B(tài)，熵增加；從下往上，制冷劑的溫度逐漸升高。

圖3.空調(diào)制冷循環(huán)（藍(lán)色實(shí)線）和逆卡諾循環(huán)（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(huán)的位置已和空調(diào)制冷循環(huán)錯(cuò)開

熱力學(xué)的推演表明，有一種理想狀態(tài)下效率最高的制冷循環(huán)，叫做“逆卡諾熱機(jī)”。它長(zhǎng)成圖3中黑色虛線箭頭所示的樣子：正好是一個(gè)長(zhǎng)方形。 制冷循環(huán)的曲線所圍成的面積約小，效率越高；曲線離橫軸越遠(yuǎn)，溫度越高，效率越高?？梢钥吹剑照{(diào)使用的制冷循環(huán)并不是一個(gè)平行四邊形，而是在4的地方還多出一個(gè)尖角。和相同溫度下的逆卡諾循環(huán)相比，這部分面積是多出來的。所以空調(diào)的能效比無法超過逆卡諾循環(huán)的效率。

氣溫如何影響空調(diào)的制冷效率？

對(duì)于“逆卡諾熱機(jī)”來說，它的效率只和溫度有關(guān)：

這里的高溫和低溫處的溫度，需要用絕對(duì)溫度來表示。 對(duì)于空調(diào)的制冷需要來說，低溫處就是蒸發(fā)器出口的溫度，它通向室內(nèi)的冷風(fēng)出風(fēng)口；高溫處就是冷凝器出口的溫度，它通向室外的風(fēng)機(jī)。如果我們假設(shè)，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(tài)下“逆卡諾循環(huán)”可以達(dá)到的最高能效比是7.2。

如果要評(píng)價(jià)空調(diào)實(shí)際上浪費(fèi)了多少能量，應(yīng)該要把空調(diào)的能效比，除以對(duì)應(yīng)溫度下“逆卡諾熱機(jī)”的能效比才行。這么一看，空調(diào)確實(shí)還是如同其他任何設(shè)備一樣，會(huì)在工作過程中損失一些能量呢。

除了本身制冷循環(huán)在理論上降低的能效外，空調(diào)管線上的損耗、室內(nèi)外的漏熱、房間除濕的消耗、壓縮機(jī)的發(fā)熱等等，都是在消耗輸入空調(diào)的電力，卻沒有有效地搬運(yùn)熱量。

從理想狀況的能效比關(guān)系也可以看出，天氣較冷的時(shí)候，空調(diào)的實(shí)際制冷能力會(huì)升高，實(shí)際輸入功率會(huì)降低，總能效比變高；天氣較熱的時(shí)候，空調(diào)的實(shí)際制冷能力會(huì)下降，實(shí)際輸入功率會(huì)升高，總能效比變低。這種能效比隨環(huán)境溫度變化的特性如圖5所示。空調(diào)“國(guó)家能效標(biāo)識(shí)”上貼的能效比，就是根據(jù)GB/T 7725-2004規(guī)定的測(cè)量方法，讓空調(diào)在各個(gè)溫度下各自運(yùn)行規(guī)定的時(shí)間，再把每個(gè)溫度下實(shí)際測(cè)量到的能效比做加權(quán)平均得出來的。

圖5.空調(diào)能效比和輸入功率隨外界溫度的變化（引自國(guó)標(biāo)GB/T 7725-2004）

因此，物理規(guī)律坐實(shí)了這個(gè)壞消息：天氣越熱，房間里需要搬走的量越多，空調(diào)卻反而越不給力！

但不管怎樣，能效比數(shù)值越高的空調(diào)，相對(duì)還是越節(jié)能。但節(jié)能空調(diào)通常價(jià)格也較貴。而且，即使空調(diào)的能效比再高，想要達(dá)到省電且快速的制冷效果，還需要結(jié)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(zhǎng)久的保持室內(nèi)的低溫，減少空調(diào)實(shí)際需要工作的時(shí)間，從而減少花費(fèi)。

所以，究竟是選擇多花錢買更節(jié)能的空調(diào)而省電費(fèi)，還是少花錢買不是那么節(jié)能的空調(diào)而多花電費(fèi)，還需要消費(fèi)者根據(jù)自家住房的保溫性能算一筆賬，根據(jù)性價(jià)比再做決定。