制冷又节能的空调扇能否代替空调？

背景

这个夏天可以说是近年来最热的一个夏天了，多地温度都创了新高，空调无疑成为了夏日居家必备电器。谁不愿意躲在空调房里享受凉爽呢？除了空调之外，还有一款电器比较火热——空调扇。商家的广告词相当诱人——“澎湃风量，冰感清凉”、“畅享清凉风，润物细无声”……再加上生动的配图，好像凉风已经扑面而来了。空调扇也叫冷风扇，它价格惠民、无需安装、方便可移动、功率低，这些特点足以使消费者动心。它的使用体验真的有广告里说的那么好吗？制冷又节能的空调扇能否代替空调？要回答这些问题，我们首先要了解它们的制冷原理。

图1. 空调扇（图源自网络）

空调的制冷原理

19世纪，蒸汽机已经广泛应用于工业当中，人们对热和功的转换进行了大量的探索。起初人们对热的认识是粗略而模糊的，直到19世纪中叶，热力学第一第二定律相继提出，科学的理论才得以建立。热力学第一定律本质是能量守恒定律，我们已经非常熟悉。热力学第二定律的创立者之一的克劳修斯（Rudolf Clausius，1822-1888）对于热力学第二定律的阐述为：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。他指出了高温物体向低温物体的热传导是自发的，那低温物体向高温物体传热是否可以发生呢？答案是可以的，克劳修斯强调的是“不引起其他的变化”，只不过想要完成这样的过程，我们需要付出一定的代价——做功。热机是吸收热量对外功的机器，而制冷机就是热机的逆过程，对外做功使系统温度降低。

室内的温度通常比室外低，空调中的制冷机通过消耗电功使低温的室内源源不断地向高温室外的释放热量，从而降低室内的温度，让人感到凉爽。空调具体是如何实现制冷的呢？它大致由四个部件构成，分别为压缩机，冷凝器，蒸发器和节流装置。其中，压缩机是空调的核心部件，也是整个空调制冷系统的动力来源。

图2. 空调结构（图源自网络）

整个制冷系统中填充有制冷剂，制冷剂又称冷媒，它是能量转化的媒介，常见的冷媒有氟利昂（氟氯烃类、氢氯氟烃类、氢氟烃类）、氨气、二氧化碳等。氟利昂是一个庞大的家族，它们有较强的化学稳定性和热稳定性、汽液两相变化容易，因此适合做制冷剂。但由于氟氯烃（CFC）对臭氧层有破坏，而氢氟烃（HFC）对臭氧层破坏系数为0，氟氯烃冷媒已逐渐被氢氟烃冷媒所替代。

空调工作过程大致为：压缩机将制冷剂蒸汽收集，压缩，使之成为高温高压的气体，并送入冷凝器。冷凝器将高温气体进行冷却，制冷剂气体会发生液化生成液体，这一过程会释放出大量的热量。冷凝器一般安装在室外，因此在空调运行过程中，室外机吹出的都是热风。已经成为液体的制冷剂经过节流装置，进入蒸发器。在蒸发器中，压力突然减小，制冷剂发生汽化，同时吸收大量的热，蒸发器温度降低。在风扇的作用下，空气从蒸发器吹过，就变成了冷风。由于经过蒸发器的空气中含有一定量的水蒸气，会遇冷凝结并顺着排水管流出，这也是空调为什么一直在滴水的原因。汽化后的制冷剂重新被压缩机收集，往复循环，空调不断吹出冷气，达到制冷的目的。

图3. 空调制冷原理（图源自网络）

空调扇的制冷原理

与空调相比，空调扇的结构就要简单很多。空调扇中装有水箱并有水泵带动水循环，采用分散或喷淋技术将水带入湿膜滤芯上，在出风口形成湿帘。热风经过湿帘时，湿帘中的液态水蒸发变成气态水，并带走空气中的热量，使空调扇吹出来的风的温度下降，因此产生制冷效果。空调扇通过水的蒸发使空气温度降低，但并没有压缩机进行压缩循环，制冷效果不如空调。那空调和空调扇的制冷量差别有多大呢？我们可以进行粗略的计算。

图4. 空调扇制冷原理（图源自网络）

空调和空调扇制冷量的比较

空调和移动空调都明确标有额定制冷量，一般功率为一匹（735.5 W）的空调额定制冷量约为2600 W。我们换算一下每小时的制冷量， 

Q=P·t=2600×60×60 J=9.36×106 J

也就是说空调/移动空调每小时转移走房间内9.36×106焦耳的热。

下面我们来计算空调扇每小时吸收的热量。由于空调扇并没有额定制冷量，但是我们可以根据它的制冷原理来进行粗略的计算。下面是三款品牌空调扇的相关数据[1]：

[1] 数据均来自品牌官网

图5. 三款空调扇的相关数据

由表可知，不同品牌和功率的空调扇每小时蒸发量不同，我们取中间值，空调扇每小时的蒸发量为670 ml/h。考虑到夏天室内温度高，设室内温度为28 ℃。并且为了提高空调扇的制冷效果，我们设加入水的温度为0 ℃。此时，系统经历了两个吸热步骤，一是0 ℃的水吸热升温至28 ℃，二是28 ℃的液态水蒸发为同温的水蒸气。假设没有热量耗散，利用下面的公式就可以计算吸收环境的总热量[2]：

由计算结果可知，加入0 ℃的水，室温28 ℃，空调扇每小时吸收室内约 1.7×106 焦耳的热量。虽然计算很粗略，但是它们制冷量之间的差别还是比较明显，空调扇的制冷量仅为一匹空调的五分之一不到。而且这是考虑了没有热量损耗，加入的是冰水，在实际使用时吸收热量可能会更低一些。如果这些被吸收的热量全部用于出风口的降温，我们还可以计算出风口空气的温度，额定风量取350 m3/h：

这些热量可以使出风口气体温度降低约3.8 ℃，在实际情况中出风口温度约25~26 ℃，考虑到能量的损耗，以及气体流速过快，热量来不及被吸收等情况，计算结果大致符合实际情况。空调扇的功率很低，省电且方便，但是制冷效果并没有广告里宣传的那么好。大部分人都是尽量避免出风口直吹，尽管出风口是凉爽的，但吸收环境的总热量太少，导致室内温度并不会降得很低，其制冷效果和空调差很多，并不能代替空调。

移动空调

那如何保留空调扇的方便性，又增加制冷效果呢？方法当然有，将空调所有部件都设计在一个可移动的机箱里，这就是移动空调。它的外型和空调扇很像，没有外机。移动空调和空调的制冷原理一样，值得注意的是，由于制冷剂循环的过程中，在液化的一步会放出大量的热量，在没有室外机的情况下，我们需要将热气通过排风管排到室外或者房间外。如果不排热风，热量还留在室内，根据能量守恒定律，对于房间而言电功最终都会转化为热，不但起不到制冷的效果，反而会使环境温度升高。还有一个类似有趣的问题，打开冰箱门会不会使室内温度降低？冰箱制冷和空调相似，但是没有向室外的排风管，热量排到了冰箱后，同理，虽然冰箱温度里很低，但是打开冰箱门并不会使室内降温。

图6. 移动空调（图源自网络）

小结

空调的制冷效果无疑是最佳的，同时价格和耗能也是最高的。空调扇功率低、节能、方便，吹出的空气还有加湿的效果，实用性很不错。但是空调扇的制冷效果稍逊色，想用它来代替空调的消费者可能会有些失望。移动空调兼具制冷性和移动性，由于压缩机也在室内，使用时它的噪音也会大一些。三种电器各具优势，你最喜欢哪种呢？