第五十二节 古代空调，未来性能
五六月的长安马上就要热起来了。历史上，李世民不堪炎热，多次外出行宫避暑。其中最近的是长安南钟南山的翠微宫，然后就是西北一百六十里的九成宫，以及正北方药王山上的玉华宫。 李世民晚年为了能在行宫避暑办公，特地让人在玉华宫大兴土木，修建全套朝廷办公用的配套的屋舍，虽然他下令“务从节俭，除了正殿都用茅草盖顶”。但别的费用可剩不下来，谁敢盖一个会塌的房子给这帮高级官员住呢？ 所以，建造一个空调系统就是李治讨好李世民的一个重要任务。说道空调，人们心里想到的是……耗电大户。制冷剂泄漏，温室效应，压缩机……等等等等。 其实使用压缩机蒸发器制冷的空调系统，工程上有两个优点，第一，是节省空间。用很少的制冷剂，一个小的压缩机和最占空间的冷凝器就可以完成比较大空间的制冷。第二就是热效率还凑合。因为它是热泵的原理，利用压力的强行的气－液相变，使制冷剂装载的热量大于维持它相变转换所需要的热量。但这个不是说，它制造的能量大于它消耗的能量，只是说它在一定限度内搬运的热量大于它消耗的能量。但这个热量重新扩散能够带来的能量则肯定不会大于它消耗的能量。因为物体的内能除了可以做功的部分（物理学称为焓），还有不能转化为能量的部分（称为熵）。这些搬运的热量，用一个计算可以说明： 空调运行前，假设墙壁完全绝热，室内外空气都是27度（约等于300K绝对温度）。空调运行消耗了1度电，算成能量是一千瓦时=3600千焦耳。现代市场上的空调出于节能考虑，能效比小于3的都是不允许销售的。用3计算，那就是制冷量1080MJ. 这个是什么概念呢，空气密度是1.2kg/m3，它的比热容是1005J/(kg*K). 如果这个房间30平（相当大的一房间了）空气量大概是84个立方。那么这1080MJ可以让这个房间的空气下降几度呢？（有人自己算吗？） 答案是10.66度。所以现在的房屋内气温是15.3度，约合288K，它的压力也改变了，也可以用热力学公式来计算。那么，现在它的内能损失了1080MJ，不考虑气体热量的传导损失，外界会把它的体积压缩，这个过程中做的功就是转移的这么多热量可以重新转换为机械能的能量。如果这个能量大于消耗的能量（1度电），那么我们就可以从中制作一个永动机。 可能吗？经过计算，这个重新转换出的机械能是多少呢……是237KJ，仅仅是1080MJ的……零头都不到啊！和用掉的能量比仅仅只是6.58%！可见，内能，制冷量和机械能虽然都是能量，但真的是两种概念啊！ 首先利用理想气体状态方程PV=nRT计算出降温后P=0.96P0，然后用PV^1.4=常数计算出绝热压缩过程p=1时V的改变值，最后用T*V^0.4=常数计算出温度的改变值。最后这个机械能等于气体内能的改变量nR（T－288）/0.4（因为没有热交换）。虽然这里没有给出nR的值，但这个计算是可以完成的。 此外，它的效能极大的受制冷剂的制约：比如说臭名昭著的氟利昂。在现代的冰箱和空调中，氟利昂和氟利昂的代用品有一个很重要的特点，就是它气化的时候能够吸收大量的热。同样，它的气体被压缩为液体的时候也能够放出大量的热。而且它的这个气相液相变曲线的温度正好在冰箱和空调的工作温度的两侧。 水之所以无法用作这样的制冷剂，就是因为它快速气化的温度很高（100度），理论上来说，在气温400度的金星上，它就可以做极其优良的空调制冷剂。 在地球上，制冷的温度如果低于了水的沸点，效率就会很低直至无法工作。但其实，空调扇也是通过水气化吸热的原理工作的，因此这也是一个简易空调。水是作为一种无法代替的制冷剂存在——它不要钱，而且容易获得。 低温工程中，使用的能够把温度降到4开尔文一下的制冷原理，不是蒸发制冷原理，而是气体膨胀吸热的原理。 可是，这个拿到空调上用，真的合适吗？ 合适啊！因为这个简单的空调，不需要冷却剂也不需要蒸发皿。而且皇室用品，完全不用考虑安装空间的大小，也不用考虑工业生产成本方面的问题。 因为它的工作介质就是空气本身，这也是一种不用考虑补给和维护的。 让我们继续刚才的继续，如果我们把空气等温压缩到5个大气压，然后通过一个喷嘴进行放气，就像给轮胎放气一样。你的经验告诉你，那样确实会降低温度，而不仅仅是被吹风吹出来的心理作用。 这个过程是等效刚才的计算中的绝热膨胀（压缩）过程的。因为空气在快速膨胀过程中，热量来不及交换。也正因为它是“绝热的”，所以才会产生降温，不是吗？ 实际上，常用的三种非压缩冷凝式的制冷方式分别是：斯特林循环，绝热膨胀和焦耳－汤普森膨胀。这三种其实都是通过气体膨胀做功而使温度降低的。具体的说，最后一种膨胀，更利用气体通过节流阀膨胀，利用需要克服气体分子间的范德华力而做工，产生降温带走热量的效果。（这个过程还因为气体分子的运动特性具有一个温度逆变特性，这就留给有兴趣的人挖吧。） 刚才的计算就是一个绝热膨胀的逆过程——绝热压缩的过程。简单跳过这个计算，用一个简单的公式计算这个理论条件下降温量和效率的关系吧。这个理论上的效率就是卡诺循环的制冷效率。（卡诺循环是可逆循环，在作为热机使用时，它的效率表示热能转为机械能做功的效率） 那就是制冷效率等于低温处以高温和低温的差值。比如，低温超导需要把温度降到4.2K，那么如果从室温300K开始降温，这个效率就只有4.2/（300－4.2）=1.4%。意味着每花掉1度电，才只有5.4KJ的热量被带走。这和通常用的空调比真是差太远了不是吗？ 恩，所以这个问题是要考虑降温的目标温度的。 按照气温每升高一千米降低6度的通常数据，李世民跑到海拔2000 的翠微宫或者玉华宫避暑，可以享受到10 度的降温，基本上相当于现代人在30多度的时候开空调，把气温降到20多度左右。 这意味着，李治要设计的土空调要把气温从303K降到293K。为了保证制冷传热上的效果，这个空调的出风或者说冷却器的风温度调到280K（7摄氏度）比较保险。 所以他的土空调的理论效率就是280/23=1217%……我cao，怎么这么大的数据唉？是不是一下子就把现代的空调比下去了。如果空调出风温度不是280K，提高到290K，那这个效率更是要提高到恐怖的22！ 如果非要和现代空调家电做个比较，你家1300瓦的空调，只有4千瓦的制冷量。那我家333瓦的卡诺制冷机，就可以达到同样的效果。电费足足省了75%啊亲！ （话说，笔者是个纸上谈兵的人，实在是理解不了为什么现代空调的制冷效率仅仅只有3……如果空调产业把这个数据提高到6，那么很多城市夏天缺电的问题就完全解决了。另外，卡诺机做热泵，制热量也是同样的计算，那么冬天的暖气烧一度电就相当于22个电暖器的效果，这样不是就省太多电了吗！莫非是电厂不愿意咱们省电？） 同理，如果使用热泵作为热水加热的热源，如果你要在290K的供水水温下，洗到60度（333K）的热水，那么你的电费，就要降到原来的七分之一……不要觉得我是吹牛，你自己百度，看看现代空调怎么解释制冷量和制热量吧。在笔者看来，直接拿电阻丝加热是对能源的最低劣的浪费，是对人类智商的最大的侮辱！绝对是五大发电集团两大电网集团最赤裸裸最黑漆漆的阴谋！ 为了嘲讽愚蠢的现代人，笔者决定把这个牛逼的空调在唐朝就建造出来。并且使用真正的马匹作为动力。 以后唐代的达官贵人见了面，就这么打招呼：“张公，你家空调几匹马拉的？” “八匹啊！效果那是刚刚的！李公，你家的呢？” “我家买不起那么多马，只有两匹，但也是够用了！” 请注意，人家两匹马的空调，相当于你家8匹马力，6KW级别的大空调哦！一般人绝对开不起。羡慕吧！人家还活在唐朝哎！格力啊什么美的真的可以买块豆腐一头撞死算了！ 这个空调的结构，简单的难以置信。 一个转盘（给马拉的）一个气缸，一个活塞，一个阀门（焦耳－汤普森阀门），再加上传动机构，一点点热交换和压力管道就可以了！ 还要什么冷却剂？吃屎去吧！