夏天到來，天氣逐漸炎熱，處于熱帶與亞熱帶的人們開始尋找避暑勝地與良計。居民樓的外墻上隨處可見的鐵盒子開始嗡嗡作響，汽車的玻璃也開始緊緊關 閉，這是空調(diào)在工作。有一些大樓，雖然看不到嗡嗡作響的大鐵盒子，但房間里依然涼爽。仔細觀察，可以發(fā)現(xiàn)房間里天花板上有一些或方形或矩形的格柵在吹出陣 陣涼風，這也是空調(diào)在工作。

與人類漫長的使用火加熱的歷史相比，人類使用工具降低居住環(huán)境溫度的時間說長不長，說也短不短。李約瑟在《中國科學技術史》中提到，早在漢代時中國人就已發(fā)明了使用人力或者水力驅(qū)動的風扇。但在之后相當長的時間里，人類一直沒能發(fā)明可以顯著改變建筑內(nèi)環(huán)境溫度的工具。

直到1758年，降溫技術才出現(xiàn)了里程碑式的發(fā)展。這一年，英國化學家、醫(yī)生約翰·哈德利與合作者本杰明·富蘭克林進行了一項實驗。他們把乙醚噴到 溫度計上，發(fā)現(xiàn)溫度計會迅速降溫。改進后的實驗甚至可以制取一些冰。這個實驗是首次人工制冰。可惜，六年之后約翰·哈德利因病而逝。科學家富蘭克林也把主 要精力投入到了爭取美國獨立的政治事業(yè)中去。之后的數(shù)十年，人工降溫的技術幾乎完全沒有進步。

1820年，著名的英國科學家邁克爾·法拉弟發(fā)現(xiàn)壓縮可以使氨氣液化，而液氨在蒸發(fā)時可以讓空氣冷卻。對于即將誕生的空調(diào)來說，這個發(fā)現(xiàn)可以稱之為 通向正確道路的大門。不過，法拉弟雖然發(fā)現(xiàn)了氨的這個秘密，但要發(fā)明可以制冷的機器，卻還要再等20年，還要等一名叫做約翰·戈里的美國醫(yī)生。

1842年瘧疾和黃熱病在佛羅里達州流行。同時是旅館老板、銀行職員與醫(yī)生約翰·戈里為了給病人降溫，發(fā)明了一個形狀怪異的裝置，可以通過制取冰來冷卻空氣。這就是世界上第一臺真正意義上的制冷機。

1851年的時候，約翰·戈里取得該裝置的專利。約翰·戈里宏圖遠大，他不只是想給一座建筑物降溫，甚至還想給整個城市降溫?？上Ъs翰·戈里的心比 天高，命比紙薄。投資者突然死亡使他沒有財力進行新的研究。直到他1855年去世，他的制冷機也沒再取得實質(zhì)的進步。今天，在美國的佛羅里達州還有一個名 叫“約翰·戈里州立博物館”，用來紀念這位制冷業(yè)的先驅(qū)。館中展示了一臺按約翰·戈里發(fā)明的那臺制冷機四分之三大小制作的模型。

圖為約翰戈里州立博物館：四分之三的比例模型戈里的制冰機

在約翰·戈里獲得專利的同一年，澳大利亞人詹姆斯·哈里森也制造出類似的制冷機，并于1854年賣給巴望河銀行。這標志著制冷機進入到商業(yè)化時代。1855年，哈里森的乙醚蒸氣壓縮式空調(diào)獲得專利。

在19世紀下半段，各種與制冷有關的技術紛紛獲得專利。制冷設備成為一個行業(yè)并蓬勃發(fā)展起來。不過，這些設備都是機械式、由熱機驅(qū)動的。它們體積龐 大效率低下，功率也不能做的很大。很難普及使用。直到1902年一位名叫威利斯·開利的年輕人進行了改進之后，才真正開始普及。

威利斯·開利是布法羅鑄造公司的機械工程師，他們的客戶薩克特-威廉印刷出版公司需要一臺制冷機。以前的機械式制冷機是先制冰再制冷。降低溫度的同 時，空氣的濕度也大大增加，并不能用于印刷廠。布法羅鑄造公司把任務交給了剛剛畢業(yè)的機械工程師威利斯·開利。據(jù)稱開利研究了很長時間，靈感來源于他在火 車站看到了凝結的露珠?？諝獾臐穸雀鷾囟让芮邢嚓P，同樣的含水量，溫度越低，濕度越高，直到飽和后凝成水珠。開利利用了空氣的這一特點。他讓需要被冷卻的 空氣通過一個狹小的空間把熱量傳導給制冷冷媒。這樣可以把空氣的溫度降的很低而使含水量飽和凝結出水。水附著在冷媒容器的外壁上，聚集到一定量后排出。低 溫的空氣離開換熱裝置后吸收周圍空氣的熱量，溫度升高到需要制冷的溫度，濕度降低?？諝庖虼俗兊募壤溆指稍铩＿@也是空調(diào)可以除濕的原因所在。開利出色的完 成了任務。他制造的這臺制冷機由電力驅(qū)動，使用空間狹小但面積巨大的換熱裝置，與現(xiàn)在的空調(diào)已沒太大差別。空調(diào)行業(yè)也都認可這是世界上第一臺“科學空 調(diào)”。

薩克特-威廉印刷出版公司達到了自己的目的；布法羅鑄造公司獲得了巨大的成功；威利斯·開利也因此得到提拔。1906年的時候，威利斯·開利獲得了 該空調(diào)的專利。不過，布法羅鑄造公司并未把空調(diào)業(yè)務當成公司的主營業(yè)務。1914年開利離開布法羅，并于次年與朋友合伙公辦了一家以空調(diào)為主業(yè)的公司。這 就是大名鼎鼎的開利空調(diào)公司。

由于開利的空調(diào)極大的提高了舒適性，廣受市場青睞。據(jù)稱，僅第一年就接到了四十套訂單。1924年底特律的赫德森百貨公司安裝了開利空調(diào)；1925 年紐約里沃利大劇院安裝了開利空調(diào)；1928年美國白宮安裝了開利空調(diào)；1929年參議院也安裝了開利空調(diào)。到大蕭條前，開利公司已為數(shù)百個劇院與大廈安 裝了空調(diào)。他與他的公司都獲得了巨大的成功。

開利本人作為杰出的工程師，對市場也很敏感。他認為聚集著高級經(jīng)理人與普通白領職員的寫字樓都需要安裝空調(diào)。并針對這種建筑設計了一種可以吊在天花 板下的空調(diào)系統(tǒng)，既“導管式空調(diào)系統(tǒng)”。這種空調(diào)不僅可以讓高層的大廈更加易于安裝、使用空調(diào)，還不占用寶貴的地面空間。直到現(xiàn)在，“導管式空調(diào)系統(tǒng)”還 是美國市場主要銷售的產(chǎn)品之一。開利甚至還看到了家庭用空調(diào)巨大的市場。但受限于當時的技術，他對此投資的133萬美元以慘痛的失敗而告終。直到開利去世 后的20世紀50年代，家庭用空調(diào)在技術的推動下變的小型化與價格低廉后才得以普及。為紀念開利的貢獻，華盛頓國立博物館收藏了開利公司于1922年制造 的第一臺離心式空調(diào)（一種空調(diào)壓縮機的壓縮形式）。

20世紀上半段，是空調(diào)行業(yè)的黃金發(fā)展期。空調(diào)（制冷）業(yè)很多耳熟能詳?shù)墓径颊Q生于那個時代。有一些公司雖然不是在那時成立的，但卻也抓住了這一黃金時機。比如美國的通用與日本的東芝公司。

說起來，日本的空調(diào)行業(yè)起步并不晚。早在1935年，東芝公司就開始生產(chǎn)、銷售空調(diào)產(chǎn)品。但日本公司一直生存在美國公司的陰影下，幾十年間一直沒什 么起色。直到上個世紀70年代，隨著能源供應的日益緊張，人們開始關注消耗掉整棟建筑大部分電能的空調(diào)的節(jié)能性。迫切需要一種更加靈活的產(chǎn)品來滿足市場。

日本人發(fā)揮了他們工程技術方面的優(yōu)勢。在上世紀70年代發(fā)明了一種新型的空調(diào)壓縮機。這種壓縮機結構緊密，體積很小，效率較高，功率還比較大。這種 壓縮機讓空調(diào)產(chǎn)品更加豐富多彩的同時，也讓日本空調(diào)行業(yè)在世界上第一次占據(jù)主導的地位。在對空調(diào)至關重要的制冷劑方面，日本公司也與美國公司一道，共同持 有新型環(huán)保冷媒的專利，成了把控市場的行業(yè)巨頭。壓縮機與制冷劑技術的發(fā)展讓空調(diào)更加適用于各種場所。到今天，空調(diào)的類型之繁多，可能連很多從業(yè)者都說不 清楚。比如利用土壤熱、地下水熱的所謂地溫空調(diào)以及利用廢熱的吸收式空調(diào)。

上述所有的空調(diào)，無論如何變化，都利用了同一個叫逆卡諾循環(huán)的原理。逆卡諾循環(huán)是一個理想模型，由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成。工質(zhì)（空調(diào)專業(yè) 中稱為制冷劑）吸熱和放熱過程中與冷源及高溫熱源是在等溫下進行的，只發(fā)生壓縮或者膨脹。其循環(huán)過程為：工質(zhì)從冷源（對應空調(diào)的低溫熱庫）吸取熱量，但溫 度不升高，只膨脹。然后進行絕熱壓縮，使其溫度升高至與高溫熱源（對應空調(diào)的高溫熱庫）相同的溫度（在制冷技術中，這個溫度并不是環(huán)境溫度，而是要高于環(huán) 境溫度）。 把工質(zhì)輸送到高溫熱庫后再進行等溫壓縮，并向高溫熱源放出熱量。最后再進行絕熱膨脹，使其溫度由降至與初始溫度相同，從而完成一個循環(huán)。對空調(diào)來講簡要的 描述就是壓縮機對制冷劑做功，利用制冷劑的相變吸收熱量的方式，可以將熱量由低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。

計算逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)有一個公式，是低溫熱源的溫度（指絕對溫度，下同）除以高溫熱源的溫度與低溫熱源的溫度之差，既制冷系數(shù)=T低/（T高 -T低）。由此公式可知，卡諾循環(huán)的效率跟工質(zhì)無關，只跟低、高溫熱源的溫度有關。從這個公式中還能看出，如果高、低溫熱源的溫差小于低溫熱源的溫度，制 冷效率是可以大于100%的。這也是空調(diào)可以省電的原因。高、低溫熱源的溫差越小，制冷效率也就越高。因此，降低高溫熱庫的溫度也成了提高空調(diào)效率的主要 辦法之一。變頻空調(diào)技術就是通過相對降低高溫熱庫的溫度來提高制冷效率的。但并不是說變頻空調(diào)的制冷效率一定就高。為了均衡，在設計變頻空調(diào)時，在標準頻 率下，換熱面積一般會設計的相對較小。只有在頻率降低，單位時間內(nèi)流過的制冷劑變少溫度變低時，才能實現(xiàn)更高的效率。不過，也并不是頻率越低越好。當頻率 低到一定的程度，循環(huán)過程中消耗掉的功占比過大，效率反而會有所降低。

空調(diào)不只用來制冷，還用來制熱，可以用來制熱的空調(diào)叫熱泵式空調(diào)。原理跟制冷相同，只不過是把低、高溫熱庫通過一個叫“四通閥”的裝置進行調(diào)換。計 算逆卡諾循環(huán)的制熱系數(shù)也有一個公式，是高溫熱源的溫度除以高溫熱源與低溫熱源的溫度之差，既制冷系數(shù)==T高/（T高-T低）。比較它與制冷系數(shù)的公 式，會發(fā)現(xiàn)它們的區(qū)別只在于分子不同。制冷系數(shù)的分子是低溫熱源的溫度，制熱系數(shù)是高源熱源的溫度。因此，一般情況下，空調(diào)的制熱系數(shù)一般會比制冷系數(shù) 高。制冷系數(shù)與制熱系數(shù)通稱為能效比，分別用EEP與COP表示。這是空調(diào)技術中最重要的指標。不過隨著變頻技術的發(fā)展，這兩個只能表示額定制冷、制熱系 數(shù)的指標對變頻空調(diào)不怎么適用，因此近年來又出現(xiàn)了一個叫“綜合能效系數(shù)”的參數(shù)，用IPLV值表示。它是由空調(diào)在標準環(huán)境下分別工作在25%、50%、 75%、100%的變頻時的不同制冷系數(shù)（或制熱系數(shù)）加權后得出的一個數(shù)值。

從公式中還能看出，由于空調(diào)的工作環(huán)境所限，通過降低高溫熱庫的溫度來提高空調(diào)的效率的幅度有限。那么是不是就說明空調(diào)已沒有提高效率的空間了呢？ 實際情況并非這樣。由于空調(diào)工作的環(huán)境并非理想環(huán)境，壓縮機的效率、制冷劑與吸熱與放熱裝置等，都影響著空調(diào)的最終效率。所以，現(xiàn)在空調(diào)技術的研發(fā)方向也 著重于這些方面。研究更高效率的壓縮機，以減少電能與機械能的轉(zhuǎn)換損失；開發(fā)更高比熱容的制冷劑，以減少循環(huán)制冷劑的質(zhì)量；發(fā)明熱傳導效率更好的新材料或 者裝置。這都可以提高空調(diào)的能效比。

采用壓縮機的壓縮式空調(diào)是當今空調(diào)界的主流，但有一種空調(diào)雖然同樣利用了逆卡諾循環(huán)原理，卻不并使用壓縮機，叫吸收式空調(diào)。這種空調(diào)的歷史也相當悠 久，可惜因電力能源的價格低廉與受使用環(huán)境的限制不能發(fā)展成為主流。吸收式空調(diào)利用了兩種不同沸點的工質(zhì)混合在一起組成的溶液，高沸點的工質(zhì)作吸收劑，低 沸點的作制冷劑，吸收劑對制冷劑有強吸收作用。當溶液溫度升高后低沸點的制冷劑沸騰蒸發(fā)，蒸發(fā)后的制冷劑氣體先冷凝成液體再進入到蒸發(fā)器吸熱（實現(xiàn)制 冷）。吸熱后的制冷劑重新變成氣體，回到一個叫吸收器的裝置，被高沸點溶液吸收，再次成為混合溶液，同時對外釋放熱量。溶液回到一個叫發(fā)生器的裝置被加熱 后再次分離，完成一個制冷循環(huán)。吸收式空調(diào)一般在有廢熱的工廠使用。廢熱可以用來加熱發(fā)生器，發(fā)生器單位時間內(nèi)吸收的熱量越多，溶液的分離蒸發(fā)越激烈，制 冷功率與效率也就越高。現(xiàn)在市場上的吸收式空調(diào)產(chǎn)品一般有兩種混合溶液，水-氨與水-溴化鋰。吸收式空調(diào)需要維持低壓環(huán)境以降低制冷劑（一般是水）沸騰溫 度。水-溴化鋰吸收式空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)的壓力一般只有1KPa左右，此時水的沸點只是幾攝氏度。

除此之外，還有一類俗稱“半導體制冷”的裝置。依據(jù)的是由法國物理學家晉·查理·阿提鞍斯·帕爾帖于1834年發(fā)現(xiàn)的“帕爾帖效應”。該效應表明， 給某種材料施加電壓時，材料的一端會吸收熱量，而另一端則會釋放熱量。這種技術與超導類似，發(fā)現(xiàn)的比較早，但進展緩慢。現(xiàn)在也只是用在一些空間狹小的地 方。比如在民用領域，可以制冷的飲水機使用的就是這種“半導體制冷”技術。本文主要是講日常所用空調(diào)的發(fā)展，所以只是簡單的介紹此種技術，不做過多講述。 文中的“空調(diào)”也僅指逆卡諾循環(huán)的制冷機。

空調(diào)的原理雖然簡單，但仍堪稱人類最偉大的發(fā)明之一。它使酷暑變得清涼，極大的改善了人們的居住與工作環(huán)境，提高了生活質(zhì)量。當我們按下空調(diào)的開關，等待著冷風撲面而來時，應該想到，科技的力量讓生活更美好。