太阳辐射能热机的具体应用

包括制冷机、空调、热泵、冰箱在内的所有制冷循环都会产生冷凝热，原因在于只有单一环境热源的条件下，为了实现制冷循环，必须投入功通过压缩机将工质温度提升至环境温度之上，才能使气相工质的潜热得以释放重新液化完成循环。制冷产生的冷凝热通常是制冷量的1.15-1.3倍(高出1的部分为压缩机自身运行耗能散热)，这种压缩是逆向传热过程，根据热力学第二定律逆向传热要输入功。

空调(冰箱)与热泵的运行原理相同，当使用目的是制冷时，我们称其为空调，当使用目的是制热时称其为热泵。下图空调/热泵运行原理：

空调主要应用是制冷。我国家用空调保有量超过5亿台(还有数亿台冰箱)，空调耗电相当于社会总耗电的10%-15%。年耗电约为4000-6000亿千瓦时，相当于6-8个三峡的发电量，产生的碳排放高达5000万吨/年。空调制冷产生的冷凝热成为不得不付出的代价。由于冷凝热为低品位热，利用价值低，通常白白排放到环境中去，不仅浪费了能源，也是城市夏日热岛效应的重要成因。如果能减少冷凝热的排放就可以空前的提高空调效率，减少能耗。

一、技术革新的空间

空调的发明和应用已经有一个世纪了，改善空间微乎其微，技术创新乏善可陈。近年来，具有创新意义的技术是日本人在以普通制冷和空调为目的的二氧化碳制冷循环中用膨胀机(一种利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量的机械)同轴连接压缩机,替代膨胀阀。这样做不仅显著提高了制冷能力，而且回收了膨胀功。据报道，回收的膨胀功相当于压缩功的30%。如果属实这应该是空调(热泵)产业多年来最大的技术进步了。

膨胀阀的作用是节流，将高温高压的液相工质转换到低温低压状态。从热力学的观点出发，任何从高温到低温，高压到低压的过程都存在能量，不加以利用即是损失。用膨胀机替代膨胀阀回收功显然是合理的。但作为应用目的是制冷而非制热的循环来说，仍然存在局限性，其一，系统仍然存在逆向传热，不仅需要较大的压缩功，产生的热仍然被无端浪费掉(热泵用途则另当别论);其二，它是在没有相变的情况下回收膨胀功的，可回收的功必然有限。

下图：冷凝器到蒸发器之间蓝色线条为液体，低沸点液态冷媒经过蒸发器吸热蒸发才会发生相变。

二、零耗能单向制冷空调

零耗能单向制冷空调以热机(卡诺)循环方式运行，以低沸点工质在蒸发端从环境吸热蒸发产生的低温作为冷凝端的低温热源，通过膨胀机绝热膨胀将工质吸热获得的内能转化为功而制冷。由于没有逆向传热过程，不向环境排放冷凝热，不仅减少了压缩功投入还获得了膨胀功。与热机循环一样，膨胀功是在相变情况下获得的相变能，见下图红色线条。

装置循环过程如下：

蒸发吸热：液相工质经工质泵进入蒸发器从环境吸热蒸发汽化，获得内能。工质吸热对被吸热对象环境而言是制冷。

绝热膨胀：膨胀机做功是绝热过程，由于无法从外界吸热只能消耗工质自身内能，导致工质压力、温度下降。

冷凝放热：膨胀机排出的气相工质(温度须高于工质蒸发制冷温度)进入冷凝器同工质蒸发制冷产生的低温而非环境温度换热，释放凝结潜热液化。

绝热压缩：液相工质经工质泵压缩进入蒸发器再度与环境换热回补内能，进入下一循环。

上述循环包括一个吸热过程和两个制冷过程;蒸发制冷和膨胀制冷。系统以环境温度为高温热源T1，工质蒸发制冷产生的低温为低温热源T2，以膨胀制冷为制冷源。低沸点工质在蒸发端吸热与制冷(对被吸热物体而言)等量，膨胀机绝热膨胀(消耗内能)输出功与膨胀制冷等量。

工质在蒸发端吸热包括汽化潜热和显热，由于部分显热经膨胀机转化为功，工质冷凝放热必然小于蒸发吸热Q2=Q1-WQ1相反。由于工质在蒸发端吸热蒸发产生的低温为冷凝端的低温热源，因此，只要膨胀机的乏汽温度高于低温热源温度而非环境温度(无需逆向传热)，就可以使乏汽的凝结潜热得以释放冷凝液化，实现不向环境排放冷凝热的制冷循环。

三、创新意义

这种制冷方法颠覆了传统制冷理念，具有革命性创新意义。系统可实现超级节能，即比现有空调的综合能效比COP提高近1倍，能耗下降90%-100%，达到零耗能的临界(理论上可能实现负能耗制冷，即太阳辐射能热机运行原理)。因为，制冷循环不是能量转换，而是能量搬运过程，效率不受能量转换极限1的限制，而受制于卡诺循环。

根据热力学第二定律，自发传热输出功，输出的功以温降为代价。系统没有逆向传热，其投入的功仅限于推动冷媒流动，克服工质和机械的摩擦阻力等。系统输出的功完全可能补偿投入的功。否则，我们无法解释导致温降那部分消失的热能去了哪里?

“生命赖负熵为生”。系统如同人的生命活动一样，它始终与外部环境进行能量交换;从环境获得热能，对外输出功，致局部环境变冷。系统与外部的能量交换以及膨胀机效率有赖于冷媒的选择，要求冷媒密度高、粘度小，临界温度在环境温度区间，临界点与沸点之间的温差小、压差大。CO2在30℃时饱和蒸汽压为7.2MPa，相当于284℃水饱和蒸汽对应的(绝对)压力，可以获得较大的膨胀功。现行各种冷媒中，二氧化碳最为理想。