空调

空调是控制封闭空间温度、湿度、空气流动和洁净度的过程，最常见的做法是把空间中的热量移走。其基本物理原理建立在热力学之上：若不做功，热量不会自发地从低温区域流向高温区域，因此制冷系统必须借助制冷循环，逆着热量的自然流动方向把热搬运出去，通常由电驱动。现代空调系统从小型窗式机组到覆盖整栋建筑的大型集中式设备都有，它们对热舒适、炎热气候下的工作与睡眠环境，以及印刷、数据处理和医疗等需要稳定环境的工艺，都至关重要。其历史始于19世纪的冰块制冷，经过1902年威利斯·开利为控制湿度而设计的系统，再到1945年后住宅和汽车空调的大规模普及。

空调的意义不止于舒适。它影响城市的布局、建筑的设计、电网的规划，也影响人们应对高温的方式。同时，空调也是能源需求和温室气体排放的主要来源，既来自耗电，也来自设备泄漏的制冷剂。因此，该领域的发展受到消耗臭氧层物质和增温性物质国际条约、能效标准，以及热泵与被动式冷却等新技术研究的共同塑造。

本词条将先阐述物理原理和蒸气压缩制冷循环，再比较其他制冷方法。随后梳理从早期尝试到开利发明以及20世纪中叶扩张的历史，并对系统类型、组件和制冷剂进行分类。后续章节将讨论随制冷剂更替而出现的臭氧层与气候监管、能效测量、电力与气候影响、建筑设计、健康与经济后果，以及当前的技术发展方向和尚未解决的问题。

定义与基本原理

空气调节是对封闭空间的温度、湿度、空气流动和空气质量进行控制。制冷是其最为人所知的功能，但这一术语涵盖的是整套环境条件。通风只是将室内空气与室外空气进行交换，不一定会改变空气的温度或湿度。供暖增加的是热能，但并不管理湿度或空气洁净度。现代建筑通常将这些功能整合在供暖、通风与空气调节（HVAC）系统中，同一套设备往往既能供暖又能制冷，热泵即是如此。

仅凭温度并不能决定人是否感到舒适。热舒适取决于四个环境变量：空气温度、相对湿度、空气流速，以及与周围表面之间的辐射换热。另外两个个人因素，即衣着和代谢率，同样重要。湿度尤为关键，因为人体散热主要依靠汗液蒸发，而潮湿的空气会减缓这一蒸发过程。事实上，控制湿度正是机械式空调最初的动因。早期系统是为了稳定印刷厂、纺织厂和烟草厂等工厂中的湿度而建造的，因为过干或过湿都会损坏产品。人的舒适需求则是后来才被考虑的。

制冷系统受热力学第二定律支配。热量会自发地从较热的物体流向较冷的物体，反向流动若无外界干预则不会发生。因此，制冷或空调装置必须将热量从较凉的室内泵送到较热的室外，这需要外部做功。在大多数设备中，这一功由驱动压缩机的电能提供。所需的最小功受热力学极限约束。理想的逆向卡诺循环给出了效率的上限，而实际设备远低于这一上限。因此，电力输入代表着真实的能量成本，建筑的能量平衡始终是设计的一部分。

冷却空气涉及两种不同类型的热量。显热会改变空气温度，可以用普通温度计测量。对于定压下的干空气，显热负荷大致为 $Q_s = m c_p \Delta T$，其中 $c_p \approx 1.005\ \text{kJ/(kg·K)}$。潜热是在水发生相变而温度不变时被吸收或释放的热量。除湿即是使水蒸气冷凝，而水在室温附近的汽化潜热约为 2.45 MJ/kg，因此潜热负荷大致为 $Q_L = m_w h_{fg}$。由于这一数值远大于将空气温度降低几度所需的显热，潜热负荷可能主导制冷需求。这就是为什么在相同温度下，空气中含有大量水蒸气的湿热气候比干燥气候需要多得多的制冷能量。若系统快速冷却空气却没有运行足够长的时间以使水汽冷凝，房间可能会感到黏湿，这是设备过大时的常见问题。

湿度、空气流动和辐射热各自都会影响为达到舒适所需将空气温度降低的幅度。因此，空气调节最好被理解为一个工程问题，即管理空间内完整的热量与湿度平衡，而不仅仅是把温度计的读数调低。

蒸气压缩制冷循环

大多数房间空调、住宅空调和商用空调都采用蒸气压缩循环。一种称为制冷剂的工作流体在闭合回路中循环，把热量从温度较低的室内空间带到温度较高的室外空气中。回路由四个部件组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。由于热量是逆其自然方向被搬运的，该循环需要外部能量输入，即压缩机电动机所做的功。这一点源于热力学第二定律。

第一阶段：室内蒸发

循环始于室内盘管，即蒸发器。此处制冷剂处于低压、低温状态，因此比室内空气更冷。室内的热量流入流体，制冷剂沸腾。此阶段制冷剂的温度低于周围环境，因此发生蒸发并吸收汽化潜热。因此，制冷效果主要来自蒸发过程中吸收的能量，而不是制冷剂自身温度的变化。这与控制除湿过程的潜热原理相同。

第二阶段：压缩

压缩机吸入低压蒸气并提高其压力。它吸入低温、低压的制冷剂蒸气，将其压缩为高温、高压的蒸气。压力升高也使蒸气温度远高于室外空气温度。这一阶段消耗电能，是唯一需要大量能量输入的阶段。

第三阶段：室外冷凝

高温、高压的蒸气进入室外盘管，即冷凝器。由于蒸气温度远高于室外空气，热量从蒸气流向空气，蒸气重新凝结为液体。冷凝器通过向温度较低的介质（通常是环境空气）传递热量，使高温高压气体冷却并凝结为高压液体。此处排出的热量等于先前从室内吸收的热量加上压缩机所做的功。这也是空调运行时室外机会发热的原因。

第四阶段：膨胀

高压液体随后通过节流装置，如热力膨胀阀或毛细管。节流装置使压力急剧下降，使制冷剂恢复为蒸发所需的低压状态。制冷剂离开节流阀时为液汽混合物，其中液体和蒸气的比例分别约为75%和25%。此处产生的闪蒸蒸气使混合物降温，使其进入室内盘管时足够冷，能够吸收热量。节流阀还控制有多少液体进入蒸发器。

压力、沸点与单一工质

该循环只需一种工质，是因为制冷剂的沸点强烈依赖于压力。在低压下，液体的沸点低于室内空气温度，因此能从房间吸热。在高压下，同一流体的冷凝温度高于室外空气，因此能向室外放热。常见制冷剂如R-134a在大气压下沸点低于0°C，因此蒸发器压力被设定在明显低于大气压的水平。压缩机和膨胀阀共同维持压力差，使回路的冷侧和热侧得以分开。

性能系数

循环的效率用性能系数（COP）表示，即所提供的制冷量与所输入功的比值：

其中 $Q_{\text{cool}}$ 为室内排出的热量，$W$ 为压缩机功。多数空调的COP为3.5至5。理论上限由卡诺极限决定，$\text{COP}_{\text{Carnot}} = T_c / (T_h - T_c)$，其中两个温度都必须以绝对温标表示，即必须使用以绝对零度为起点的热力学温标（如开尔文或兰金度）进行测量。

COP随室外温度升高而下降，因为冷凝器与蒸发器之间的温差扩大。温差越大，压缩机两端的压力比越大。研究人员在一台分体式空调上进行的实验发现，随着室外空气温度升高，系统制冷能力下降，主要原因是压力比增大导致制冷效应减弱，同时压缩机功率增加。结果是，在最炎热的日子里，空调制冷量减少而耗电量增加，这对能源规划而言是一个重要问题。

逆向循环用于制热

同一回路可以反向运行以提供热量。热泵通过换向阀互换两个换热器的角色。在制热模式下，系统中的制冷剂流动基本上是反向的。室内换热器变为冷凝器，向待调节的空间释放热量；室外换热器则充当蒸发器。制热效率遵循同样的热力学原理，但对寒冷天气很敏感。例如，以环境空气为热源的热泵在室外温度为10°C时，性能系数可能为3.0或4.0，但当室外温度降至−18°C时，可能降至1.0。冷热两用设备之间的这种关联，使可逆系统在温带气候地区日益普及。

其他制冷方法

蒸气压缩是目前占主导地位的技术，但还有几种方法无需机械压缩机即可冷却空气或去除水分，它们分别利用蒸发、以热能为驱动、使用吸附材料，或借助电学结点。每种方法都只在较窄的条件范围内表现良好。

蒸发制冷

蒸发式冷却器（俗称"水冷空调"或"湿帘空调"）通过将水蒸发到气流中来降低空气温度。水在转变为蒸汽时会吸收大量热量，因此干燥空气只需极少的能耗（主要是风扇和水泵的电力）就能明显降温。可实现的降温幅度取决于湿球温度差，即干球温度与湿球温度之间的差值，只有在相对湿度较低时这一差值才会较大。在干旱地区，与压缩机制冷相比，这一过程可以节省可观的能源。在潮湿地区，其效果则很差。直接蒸发式设备在降温的同时会增加空气湿度，房间可能变得闷热不适，而且机组送出的空气温度接近进风的露点，而不是令人舒适的温度。间接式和双级式设计先让空气通过一个换热器进行预冷，而换热器本身再由蒸发来冷却，这样第一级就不会增加湿度，效果也更好，不过在潮湿气候下仍存在实际的极限。蒸发垫还必须定期清洗或更换。

吸收式制冷

吸收式系统以热能驱动的热化学循环取代机械压缩机。制冷剂被吸收到一种液体中，然后加热使制冷剂重新以蒸汽形式逸出，因此压缩作用是由热能输入而非轴功完成的。最常见的空调工质对是溴化锂和水：水是制冷剂，而对水蒸气有强烈亲和力的溴化锂盐溶液是吸收剂。由于水会结冰，这一工质对适用于0 °C以上的舒适性制冷。对于需要达到零下温度的工业制冷，则改用氨和水，以氨作为制冷剂。热源可以是蒸汽、热水、直接燃烧的燃气，也可以是发动机或工业过程产生的余热，还可以是太阳能或地热。吸收式冷水机组的性能系数低于电动压缩机式机组，因此主要在热能廉价或原本被浪费的场合才具有经济性，例如热电联产电站。

除湿系统

除湿系统直接去除水分，而不是将温度降到水分凝结的程度。吸湿材料吸收空气中的水蒸气，随后通过加热使其再生，把水分驱入另一股单独的气流中排出。固体干燥剂包括硅胶、活性氧化铝、沸石和分子筛，通常涂覆在旋转轮上，使一部分扇区干燥进风，另一部分扇区同时再生。液体干燥剂通常是氯化锂或溴化锂等浓盐溶液，可以喷入空气中吸收水分，之后再通过加热浓缩再生。由于潜热负荷与显热降温是分开处理的，除湿机组常与蒸发式冷却器或常规冷却盘管配合使用。这种组合在潮湿气候中尤其有用，因为把除湿与温度控制分开，可以减少压缩机原本需要承担的工作量。

热电（珀尔帖）制冷

热电制冷利用珀尔帖效应：电流流经由两种不同半导体材料构成的结点时，会把热量从结点的一侧转移到另一侧。这类器件没有运动部件，运行无声，而且改变电流方向后还可以用来制热而非制冷。它们用于便携式冷藏箱、仪器外壳以及电子元件的局部冷却等小型空间。其缺点在于效率。它们的性能系数通常远低于蒸气压缩式机组，而且热端排出的热量还必须另行带走，这又增加了额外负荷。因此它们不适用于整栋建筑的降温，至今仍是一种小众技术。

工业化之前的被动式技术

在机械制冷出现之前很久，炎热地区的建造者就已采用了一系列被动式策略。厚重的砖石墙或土墙延缓热量传递，使室内温度峰值出现在一天中最热时段之后。深挑檐、庭院、格栅屏风以及合理的朝向设计，减少了太阳辐射得热。夜间通风则让凉爽空气把储存的热量排出室外。在伊朗、埃及和巴基斯坦，风塔（badgir）捕获微风并将其引入居住空间，有些还与蒸发水池或湿润材料结合使用。地下坎儿井水系统，以及波斯的冰窖（yakhchal）等蓄冰建筑（冬季将冰储存于隔热的地坑中，供夏季使用），进一步扩展了这些做法。现代设计师仍通过利用热质量、夜间排风通风、遮阳装置和被动式通风设计来借鉴这些思路，常常在选定设备之前，就已经先降低了制冷负荷。

早期尝试：冰、蒸发与机械制冷

冰、冰窖与蒸发冷却

在机器出现之前，制冷依赖于大自然所提供的条件。人类文明依靠从湖泊和山地中切割天然冰块，这种做法成本高昂、不可靠，而且受地域限制。冬季时，人们从冰封的池塘中切下冰块，装入隔热的冰窖，用锯末或稻草减缓融化，使部分存货能够留存到夏季。波斯及其他炎热地区也有类似的储冰设施，人们利用冰坑和地窖来保存食物和饮品的低温。

蒸发提供了第二条途径。在干燥气候中，多孔陶罐、湿垫和布帘可以降低房间温度，因为水分蒸发时会从空气中吸收热量，从而使气温下降。在南亚，人们将手拉扇悬挂在房间上方，并用湿草帘围挡，使流动的空气在到达居住者之前先经过水面。这一原理与后来的蒸发冷却设备所采用的相同，这类设备依赖蒸发作用，因此在潮湿空气中效果不佳。

19世纪时，天然冰成为一种贸易商品。波士顿商人弗雷德里克·都铎（Frederic Tudor）将切割的冰块运往古巴，并计划拓展至印度，这使他成为任何机制冰的直接竞争对手。

卡伦、法拉第与蒸发的物理原理

机械制冷的科学基础来自苏格兰。1748年，格拉斯哥大学的威廉·卡伦（William Cullen）将一个盛有乙醚的容器内的空气抽出。乙醚在室温下沸腾，从周围吸收大量热量，使其周围的水结成了一层冰壳。该实验表明，降低压强会降低液体的沸点，从而使液体能够从周围环境吸收潜热。卡伦并未制造出实用的机器，他的成果在数十年间基本未被利用。也有一些资料将一台小型制冷装置的出现定在1755年，因此不同来源对具体年代的记载并不一致。

1820年代初，迈克尔·法拉第证明了气体可以被液化。他通过施加高压和低温，使氨气及其他气体液化。液氨后来成为最重要的制冷工质之一，因为它的沸点较低，并且蒸发时每千克所带走的热量很大。

珀金斯1834年的机器与19世纪的工质

从实验室演示到实用机器的一步，来自在伦敦工作的美国工程师雅各布·珀金斯（Jacob Perkins）。珀金斯被认为获得了蒸汽压缩制冷循环的第一项专利，专利授予日期为1834年8月14日。他的装置是一个闭合回路，以乙醚为制冷剂，配有手摇压缩机和水冷式冷凝器。乙醚在蒸发器中沸腾，吸收周围水体的热量；压缩机抽出蒸汽并提高其压强，使其能够重新冷凝。由于该装置是闭式循环，因此可以连续运行。

其他设计者很快尝试了不同的流体。美国工程师亚历山大·特文宁（Alexander Twining）于1850年获得英国专利，其蒸汽压缩系统使用乙醚、氨和二氧化碳。出生于苏格兰、在澳大利亚工作的詹姆斯·哈里森（James Harrison）是下一位重要人物。1851年，他在维多利亚州吉朗附近制造了一台机械制冰机，随后于1854年推出首台商用制冰机；到1861年，他的系统已有十余台投入运行，包括在啤酒厂和肉类加工厂中使用。他1856年的专利涵盖以乙醚、酒精或氨作为工质。这些早期工质的选择主要基于其沸腾特性，而非安全性，这一问题后来也影响了制冷剂的发展。

约翰·戈里与佛罗里达的制冰机

约翰·戈里（John Gorrie）是佛罗里达州阿巴拉契科拉的一位医生，他的动机出于公共卫生。他认为降低空气温度可以减轻黄热病和疟疾患者的痛苦。他的机器并不依靠蒸发挥发性液体，而是压缩空气，在水冷盘管中冷却压缩后的空气，然后将其释放到压强较低的腔室中，使其温度急剧下降。冷空气冷却盐水浴，放在盐水中的盛水容器便冻结成冰块。

戈里的工作经历了几个阶段。他于1848年2月27日提交了专利申请，同年4月前，他的一台制冰机已在俄亥俄州辛辛那提建成。1850年，他获得了英国专利；1851年5月6日，获得美国专利第8080号。关于其原型机的记载可追溯至19世纪40年代初，这也是某些资料给出其发明更早年代的原因。

戈里的机器在商业上失败了，原因有若干。由于19世纪工程知识的局限，他的机器体积庞大、效率低下且难以操作。他的合伙人去世，使这项事业陷入停顿。来自冰业的反对也起了作用：据报道，他向大众推广这台机器的计划，因弗雷德里克·都铎领导的诽谤运动而受挫，此外还有合伙人去世的因素。戈里因受到批评而备感屈辱，经济上破产，于1855年在隐居中去世。

威利斯·开利与现代空调的诞生

现代空调通常追溯到威利斯·哈维兰·开利。他毕业于康奈尔大学，1901年加入水牛城锻造公司（Buffalo Forge Company）担任工程师。在此之前，冷却技术已以各种形式存在，但开利在1902年接手的问题与湿度有关，而非温度。

这项委托来自布鲁克林的萨克特-威廉姆斯石版印刷出版公司（Sackett-Wilhelms Lithographing and Publishing Company）。印刷工艺需要精确控制湿度，因为纸张会随潮湿程度而胀缩，在多次套印的印刷作业中导致色彩套准出现偏差。开利的解决方案于当年夏天安装完成。系统由冷却盘管、风扇、风管、加热器和加湿管道组成，使工厂全年保持55%的恒定湿度。有些资料对设计时间的记载不同：一种说法认为定稿设计日期为当年7月17日，另一种说法则认为水牛城锻造公司于1903年在该工厂安装了第一套科学化系统。最常被引用的仍是1902年这一年份。

开利的核心见解是，必须控制的不仅是热量，还有水分。业内人士逐渐认识到，空调必须履行四项基本功能：控制温度、控制湿度、控制空气循环与通风，以及净化空气。露点，即空气冷却时水汽开始凝结的温度，成为关键变量。开利发现，让空气通过水雾可以设定其露点。到1906年，他已指出“恒定的露点差可以使相对湿度基本保持恒定”，这一关系后来被称为“恒定露点差定律”。他据此原理设计了一套自动控制系统，并于1907年为其申请了专利。

这项工作使空调成为一门可以计算的学科。1911年12月3日，开利向美国机械工程师学会（American Society of Mechanical Engineers）发表了《湿空气理性计算公式》（Rational Psychrometric Formulae）。该文将相对湿度、绝对湿度和露点温度等概念联系起来，使工程师能够精确设计出符合具体需求的空调系统。此前，他已开发出焓湿图，即ASHRAE式焓湿图（此处所示），该图由威利斯·开利于1904年首创。工程师至今仍用它来查读温度、含湿量与焓之间的关系，冷却盘管和除湿机的选型也以它为基础。他的第一项专利《空气处理设备》于1906年1月2日获得授权。开利还发明了世界上第一台喷淋式空调设备，既能洗涤空气，也能加湿或除湿。

开利的职业生涯也经历了从雇员到创业者的转变，这一过程与他的雇主公司密切相关。他自1901年起就在水牛城锻造公司工作，到1908年，公司下已出现一家以“开利”命名的子公司。1914年末第一次世界大战爆发后，开利已在水牛城锻造公司工作了12年，该公司决定将业务完全限于制造。七名年轻工程师没有放弃这一新兴领域，而是凑出了32,600美元的积蓄，于1915年6月26日在纽约组建了开利工程公司（Carrier Engineering Corporation）。创始人包括开利本人和此前曾委托布鲁克林项目的J·欧文·莱尔（J. Irvine Lyle）。开利工程公司既是研发中心，也是生产基地。公司后来迁至新泽西州纽瓦克，并于1930年更名为开利公司（Carrier Corporation）。

空调最先在工业领域推广开来。开利的系统先后用于印刷、糖果和纺织制造，后来又用于医疗保健。随后，空调进入公共场所：20世纪20年代，百货商店、体育场馆和电影院率先形成了空调市场。家用则出现得更晚。1914年，第一台空调已在住宅中安装。但在美国住宅中广泛普及要晚得多，集中式空调直到20世纪60年代和70年代才在美国住宅中变得常见。

“空气调节”这一术语也是在这一时期定型的。它通常被认为出自纺织工程师斯图尔特·W·克雷默（Stuart W. Cramer），他在1906年的一份专利申请中使用了这一说法，不过本节参考的资料并未证实这一归属。到20世纪20年代，该词已泛指室内空气控制的整个领域，而开利对其的定义包括净化、温度、湿度和循环，这一定义也帮助确定了该词的含义。

二十世纪中叶的扩张

到1920年代，制冷已经从工厂车间走进了公众聚集的场所。电影院、百货商店和餐厅等公共场所直到那十年才大量安装空调。办公楼和住宅获得机械制冷的时间则更晚。电影院是最重要的早期客户，电影产业给舒适型制冷带来了最大的推动。最早的影院系统相当粗糙，本质上是加装了制冷设备的供暖设施，地面高度的出风口使楼上座位闷热，楼下几排却又很冷。1922年，开利公司的工程师在洛杉矶的格劳曼大都会剧院改进了设计，采用自上而下的送风方式，从较高的风口送出冷风。关于时间的说法存在争议：开利公司自己的记述认为，离心式冷水机于1922年5月首次在纽约里沃利剧院公开亮相，而一份广为引用的时间线则把里沃利剧院的安装时间定为1925年。

百货商店随后跟进。底特律市最大的商店J.L.赫德森百货于1924年安装了三台额定功率各为195吨的离心式机组。另一种记述认为，该店的第一个制冷夏季是1926年，其广告宣称地下层比街面低8至12度。其他城市的零售商很快也采用了同样的做法，安装之后夏季销售额迅速上升。整个1920年代和1930年代，空调系统陆续进入办公室，甚至铁路车厢，人们认为制冷有助于员工在夏季保持工作效率。凉爽的室内环境使电影院和商店成为夏季的热门去处，也改变了人们使用城市中心区的方式。

房间空调出现得较晚，面向的是另一类市场。房间式机组直到1930年代才被发明，住宅领域大规模采用这类机组则要等到1950年代。第一款窗式机组由两位工程师H.H.舒尔茨和J.Q.舍曼于1931年研制。主要障碍在于压缩机。当时普遍使用活塞式压缩机，设备体积庞大，使得大多数房主负担不起空调和冰箱。1941年，西屋电气销售了据称是首批气密封、紧凑、自含式的窗式空调。一家收藏类网站称，Servel公司在第二次世界大战结束后不久生产的"Supermetic"系列，是首个为窗式机组市场大批量生产的全封闭压缩机设计。这类封闭式压缩机制造成本更低，也更便于包装，这使得家庭用空调变得负担得起。

战后的繁荣正是建立在这一制造方式的转变之上。到1950年代，行业已经找到了把旋转式压缩机技术应用于全封闭、批量生产设备的方法。制造商的广告也超出了行业期刊的范围，刊登在面向战后消费者的家庭类杂志上。一份1953年的行业报告称，几乎所有收入阶层都在购买房间式空调，但产量超过了需求：当年生产了一百多万台，而销量约为80万台。郊区住宅的设计也随之改变。机械制冷使得深门廊、宽屋檐和高天花板不再那么必要，这些设计特征在新建住宅中变得越来越少见。同一时期普及的汽车空调，在本词条的交通部分另有讨论。

人口迁移的格局也随着这项技术而改变。阳光地带横跨美国南部和西南部，从佛罗里达延伸到加利福尼亚，是这一变化的最大受益者。从大约1945年到1975年，每年平均有3000万人changed居住地，他们通常迁往阳光地带的某个州。在此期间，阳光地带各州的人口几乎翻了一番，而工业化的东北部则在缩减。空调使夏季更加宜人，也让更多制造业和工业选择落户阳光地带。休斯敦、凤凰城、拉斯维加斯和迈阿密等城市在战后迅速增长，这使空调成为该地区城市化以及其都市区发展的核心因素。不过，历史学家并不认为制冷是唯一原因。这一转变还依赖于廉价航空、汽车、州际公路系统的发展，温和的冬季也常被提及。

类型与系统配置

空调设备通常按其服务的房间数量，以及制冷剂和空气的输送方式进行分类。最简单的形式是窗式或穿墙式机组，压缩机、盘管和风扇都装在同一机壳内，机壳嵌入窗洞或墙洞中。这种机组安装快捷、成本低廉，但会占用一个开口，把噪声传入被冷却的房间，而且效率通常低于分体式设备。移动式空调把同类机壳装在脚轮上，因此必须通过软管排出热废气；同时它会从所冷却的房间吸入温暖空气，这会进一步降低其性能。

分体式系统将室外冷凝器与室内蒸发器分开，主要由两个部分组成：送出冷风的室内机，以及排出热量的室外机。两部分之间通过制冷剂管路和控制线缆相连，需要专业人员安装，但压缩机的噪声留在了室外。多联分体式或无风管（小型分体）系统是这种结构的延伸。多台室内机可以连接到同一台室外机上，因此许多住宅无需铺设风管。布线方式决定了其灵活性：在双管多联系统中，所有室内机必须运行在同一模式下；而三管系统则允许一个房间制冷的同时，另一个房间制热。由此便产生了成本与独立控制之间的权衡。

集中式风管系统将风机和蒸发器盘管，即空气处理机组，放置在壁橱、地下室或阁楼中，再通过风管网络将处理后的空气送至各房间的风口，而压缩机和冷凝器则设于室外。在商业建筑中，屋顶封装式机组采取了相反的做法：所有主要部件都装在屋顶一个防风雨的机柜中，通过风管供应处理后的空气，从而无需单独的机房。在美国，三分之二的家庭以集中式空调或集中式热泵作为主要空调设备。

大型建筑通常依靠冷水机组，而不是数十台分散的机组。冷水机组将水冷却后，通过闭式循环管路泵送至每层楼的空气处理机组或风机盘管中的盘管。风冷式冷水机组直接将热量排放到周围空气中，水冷式冷水机组则通过冷却塔排出热量。将制冷设备集中设置，可以使压缩机和噪声远离使用空间。变制冷剂流量（VRF）系统为中等规模建筑提供了一种折中方案：一台配备变频压缩机的室外机可为多台室内机供能，并能根据各空间的制冷或制热需求，调节输送到每台室内机的制冷剂流量。管路长度受到限制，而部分热回收设计可以在为某些区域制热的同时，为其他区域制冷。

可逆式热泵是增长最快的一类。四通换向阀使同一制冷剂回路既能制冷，也能制热，因此同一台机组既能为空间供暖，也能为其降温。热泵最初在美国南部等温和气候地区流行，近年来其在寒冷天气下的性能有所提升，在更寒冷的地区也逐渐受到欢迎。在美国，过去十年间热泵在住宅制冷设备月度销量中的占比从33%升至47%，不过同一数据来源也指出，这些统计不包括窗式机组。

组件与材料

压缩机

压缩机使制冷剂在循环回路中流动。它从蒸发器吸入气态制冷剂，并以更高的压力将其输送到冷凝器。不同类型压缩机的主要区别在于压缩气体的方式。往复式压缩机通过往复运动工作，而旋转式压缩机（包括旋叶式、涡旋式、螺杆式和离心式）则通过旋转运动工作。

往复式压缩机的工作方式类似发动机：活塞在气缸内运动。它们的使用历史最长，在制冷设备中仍然很常见。涡旋式压缩机使用两个螺旋形涡盘，其中一个固定，另一个绕其公转。由于没有活塞和阀门，它们运行更安静，易磨损的部件也更少，因此在高档住宅和轻型商用系统中更受青睐。一般来说，旋转式压缩机比往复式压缩机更安静、效率更高，更适合小型制冷量的场合。螺杆式压缩机依靠两个相互啮合的大型螺旋转子（螺杆）工作，常用于大型商业建筑。在最高端的应用中，离心式压缩机用于最大型的暖通空调系统，利用离心力和叶轮压缩制冷剂。这类压缩机功率强大，适合大范围的制冷需求。

选型时，尺寸与类型同样重要。系统过小无法满足需求，过大则浪费能源。需要注意的是，各制造商的分类方式并不统一：有些产品目录将旋叶式单独列出，另一些则将其归入旋转式。

换热器、节流装置与风机

蒸发器和冷凝器是制冷循环两端的两个换热盘管。在蒸发器中，工作流体从气流吸收热量，产生经过处理的气流，再由风管系统输送到被调节空间。热量从室内空气转移到制冷剂中，使制冷剂沸腾（参见蒸发）。在冷凝器中，过程则相反：高温高压的制冷剂流经冷凝器盘管时，将热量释放到室外空气中，使制冷剂冷却并凝结为液体。风机对两个盘管都至关重要。冷凝器风机可将室外空气吹过冷凝器，帮助冷却流经其中的工作流体。在许多紧凑型窗式机组中，一台电机通过同一根传动轴从两端分别驱动两个风机。

两个盘管之间是计量装置。在小型或低成本空调系统中，节流装置通常是毛细管或固定孔板；在较大的机组中，则多为热力膨胀阀（TXV 或 TEV）或电子膨胀阀（EXV）。毛细管结构简单但无法调节，因此依赖于准确的制冷剂充注量；而热力膨胀阀则允许制冷剂充注量有较大的变化而不影响性能。热力膨胀阀通过吸气管上的感温包，结合蒸发器内制冷剂的压力，来调节（开启和关闭）阀门。电子阀则用由控制信号驱动的执行器取代了机械式感温包。正确计量流量非常重要：制冷剂过少会降低制冷效果，过多则可能导致压缩机液击，进而造成损坏。

过滤、除湿与湿度控制

过滤器是防止颗粒物进入的主要屏障。其性能通常以 MERV（最低效率报告值）等级表示。某制造商建议：基础需求选用 MERV 8，大多数住宅选用 MERV 11，过敏或呼吸道问题则选用 MERV 13。过滤器还需要定期更换，该制造商的建议是每 3 至 6 个月更换一次。堵塞的过滤器会限制气流，从而降低舒适性和过滤效果。

除湿是制冷的副产品。当空气流经温度低于其露点的盘管时，水汽会在表面凝结并排出，这就是制冷系统也能降低室内湿度的原因（参见潜热）。湿度并非单一的量，控制策略必须考虑这一点。相对湿度并不能反映空气中水蒸气的绝对含量。在不同温度下，相同的相对湿度可能对应截然不同的水分负荷，因此仅基于相对湿度的控制可能出现超调或波动。当单靠制冷无法将湿度维持在较低水平时，系统可以使用专用除湿机。专用除湿机可以作为独立设备安装，也可以接入现有风管，利用暖通空调系统的风机运行。一些设计会在制冷后对空气进行再热，从而在不使房间过冷的情况下实现除湿。

新风通过风阀进行控制。将室外空气与回风混合，可以稀释受污染和/或陈腐的室内空气，从而改善室内空气质量，但这也会增加系统负荷，因此必须由风阀进行计量。风阀是下文所述控制系统的一部分。

控制与传感器

最简单的控制方式是开关式恒温器。系统感测室内温度，在需要制冷时启动压缩机。当机组需要提供制冷时，压缩机开始工作，通常通过温度控制系统来启动。这种通断循环方式浪费能源，并会造成温度不均，因为压缩机每次运行时都处于满负荷状态。

变频控制可以解决这一问题。通过改变输送给驱动压缩机的电动机的频率，系统可以使输出与瞬时负荷相匹配，从而减少启停损耗，并使温度保持更加稳定。在大型建筑中，这一逻辑通过楼宇自动化系统进一步扩展：传感器测量温度、湿度、二氧化碳和压力；控制器将这些读数与设定值进行比较，并调节风机转速、风阀位置、阀门开度和压缩机的分级运行。这是控制理论中经典研究的反馈机制。此外，先进的自动化与机器学习方法正越来越多地被用于调整设定值，并根据人员占用情况和电价安排运行计划。

制冷剂及其演变

早期工作流体

十九世纪的机械制冷使用的是热力学性能良好的任何流体，几乎不考虑安全性。从十九世纪末到1929年，机械制冷使用的是甲基氯、氨和二氧化硫等天然制冷剂。第一台实际运行的冰箱由美国发明家雅各布·帕金斯（Jacob Perkins）制造，他使用乙醚作为制冷剂。氨因其效率高，一直是大型工业设施的主力制冷剂，但它有毒，在泄漏浓度下还具有腐蚀性。二氧化硫是严重的呼吸道刺激物，甲基氯则既易燃又有毒。1929年，克利夫兰一家医院的冰箱发生甲基氯泄漏，造成100多人死亡，这直接推动了人们寻找更安全替代品的努力。

氯氟烃

这一探索工作于20世纪20年代末在通用汽车公司展开。当时，查尔斯·富兰克林·凯特林（Charles Franklin Kettering）在通用汽车组建了一个研究团队，以寻找替代氨等危险制冷剂的物质，该团队由小托马斯·米德利（Thomas Midgley Jr.）领导。目标性质十分明确：不可燃、无毒、稳定，且沸点在0至-40°C之间。最终找到的物质是二氯二氟甲烷，商品名为氟利昂-12（Freon-12）。它无味，适量吸入时无毒，不可燃，沸点为-29.8°C。1930年，米德利公开展示了它的安全性：他吸入其蒸气，并用它吹灭了一支蜡烛。通用汽车与杜邦公司任命米德利为其合资公司“动力化学公司”（Kinetic Chemicals Inc.）的副总裁，该公司负责推销氯氟烃。这种制冷剂迅速得到普及：到1978年，有1760万美国家庭安装了中央空调，还有2510万家庭拥有窗式机组，这些机组几乎都使用氯氟烃。由于氯氟烃化学性质稳定，它们能够保持完整结构并到达平流层，这也是它后来对臭氧层造成严重影响的原因。

氢氯氟烃与氢氟烃

氯氟烃与臭氧层破坏相关联后，行业首先转向了氢氯氟烃（HCFCs），如R-22。氢氯氟烃含有氢，因此在低层大气中更容易分解，但它仍含有氯，对臭氧仍有一定的破坏作用，只是程度较小。R-22的全球变暖潜能值（GWP）约为1810。氢氟烃（HFCs）不含氯，因此不会破坏臭氧。它们不可燃，毒性较低，其热力学行为与早期流体相近，因而可用于类似的设备。它们的主要缺点是气候影响：R-410A（Puron）的GWP为2088，而R-32的GWP为675。正是由于这些数值，氢氟烃后来也面临与早期物质相同的国际监管压力，相关内容见“监管”一节。

天然制冷剂与低GWP混合物

由于气候影响小，天然制冷剂重新受到青睐。CO2（即R-744）的GWP为1，臭氧消耗潜能值（ODP）为0。R-744不可燃、不爆炸，是替代氢氟烃的极佳选择，但它需要在高压下工作。CO2必须在系统高压侧以跨临界状态运行，才能将热量排放到环境空气中。压力通常超过100巴，这同样会带来能耗损失，并显著提高初始投资成本。丙烷（R-290）的GWP为3，但碳氢化合物高度易燃。因此，安全使用往往需要限制制冷剂充注量或采用二次回路，这会降低能效、增加成本，或严重限制最大制冷量。氨的GWP为零，但仍然有毒。其支持者认为氨的能效很高，一个行业组织声称，氨的效率比竞争性制冷剂高3%至10%。

在天然流体与较早的氢氟烃之间，还有基于氢氟烯烃（HFOs）的新型低GWP混合物。例如，R-454B的GWP约为466，属于氢氟烯烃混合物。这类流体具有轻微可燃性，而这种轻微可燃性也减缓了它们的推广，因为大多数州的建筑规范尚未全面批准其使用。因此，制冷剂的选择需要在可燃性、毒性、工作压力、能效和气候影响之间权衡，没有任何一种选择能适用于所有场景。

臭氧层保护与全球制冷剂监管

从大气化学到1987年条约

制冷剂监管最初源于大气化学领域的一个问题。1974年，舍伍德·罗兰（Sherwood Rowland）和马里奥·莫利纳（Mario Molina）提出，氯氟烃（CFCs）足够稳定，能够持续存在并到达平流层，在那里释放出的氯会破坏臭氧。（罗兰和莫利纳提出，氯氟烃足够稳定，可以到达平流层。）这一假说遭到抵制；当时的行业代表称其牵强附会。1985年，英国南极考察机构报告南极上空出现臭氧层"空洞"，科学界的信心由此增强。这两位化学家后来与荷兰化学家保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）一道，共同获得1995年诺贝尔化学奖。

《蒙特利尔议定书》于1987年9月在蒙特利尔签署，1989年1月1日生效。其最初的承诺相对温和：各缔约方须在1996年前，以1986年各国基准为参照，将氯氟烃的使用量削减50%。后续修订收紧了条款，逐步走向全面停止生产。该议定书经加强后，要求最终在全球范围内淘汰氯氟烃及其他消耗臭氧层的化学物质。协议从一开始就设计了对发展中国家的支持，并提供资金帮助这些国家淘汰上述物质。

《基加利修正案》与氢氟碳化物

氢氟碳化物（HFCs）成为氯氟烃的主要替代品，因为它们不会破坏臭氧层，但它们是强效温室气体，其全球变暖潜能值可能是二氧化碳的许多倍。因此，谈判者将其纳入条约管辖范围。2016年10月，各方在卢旺达基加利召开会议，197个国家通过一项修正案，依据《蒙特利尔议定书》逐步削减HFCs。该目标雄心勃勃：各国承诺在未来30年内，将HFCs的生产和消费量削减80%以上。该修正案于2019年1月1日生效，此前已于2017年11月17日达到生效门槛，当时有20个缔约方批准了该修正案。

各国组别的时间表有所不同。对于发达（非第5条）缔约方，基准为2011至2013年HFC的平均消费量，再加上其HCFC基准的一部分。它们的削减于2019年开始，到2024年削减40%，到2036年削减85%。（该组别于2019年开始逐步削减，须在2024年前减少40%，并在2036年前减少85%。）最大的发展中国家组别采用2020至2022年的基准，须在2024年前冻结HFC消费量，并在2045年前实现80%的削减。第二个规模较小的发展中国家组别包括巴林、印度、伊朗、伊拉克、科威特、阿曼、巴基斯坦、卡塔尔、沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国，其基准期较晚，须在2028年冻结消费量，并在2047年前达到85%的削减目标。

国家层面的实施及其影响

各国将该修正案转化为国内法。所有国家都必须建立受控HFC物质的进出口许可制度。由于各组别的基准不同，各国主管部门需将总量换算为允许的数量，行业指南将这一安排描述为差异化基准和分阶段削减时间表。对制造商而言，限额促使产品线转向全球变暖潜能值较低的制冷剂。对技术人员而言，维修和认证要求随其所处理的制冷剂而变化。对消费者而言，设备和服务的价格可能随之变动。我所参考的资料并未对特定市场的这些影响进行量化，因此应直接核实各国的具体规定。

关于速度、成本与收益的争论

关于进度的争议主要沿发展中国家与发达国家的分界展开。印度政府表示，该协议承认高速增长经济体的发展需要，根据时间表，印度的削减要在发达国家的消费量已减少70%之后才开始。（也就是说，当发达国家减少70%的消费量时，印度才开始减少其HFC消费量。）批评者则主张加快行动。一项分析指出，有证据表明，该修正案已使HFC排放量相对于预测值减少了20%，但仍需采取更多行动。

我所参考的资料未给出可靠的改造或更换成本估算，因此无法据此评估辩论中的这一部分。相比之下，气候效益的记录更为充分。全面落实《基加利修正案》可在2100年前避免多达0.4°C的变暖。模型显示，若不实施任何管控，到2100年，HFC排放将使全球地表升温增加0.28至0.44°C；而在《基加利修正案》的管控下，到2100年，其贡献约为0.04°C。估算结果因实施速度而异。一些分析认为，若在逐步淘汰HCFC的过程中，跨越HFC直接转向更环保的替代品，还可额外减少0.1°C的升温，从而实现0.5°C的全部效益。与此同时，全球HFC排放仍在快速增长。研究人员指出，已投入使用的泄漏设备是另一个来源，而该修正案并未充分解决这一问题。（对泄漏的消耗臭氧层物质和HFC存量设备及产品进行治理，被列为下一步的工作。）

能效与性能标准

性能指标

空调的能效以有效制冷量与电功率输入之比表示。能效比（EER）是单一工况下的指标。在美国，它的计算方法是用每小时制冷量（英热单位，BTU）除以输入功率（瓦特），因此美国的数值带有 BTU/Wh 的单位。EER 衡量的是单一运行温度下的效率，具体是室外温度为华氏 95 度时。当两个量都以瓦特计时，如国际能源署（IEA）及多数国际表格所用，该比值即为无量纲数：

季节能效比（SEER）针对的是这一事实：单一温度下的数值对全年能耗的说明有限。设备的 SEER 额定值，是某一典型制冷季内的制冷输出量除以同一时期内的总耗电量。SEER 额定值在华氏 65 至 104 度之间的多种室外温度下测试并计算。部分负荷运行也被纳入平均，因此 SEER 的设计目的，是提供一个专门针对美国中部气候的效率衡量指标。

测试方法已经改变。根据修订后的美国测试程序 SEER2，额定值测试中计入了外部静压。2023 年后生产机组的 SEER2 额定值反映真实运行条件下的效率，与同类系统的旧版 SEER 额定值相比，数值约低 0.5 分。其他司法辖区使用各自的季节性指标。例如，马来西亚以制冷季节性能系数（单位为 Wh/Wh）为分体式机组评级，其最低能效标准（MEPS）要求与该国 2 星级能效标识计划相当：额定功率低于 4.5 kW 的机组为 3.10，低于 7.1 kW 的机组为 2.90。欧盟和日本同样采用各自的季节性方法，因此不同市场的数值不能直接比较。

最低标准与能效标识

政府通过最低能效标准（MEPS）设定底线，通常配合对各型号进行分级的能效标识。在美国，1987 年通过、1992 年生效的立法要求最低 SEER 额定值为 10。目前在炎热地区的规定要严格得多：在美国东南部销售的空调必须达到 14.3 SEER2 或更高，而高效变频集中式系统则达到 21 SEER2 或以上。

各国的门槛各不相同，因为气候、电价和产品结构存在差异。一项被广泛引用的指导意见认为，在较温和的气候中，高效房间机组的 EER 约为 9，而在更炎热的气候中应超过 10。国际能源署还报告称，在日本和欧盟销售的空调通常比在美国和中国销售的空调效率高约 25%。尽管如此，政策覆盖范围增长迅速。国际能源署统计，有超过 90 个国家对空调实施 MEPS，超过 95 个国家实施能效标识政策；MEPS 和能效标识目前覆盖了全球住宅空间制冷能耗的 86% 以上。

效率差距

效率差距指的是现有最佳设备所能达到的水平与市场实际销售产品之间的距离。当今最佳可用空调技术的效率，明显高于已安装设备的平均效率。差距在按价格选购的设备中最为明显。商用封装式屋顶机组就是例子：自《1992 年能源政策法》确立联邦最低标准以来，它们的效率几乎没有改善。大多数已售机组的能效比刚好处于或略高于现行全国最低标准。2015 年的一项出货量分析发现，额定 IEER 为 14 及以上的小型风冷商用封装式空调仅占市场的 3%。区域抽样显示了同样的规律：在东北部和中大西洋地区售出的屋顶机组中，只有 0.15% 达到了高性能效率水平。

提出的补救措施包括：加强最低能效标准，并辅以能效标识、消费者信息和财政激励。国际能源署估计，通过严格的最低能效标准及能效标识等其他措施，到 2050 年全球空调存量的平均能效可能增长一倍以上。同一分析认为，通过强制性能效标准，效率提升可使空调需求带来的能源增长减半。各国政府正在采取行动。中国 2022 年对房间空调 MEPS 的更新，允许从定频空调向效率更高的变频机型过渡。

单位制冷量的能耗

制冷的能源成本在很大程度上取决于设备。据估计，仅美国的封装式屋顶机组每年耗电量就约为 760 亿千瓦时，成本约为 56 亿美元。1990 年代以来的效率提升主要来自更好的压缩机、更好的换热器和更好的控制系统。变频压缩机是这一转变的核心。与单速设计不同，它们能将输出在 20% 至 100% 的制冷量之间调节，精确匹配制冷需求。运行更贴近负荷，而非完全启停循环，可以减少无效功耗。更大或设计更优的蒸发器和冷凝器盘管降低了压缩机需要克服的温升；电子控制和楼宇自动化系统则使输出与使用情况和室外条件相匹配。一家制造商的对比称，新型压缩机的效率可达 12 至 15 年前机组的两倍。这类数据来自行业来源，且取决于所比较的机型，因此应视为参考性数据，而非独立测量结果。

用电需求、电网与高峰负荷

制冷已成为用电增长最快的领域之一，不过各机构公布的占比因年份和统计口径而异。国际能源署（IEA）的数据显示，空调和电风扇约占全球建筑用电总量的五分之一，即全球总用电量的10%。另一份基于国际能源署数据的较新估算显示，2022年空间制冷耗电约为2100太瓦时（TWh），同年全球用电量约为29000太瓦时，占比约7%。局部地区的占比则高得多：在富裕国家和贫困国家的一些城市，制冷可占到高峰用电量的50%以上。

需求不均与高峰负荷

用电需求集中在最炎热的时段。负荷通常在下午晚些时候至傍晚达到峰值，此时空调运行最为繁忙。拥有情况也极不均衡：生活在全球最炎热地区的28亿人，空调普及率仅约8%，远低于北美和东亚部分地区近乎普及的家庭拥有率。因此，负荷高峰更多取决于热浪期间同时运行的空调数量，而非平均用电量。

热浪同时也会削弱供电端。空调使用最密集、电网超负荷风险最大的时段恰恰出现在热浪期间，而此时发电量往往也低于峰值水平。设备同样受到这种压力的影响：老化的变压器、变电站和输电设施，在长时间高温条件下的运行能力可能下降。

后果可能十分严重。2022年9月6日，加利福尼亚州电网运营机构录得51426兆瓦（MW）的历史最高负荷。达到峰值后不久，该机构发布了紧急警报，因为它预测当天晚些时候将出现电力缺口，距离轮流停电仅一步之遥。输电能力也是应对措施的一部分：能够应对高峰时段的电网，可以主要通过把其他地区的电力输送到超负荷区域，来降低热浪期间的停电风险。

削峰填谷

由于高峰时段通常只持续几个小时，若靠新建发电厂来满足高峰需求，就意味着要建设在一年中大部分时间都处于闲置状态的产能。需求响应是更经济的替代方案。2020年，美国通过需求响应实际削减的高峰需求约为10387兆瓦，而潜在可削减的高峰需求为29470兆瓦，这表明仍有相当大的灵活性尚未被挖掘。此类项目通常采用价格型或激励型机制。

蓄热技术可以在时间上转移制冷负荷。冰蓄冷系统可在夜间用电低谷时制冰蓄冷，并在白天用电高峰时释放冷量。通过提高系统的负荷率并减少负荷爬坡，蓄能可以降低稳态运行成本和爬坡成本。不过，蓄能并不会减少能源消耗：有研究发现，使用蓄冷（TES）意味着能源需求增加，而当峰谷电价差异较大时，成本反而可能下降。因此，蓄能转移的是负荷，而非消除负荷。高效设备则能从根本上降低需求。国际能源署的“高效制冷情景”认为，通过严格的最低能效标准以及能效标识等其他措施，到2050年，全球空调存量的平均能效有望提高一倍以上，这将大大减少新建电力基础设施的需求。

新兴经济体的增长与脱碳

预计增长主要来自气候更炎热的中低收入地区。随着许多发展中国家收入和生活水平的提高，炎热地区的空调需求将大幅增长。若不采取提高能效的措施，到2050年，空间制冷的能源需求将增至三倍以上，耗电量将相当于今天中国和印度的总和。国际能源署还指出，在工业部门之后，空调用电将成为全球电力需求增长的第二大来源。

这一增长与电力行业脱碳相互影响。若电网仍依赖化石燃料，制冷就会产生排放：国际能源署估算，2022年空间制冷因用电产生的二氧化碳排放约为10亿吨。因此，新增负荷必须主要由低碳能源来满足，否则将加剧气候变暖。时机同样重要：由于制冷需求与日照都在白天达到峰值，太阳能发电可以直接满足相当大一部分制冷负荷，而储能则可以将其延续到夜间。需求对气候的敏感性也很显著：一项美国研究预测，在升温1.5摄氏度和2.0摄氏度的情景下，夏季空调需求将分别增长8%和13%；若各州不扩大供电能力或提高能效，在夏季极端高温期间可能出现长时间停电的风险。

气候变化、城市热岛与反馈效应

空调并不是把建筑物中的热量真正移走，而更像是把热量搬运到别处。蒸发器吸收的室内热量会在冷凝器处排放到室外，因此室外环境接收到的既有这些热量，也有驱动制冷循环所消耗的电能转化而来的热量。城市研究表明，这些废热会产生可测量的局部影响。一项针对洛杉矶的模拟发现，热浪期间建筑物排放的热量最多增加了20%，且其中大部分来自空调。城市热岛效应在夜间最为明显。在凤凰城，研究人员发现白天的废热对近地表温度影响很小，而夜间则使气温升高了约1 °C。东京的一项建模研究同样将工作日写字楼区气温升高1–2 °C或更多归因于空调废热。

制冷需求本身也会随气温变化，由此形成反馈循环。国际能源署估计，到本世纪中叶，全球每升温1 °C，制冷度日数将增加约四分之一。地方数据也显示出同样的敏感性：在得克萨斯州，日平均气温超过24 °C的部分每升高1 °C，电力需求约增加4%。这一循环的运作方式如下：气温升高会增加制冷需求；制冷消耗电力，而在大多数电网中，电力仍大量来自化石燃料发电，同时制冷还会把废热排放到街道上；这两方面的影响都会增加温室气体浓度并加剧局部变暖，而变暖又会进一步推高制冷需求。

电力与制冷剂排放

制冷通过两个途径产生温室气体。第一个途径是用电。国际能源署指出，制冷约占全球用电量的10%，约占建筑用电量的五分之一。这些用电所对应的排放取决于电网的能源结构，因此同一台空调在以煤电为主的地区和主要依靠可再生能源供电的地区，其气候影响可能截然不同。

第二个途径是制冷剂泄漏。现代设备使用的制冷剂大多是氢氟碳化物（HFCs），它们被用来替代消耗臭氧层的物质，但具有很高的全球变暖潜能值。泄漏贯穿设备的整个使用周期：美国自然资源保护委员会（NRDC）引用的一项估算认为，家用空调的年泄漏率约为10%；行业估计则表明，在美国，报废设备中接近90%的制冷剂会被排放到大气中，而在发展中国家这一比例接近100%。一个研究团队的模型预测，仅空调一项，从现在到2050年就可能释放约330亿吨二氧化碳当量的温室气体。车辆空调也是相关的例子：国际能源署的分析认为，其温室气体排放中约30%来自制冷剂泄漏，而非燃料燃烧。

未来需求情景

各项预测差异很大，主要取决于对收入增长、能效政策和电网脱碳的假设。在国际能源署的基准情景中，到2050年与制冷相关的能源需求大约增至三倍；而其高效制冷情景则将这一数字降低约45%，相当于欧盟2016年的用电量。联合国环境规划署报告称，在照常发展的条件下，到2050年制冷行业的排放可能增加一倍以上，占全球排放的10%以上。该机构估计，被动式降温、更高的能效标准以及更快地削减HFCs的组合，可以使这些预计排放减少60%至96%，其中较高的降幅需要电力系统快速脱碳。《COP28全球制冷承诺》设定的目标是，到2050年将制冷相关排放减少68%。

制冷剂政策是这些情景中的一个重要变量。2022年发表的一项HFC排放分析发现，现有的国家政策可以大幅降低预计的2050年排放，而基加利修正案的额外条款还将进一步减少排放。不过，不确定性仍然很大：另一项关于住宅制冷的研究发现，其对家用空调普及率的预测比国际能源署的更为保守，而且能源方面的结果在很大程度上取决于电力部门能否实现深度脱碳。

建筑设计、被动式冷却与室内空气质量

在设备之前减少冷负荷

最便宜的制冷，是不让热量进入建筑。热量通过墙体、屋顶和玻璃以热传导的方式进入室内，通过窗户的太阳辐射进入室内，也通过空气渗漏或有意引入的室外热空气进入室内。保温材料可以减缓热传导，连续的气密层可以限制不受控制的空气渗入。由于玻璃透光，且导热速度远快于不透明墙体，窗墙面积、玻璃类型和遮阳措施通常决定冷负荷的大小。挑檐、百叶和遮阳帘等外部遮阳可以在辐射到达玻璃之前将其阻挡。这在朝东和朝西的开口上最为重要，因为清晨和傍晚的低角度日光很难用室内窗帘挡住。建筑朝向和平面布局决定了在室外气温达到峰值的时段，有多少立面朝向太阳，而紧凑的平面可以减少暴露的围护结构面积。

热质量是指混凝土、砖、石材和夯土等高密度材料的蓄热特性。这类材料白天吸收热量，之后再释放出来。其作用取决于昼夜温差。在昼热夜凉的气候中，夜间通风可以把储存的热量排出，使热质量在第二天开始时保持较低温度。按照美国低能耗设计指南的说法，完整的夜间冲刷通风策略需要大量的内部热质量、较大的风量（通常估计约为每小时12至23次换气），以及较为干燥、夜间凉爽的气候。局部夜间冲刷通风几乎在任何地方都可行。暴露在夏季阳光下而未加遮挡的热质量会升温，并在傍晚持续向室内辐射热量，因此必须加以保护。潮湿气候则是另一种情况：在那里，热质量结合夜间通风通常被认为效果较差，因为夜间仍然温暖潮湿，设计者更多依靠遮阳、穿堂风和反射性屋顶。模拟研究表明，与未采用夜间通风的深色屋顶相比，冷屋顶配合夜间通风可以显著降低全年制冷能耗。

自然通风与机械通风

自然通风利用风压和热空气的浮升力。通过房间相对两侧开口的穿堂风，以及通过高处出风口的烟囱效应通风，都能以几乎不耗能的方式输送大量空气。它的局限既有实际原因，也有物理原因：气流依赖风力和温差，因此在无风的日子里并不可靠；它会随空气带入噪声、灰尘和污染物；而且对湿度几乎没有控制能力。在潮湿地区，向室外敞开建筑可能带入额外水分，之后还需要用其他方式将其除去。

机械通风利用风机和风管以可控的风量送风，并可对进入的空气进行过滤。其主要能耗代价来自室外空气所携带、需要处理的热量。热回收新风机（HRV）在排出和送入的气流之间传递热量。全热交换新风机（ERV）还能传递部分水分，在夏季潮湿或冬季极度干燥的气候中尤为有用。设计的任务是在空气质量与能耗之间取得平衡：引入足够的室外空气以稀释居住者产生的污染物和湿气，但又不能多到让通风本身主导冷负荷。

室内空气质量、湿度与标准

室内空气质量取决于三个因素：进风的过滤效果、室外新风的供给量，以及湿度控制。过滤器可以去除颗粒物，包括花粉和细微灰尘，并且需要定期更换才能保持效能。室外新风可以稀释室内产生的二氧化碳、异味、挥发性化合物和生物污染物。湿度控制之所以重要，是因为相对湿度持续偏高会助长霉菌和尘螨，而空气过于干燥则会令人不适。居住者和通风空气都会带入水分，因此即使温度已经可以接受，往往仍需要除湿。气密性很好的建筑如果没有机械送风系统，污染物就可能滞留在室内，这也是气密性与通风需要统一设计的原因。

在美国，ASHRAE 62.1 标准是商业建筑通风的主要参考依据。该标准最早于1973年以标准62的形式发布，规定了最低通风量以及其他措施，以保证室内空气在对健康影响最小的前提下保持可接受的质量。其通风率程序针对各类空间，按人均和单位楼面面积规定室外新风量，并涵盖室外空气质量、湿度和生物滋生等问题。该标准通过公众评议持续修订，许多司法辖区已将其纳入建筑规范。其他国家也有各自的规范和标准，逻辑相近，但所要求的换气量和执行力度各不相同。

从玻璃高层到被动式与净零能耗设计

早期的玻璃幕墙写字楼表明，空调可以多么彻底地重塑建筑形态。大面积密闭的玻璃立面会引入大量太阳得热，而且无法开启，因此建筑的舒适性完全依赖机械系统。之后的设计思路则相反。被动房标准于20世纪80年代末起源于德国，设定了一系列性能指标，使制冷和供暖需求降到很低：年供暖和制冷需求不超过每平方米15千瓦时，峰值负荷不超过每平方米10瓦，50帕压差下的换气次数不超过每小时0.6次，热回收效率至少为75%，超过25°C的时长不超过全年小时数的10%。该标准的设计者最初以德国中部等温带气候为目标，早期版本曾因不适用于南方气候而受到批评，此后的改进版本对制冷问题有了更明确的处理。

其他项目则展示了被动式手段如何与最少的设备相结合。英国 BRE 环境楼的设计目标是在不使用空调的情况下保持舒适，依靠被动通风竖井、太阳遮阳，以及由夜间通风降温的中空混凝土楼板，并力争相对最佳实践指南将能耗和二氧化碳排放降低30%。净零能耗和产能建筑则延续了同样的思路，其余能源由现场或附近的可再生能源供应。对设计者而言，实践中的经验是：效率最高的制冷系统，通常是需要满足的负荷最小的系统；舒适性、空气质量和能耗应当统一设计，而不是被当作彼此独立的问题。

健康、生产力与社会影响

高温、死亡率与室内保护环境

极端高温对老年人构成严重的健康风险，且风险随年龄增长而升高。在一项流行病学病例交叉研究中，研究者分析了2010年至2023年间73,578例养老院死亡病例。结果显示，在没有空调的机构中，极端高温日的死亡几率约高出11%；而配备空调的机构则未见显著升高。高温的影响在暴露后约三天内仍然存在。1999年至2023年间，美国与高温相关的死亡人数增长了100%以上，其中65岁及以上成年人约占39%。高温致死的主要原因包括人体体温调节能力的减弱，以及用药、慢性病、行动不便和社会隔离等因素。

很多此类死亡发生在室内而非户外。2021年不列颠哥伦比亚省热穹顶事件期间，98%的高温死亡发生在室内环境中，这意味着老年人能否为自己的住所降温，很大程度上决定了他们在热浪中是否安全。不过，仅拥有设备并不能完全解决室内暴露问题。一项休斯顿研究发现，室内温度的短期升高与65岁及以上居民的特定病因超额死亡和急诊入院相关，且对非裔美国居民的关联更为显著。凤凰城与休斯顿的一项分析发现，能源贫困或系统故障可能使相当一部分拥有空调的老年居民，在夏季一半以上的时间里暴露于过高温度之中。

认知、工作与睡眠

实验室和实地研究表明，高温会损害心智表现，但其影响的大小和普遍性仍有争议。对体温过高受试者的实验显示，随着时间推移，其工作记忆表现下降，而反应速度和注意力受到的影响较小。复杂任务通常比简单任务受到更大影响，且不同个体的敏感度存在差异。一项综述认为，环境温度高于约32°C时，认知功能会显著下降。2018年哈佛大学的一项实地研究发现，热浪期间，宿舍没有空调的学生在认知测试中的表现比住在有空调宿舍的学生更差。一项关于心算表现的计量经济学研究估计，温度每超过约16.5°C一度，表现下降约0.13%。研究者对于这些实验室和短期结果能在多大程度上推广到真实工作场所，以及总体生产力损失有多大，看法并不一致。高温暴露还与睡眠受扰有关：一项针对高温环境下工作者的系统综述报告，高温与失眠、睡眠时间缩短和睡眠效率下降相关，作者将其与认知受损和事故风险联系起来。

制冷机会的不平等

制冷的可及性在收入和地区之间存在显著分化。约35亿人生活在高温地区，但其中仅约15%的人拥有空调。在东亚及太平洋地区，约四分之一的低收入家庭拥有空调，而最富裕家庭的拥有率超过四分之三。在撒哈拉以南非洲，除最富裕的五分之一人群外，空调拥有率极低，部分原因是电力供应不可靠。欧洲整体拥有率较低，约为20%，但在各收入群体之间分布较为均衡。全球范围内，约四分之一的家庭拥有空调；预测显示，到2050年这一比例可能达到41%，但仍可能有多达40亿人没有空调。跨国分析表明，在凉爽地区，无论收入水平如何，空调普及率都接近于零；而在较温暖地区，家庭年收入超过约1万美元后，普及率会急剧上升。在许多研究中，租房者和边缘化群体的拥有率也较低。

制冷可及性与城市脆弱性

拥有与否并不能完全决定谁能受到保护。一项南加州研究发现，低收入家庭开启空调的夜间时长更短，作者认为这很可能与费用顾虑有关，并呼吁采取注重公平的适应策略，以降低制冷的经济负担。由于最脆弱的居民往往也是支付能力最弱的人，低收入社区缺乏制冷条件会加剧与高温相关的风险，对独居老人和户外工作者尤其如此。这些差异使制冷可及性不仅是家庭财务问题，也是公共卫生与城市公平问题。

交通、数据中心与工业用途

二十世纪中叶以后，空调逐渐普及到汽车中，如今大多数新车都将其作为标准配置。在传统汽车中，空调的负荷由发动机燃油承担；而在电动汽车中，空调则由牵引电池供电，因此会直接缩短续航里程。有一项估算认为，空调最多可使电动汽车的续航里程（充电耗尽后的可行驶距离）减少35%。针对高温工况的研究报告了更大的损失：在高温条件下，为电池组和车厢进行热管理所需的能耗，会使续航里程减少35%至50%。在一些实证研究中，压缩机耗电占HVAC总能耗的60%至80%，是这一损耗的主要来源。因此，设计者会采用降低负荷和优化使用时机的策略。在一项模拟中，车内空气再循环使功耗降低了48.8%至60.8%；另一项研究发现，借助电网电力对车厢进行预调节可使续航里程提高9.86%。

数据中心面临的问题恰恰相反：目标不是舒适，而是让设备保持在允许的范围之内。服务器消耗的几乎全部电能都会以热量形式释放，因此数据中心的温度会因运算过程中耗散到空气中的电能而自然升高。若不移除这些热量，环境温度就会上升，导致电子设备故障。ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）的指南将推荐温度范围定为18°C至27°C（64°F至81°F），可接受的相对湿度范围为20%至80%。精密空调控制的是进入设备的空气，而非整个房间，因为IT设备的进风参数才是需要满足的关键指标。湿度过高或过低都会带来影响，湿度过高时，内部元件可能出现结露。后续版本的ASHRAE标准也放宽了允许的环境范围，部分原因是为了降低制冷能耗：这些修订一方面源于IT设备制造商对运行环境的要求更为宽松，另一方面也出于降低数据中心能耗的考虑。电信站点遵循类似的逻辑，需要持续运行，并严格限制热量与湿气。

受控环境也是冷链、洁净室、实验室和博物馆的核心需求，不过在本文参考的资料中，这些场景的记载较少。冷藏仓库和运输集装箱需要将食品和许多疫苗保持在狭窄的温度区间内，药品储存通常还需要持续监测。半导体制造依赖洁净室，室内空气经过过滤并保持正压，温度和湿度保持稳定，因为颗粒物和静电放电都可能毁坏晶圆。博物馆和档案馆会严格控制湿度，以减缓艺术品和文献的劣化；配有通风柜的实验室通常需要很高的换气率，使其通风能耗居高不下。

地下采矿带来的需求则有所不同。随着开采深度超过1000米，深部矿山日益面临严重的热害，形成高温高湿的井下环境。随着深度增加，单纯增加送风量变得不再经济：开采越深，就需要越大的风量来带走矿井热量，以维持舒适的工作温度。为应对地表高温空气，还需额外制冷，从而大幅增加初始投资和运行成本。监管机构通常要求矿山冷却系统……将井下作业区的湿球温度（WBT）控制在规定阈值（27°C）以下，这一湿球温度限值体现了湿度的作用。常见做法包括：在井下设置制冷机组，就地直接制取冷水，再通过管道输送至工作面空气冷却器；以及利用冰融化时的潜热来冷却矿井风流的冰基系统。由于井下移除的热量最终仍需通过排风排出地表，因此将制冷设备设在井下只能提供有限的解决方案。设备还必须能耐受恶劣环境，需要防水、防爆。当所需显热与潜热冷负荷之比变化很大时，标准制冷循环会造成能量浪费，因此除湿与显热方面的考虑又增加了复杂性。

技术方向与待解决的问题

热泵与电气化

能够为房间制冷的蒸气压缩式设备也可以逆向运行以供热，因此热泵已成为同时需要制冷和供暖的建筑的核心技术。热泵市场发展并不均衡。2025年全球热泵销量下降约2%。中国和日本的销量基本持平，欧洲的需求则强劲回升。2025年美国热泵销量下降约13%。在中国，可逆式空调（作为主要供暖设备使用）约占中国热泵市场的一半，这表明制冷与供暖市场如今的联系之紧密。

热泵对脱碳的意义主要在于，它以电力取代了现场燃料燃烧。因此，其气候效益取决于所用电网的排放强度。国际能源署（IEA）报告称，尽管全球热泵销量大致持平，电气化水平却升至历史最高，这表明政策与投资正更广泛地转向电气化的建筑服务。

更智能的压缩机、控制与数据

变频压缩机通过调节转速来匹配实际制冷负荷，而不是完全开启或关闭，从而减少部分负荷下的损失和温度波动。建筑控制也正朝同一方向发展。关于冰蓄冷的研究指出，模型预测控制、人工智能辅助预测和混合优化方面的最新进展改善了调度、可再生能源利用和运行稳健性；同时，光伏耦合提高了现场自用比例，并减少了傍晚的电网购电量。

机器学习与自动化在建筑管理中的应用，以及在可再生能源发电量较高时运用控制理论对建筑进行预冷，仍是活跃的发展领域。其目标是实现需求侧的灵活运行，使建筑用能跟随廉价清洁电力的供应，而不是简单地跟随室外温度变化。

蓄热、相变材料与辐射供冷

蓄热是削平制冷负荷峰值最成熟的方法之一。冰蓄冷利用水的高融解热，作为潜热蓄热（LHTES）的一种形式，ITES利用水的高融解热，以冰的形式储存冷量。由于制冷机可以在夜间运行，用冰蓄冷替代现有空调系统的优势在于，能够将负荷从用电高峰转移到通常发电过剩的非高峰时段。一项针对该领域的综述认为，经济可行性取决于电价结构、资本回收和设备利用率，而不仅仅取决于运行节能效果。

相变材料提供了一条相关途径。将其填充于墙体、天花板或水箱中，它们会在接近舒适温度时熔化并吸收热量，凝固时再释放热量，从而可以延缓下午室内的升温。其实际局限在于成本、循环耐久性，以及每种材料性能良好的温度范围较窄。

辐射供冷使冷冻水在天花板或地板板件中循环，主要通过辐射而非输送大量空气来带走热量。由于水温只需比室温低几度，此类系统可能比传统的空气制冷更节能，但必须配备独立的通风系统，以控制湿度和冷凝。被动式冷却研究（包括辐射天空冷却表面和改进的夜间通风）旨在在任何设备运行之前降低峰值负荷，不过这些方法大多仍处于示范或早期商业化阶段。

反弹效应

能效提升降低了制冷的运行成本，家庭和企业可能因此增加使用。美国节能经济委员会（ACEEE）2012年的一份综述发现，现有证据表明，直接反弹效应通常在10%或以下。空调的情况则不那么明确。一项新加坡研究估计，相对于新设备的预期节能量，反弹或"回吐"效应为38%。一项日本家庭调查发现，能效改进使夏季将空调温度设定在28°C或以上的行为概率降低约25%–45%，这意味着更便宜的制冷促使人们把温度设定得更低。

对证据的解读同样存在争议。一种被广泛引用的观点指出，1993年至2005年间，美国空调的能效提升了约28%，而有空调住宅的制冷能耗却上升了37%。批评者认为，收入增长和住房面积扩大可以解释这一增长的大部分，而且当家庭将节省的开支用于追求舒适时，能效提升并非"被浪费掉"。2022年一项针对台湾家庭的研究发现，空调设备过大是反弹效应的主要驱动因素。

尚未解决的问题

仍有若干问题悬而未决。第一是如何协调可及性与气候目标。制冷需求增长最快的是炎热且收入较低的地区，在那里提供价格可承受的制冷，即使每台设备的效率都在提高，也可能使总用电量增加。因此，政策必须在保护弱势家庭免受高温侵害的同时，避免锁定高排放的增长。

第二是如何设计既安全又高效的低碳制冷剂。全球变暖潜能值较低的替代品，往往需要在可燃性、毒性或效率方面做出妥协以换取气候效益，而对现有设备进行改造又会增加成本。第三是如何限制反弹效应，使能效提升真正转化为总能耗的降低，而不是被更大的机组、更长的运行时间以及更多追求舒适的行为所抵消。解决这些问题，需要将更好的设备与定价、标准以及能从根本上减少制冷需求的建筑设计结合起来。

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