包括制冷機(jī)、空調(diào)、熱泵、冰箱在內(nèi)的所有制冷循環(huán)都會產(chǎn)生冷凝熱，原因在于只有單一環(huán)境熱源的條件下，為了實現(xiàn)制冷循環(huán)，必須投入功通過壓縮機(jī)將工質(zhì)溫度提升至環(huán)境溫度之上，才能使氣相工質(zhì)的潛熱得以釋放重新液化完成循環(huán)。制冷產(chǎn)生的冷凝熱通常是制冷量的1.15-1.3倍(高出1的部分為壓縮機(jī)自身運行耗能散熱)，這種壓縮是逆向傳熱過程，根據(jù)熱力學(xué)第二定律逆向傳熱要輸入功。

空調(diào)(冰箱)與熱泵的運行原理相同，當(dāng)使用目的是制冷時，我們稱其為空調(diào)，當(dāng)使用目的是制熱時稱其為熱泵。下圖空調(diào)/熱泵運行原理：

空調(diào)主要應(yīng)用是制冷。我國家用空調(diào)保有量超過5億臺(還有數(shù)億臺冰箱)，空調(diào)耗電相當(dāng)于社會總耗電的10%-15%。年耗電約為4000-6000億千瓦時，相當(dāng)于6-8個三峽的發(fā)電量，產(chǎn)生的碳排放高達(dá)5000萬噸/年?？照{(diào)制冷產(chǎn)生的冷凝熱成為不得不付出的代價。由于冷凝熱為低品位熱，利用價值低，通常白白排放到環(huán)境中去，不僅浪費了能源，也是城市夏日熱島效應(yīng)的重要成因。如果能減少冷凝熱的排放就可以空前的提高空調(diào)效率，減少能耗。

一、技術(shù)革新的空間

空調(diào)的發(fā)明和應(yīng)用已經(jīng)有一個世紀(jì)了，改善空間微乎其微，技術(shù)創(chuàng)新乏善可陳。近年來，具有創(chuàng)新意義的技術(shù)是日本人在以普通制冷和空調(diào)為目的的二氧化碳制冷循環(huán)中用膨脹機(jī)(一種利用壓縮氣體膨脹降壓時向外輸出機(jī)械功使氣體溫度降低的原理以獲得冷量的機(jī)械)同軸連接壓縮機(jī),替代膨脹閥。這樣做不僅顯著提高了制冷能力，而且回收了膨脹功。據(jù)報道，回收的膨脹功相當(dāng)于壓縮功的30%。如果屬實這應(yīng)該是空調(diào)(熱泵)產(chǎn)業(yè)多年來最大的技術(shù)進(jìn)步了。

膨脹閥的作用是節(jié)流，將高溫高壓的液相工質(zhì)轉(zhuǎn)換到低溫低壓狀態(tài)。從熱力學(xué)的觀點出發(fā)，任何從高溫到低溫，高壓到低壓的過程都存在能量，不加以利用即是損失。用膨脹機(jī)替代膨脹閥回收功顯然是合理的。但作為應(yīng)用目的是制冷而非制熱的循環(huán)來說，仍然存在局限性，其一，系統(tǒng)仍然存在逆向傳熱，不僅需要較大的壓縮功，產(chǎn)生的熱仍然被無端浪費掉(熱泵用途則另當(dāng)別論);其二，它是在沒有相變的情況下回收膨脹功的，可回收的功必然有限。

下圖：冷凝器到蒸發(fā)器之間藍(lán)色線條為液體，低沸點液態(tài)冷媒經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)才會發(fā)生相變。

二、零耗能單向制冷空調(diào)

零耗能單向制冷空調(diào)以熱機(jī)(卡諾)循環(huán)方式運行，以低沸點工質(zhì)在蒸發(fā)端從環(huán)境吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生的低溫作為冷凝端的低溫?zé)嵩?，通過膨脹機(jī)絕熱膨脹將工質(zhì)吸熱獲得的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為功而制冷。由于沒有逆向傳熱過程，不向環(huán)境排放冷凝熱，不僅減少了壓縮功投入還獲得了膨脹功。與熱機(jī)循環(huán)一樣，膨脹功是在相變情況下獲得的相變能，見下圖紅色線條。

裝置循環(huán)過程如下：

蒸發(fā)吸熱：液相工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵進(jìn)入蒸發(fā)器從環(huán)境吸熱蒸發(fā)汽化，獲得內(nèi)能。工質(zhì)吸熱對被吸熱對象環(huán)境而言是制冷。

絕熱膨脹：膨脹機(jī)做功是絕熱過程，由于無法從外界吸熱只能消耗工質(zhì)自身內(nèi)能，導(dǎo)致工質(zhì)壓力、溫度下降。

冷凝放熱：膨脹機(jī)排出的氣相工質(zhì)(溫度須高于工質(zhì)蒸發(fā)制冷溫度)進(jìn)入冷凝器同工質(zhì)蒸發(fā)制冷產(chǎn)生的低溫而非環(huán)境溫度換熱，釋放凝結(jié)潛熱液化。

絕熱壓縮：液相工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵壓縮進(jìn)入蒸發(fā)器再度與環(huán)境換熱回補(bǔ)內(nèi)能，進(jìn)入下一循環(huán)。

上述循環(huán)包括一個吸熱過程和兩個制冷過程;蒸發(fā)制冷和膨脹制冷。系統(tǒng)以環(huán)境溫度為高溫?zé)嵩碩1，工質(zhì)蒸發(fā)制冷產(chǎn)生的低溫為低溫?zé)嵩碩2，以膨脹制冷為制冷源。低沸點工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱與制冷(對被吸熱物體而言)等量，膨脹機(jī)絕熱膨脹(消耗內(nèi)能)輸出功與膨脹制冷等量。

工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱包括汽化潛熱和顯熱，由于部分顯熱經(jīng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)化為功，工質(zhì)冷凝放熱必然小于蒸發(fā)吸熱Q2=Q1-WQ1相反。由于工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生的低溫為冷凝端的低溫?zé)嵩?，因此，只要膨脹機(jī)的乏汽溫度高于低溫?zé)嵩礈囟榷黔h(huán)境溫度(無需逆向傳熱)，就可以使乏汽的凝結(jié)潛熱得以釋放冷凝液化，實現(xiàn)不向環(huán)境排放冷凝熱的制冷循環(huán)。

三、創(chuàng)新意義

這種制冷方法顛覆了傳統(tǒng)制冷理念，具有革命性創(chuàng)新意義。系統(tǒng)可實現(xiàn)超級節(jié)能，即比現(xiàn)有空調(diào)的綜合能效比COP提高近1倍，能耗下降90%-100%，達(dá)到零耗能的臨界(理論上可能實現(xiàn)負(fù)能耗制冷，即太陽輻射能熱機(jī)運行原理)。因為，制冷循環(huán)不是能量轉(zhuǎn)換，而是能量搬運過程，效率不受能量轉(zhuǎn)換極限1的限制，而受制于卡諾循環(huán)。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，自發(fā)傳熱輸出功，輸出的功以溫降為代價。系統(tǒng)沒有逆向傳熱，其投入的功僅限于推動冷媒流動，克服工質(zhì)和機(jī)械的摩擦阻力等。系統(tǒng)輸出的功完全可能補(bǔ)償投入的功。否則，我們無法解釋導(dǎo)致溫降那部分消失的熱能去了哪里?

“生命賴負(fù)熵為生”。系統(tǒng)如同人的生命活動一樣，它始終與外部環(huán)境進(jìn)行能量交換;從環(huán)境獲得熱能，對外輸出功，致局部環(huán)境變冷。系統(tǒng)與外部的能量交換以及膨脹機(jī)效率有賴于冷媒的選擇，要求冷媒密度高、粘度小，臨界溫度在環(huán)境溫度區(qū)間，臨界點與沸點之間的溫差小、壓差大。CO2在30℃時飽和蒸汽壓為7.2MPa，相當(dāng)于284℃水飽和蒸汽對應(yīng)的(絕對)壓力，可以獲得較大的膨脹功。現(xiàn)行各種冷媒中，二氧化碳最為理想。