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全球变暖:空调也应付不了的高温

2022 年 6 月和 7 月,是经 NASA 的卫星确认的人类有史以来最热的 6 月和 7 月。咱们《科技参考》每年夏天一定会谈到几个固定的问题,一个和蚊子有关,另一个就和高温有关。

在第 135 期《地球凉爽的日子已经不多了》中,我重点谈到的是印度今年 3 月份、4 月份突破历史的高温和湿球温度的概念。

而随着时间推移,我也注意到,国际社会今年关注到的高温异常天气也比往年更加频繁。原因是今年异常高温出现的地区集中在欧洲,这是媒体聚焦的地方。

 

极端高温越来越频繁

咱们来看几个例子:

比如,全球互联网巨头的服务器都在它们的本部吗?不,那样太不划算了。它们的服务器总耗电量超过几个巨型发电站的装机容量,所以建设的时候必须考虑用电成本。

此外,还有一个要考虑的因素和电费并重,那就是温度。我们知道,今天顶级 CPU 全负荷工作时,CPU 那个小小的空间内的热量密度其实超过核电站反应堆内壁的热量密度。于是为了让服务器稳定工作,必须提供强劲的散热,把散热设施从上万转每分钟的风扇升级到像大楼里管道一样密密麻麻的一体式液冷散热系统。有时候,散热系统的造价能达到整个计算中心的 1/5。

因此,为了节约费用,服务器集群往往建在地球上供电稳定、电价低且凉快的地方,基本上都靠近北极圈。这样就不用把散热系统弄得那么豪华了。

而今年夏天,包括谷歌、甲骨文在内的很多大公司在英国北部的数据中心都频繁发生冷却方面的故障。

伦敦的卢登机场跑道和皇家空军基地的飞机跑道相继被热化了,停飞了很多飞机。葡萄牙北部城市尼扬在 7 月 14 日达到了 47℃ 的最高温度。法国南部也有很多城市超过了 40℃。

此外,《科学进展》杂志上还有一个对湿球温度的统计,分析了 1979 年到 2017 年间全球近 8000 个气象站每小时的温度记录。结果是这样的:

在上世纪七八十年代,全球每年只记录到 1-4 次湿球温度超过 33℃ 的特殊事件;而到了最近 10 年,每年出现的次数是 20-40 次。如果以人感觉比较难受的温度,也就是湿球温度 27℃ 来计算,上世纪七八十年代,每年大约有 4 万到 10 万次超过这个值;而最近 10 年,是 40 万到 60 万次超过这个值。

总之,极端的炎热天气已经越来越频繁了。

 

空调也会罢工

当然,我们也能听到一种说法:

就算是热,也不是 365 天都那么热,每年 3 个月的夏天里,就算按夸张的算,会有 50 天出现湿球温度超过 35℃ 的情况,但在那些天我们可以像躲避台风一样不出门,在有空调的屋子里工作,不是一样可以维持正常生活吗?

其实不一定。因为真正能在家办公的人只占需要上班的人的 5% 不到,大部分人工作时都还是要去现场的。除此之外,另外一个难点就是用电紧张。这个问题不用多说,自从去年冬天以来,我们就都能感受到。今年,这个问题还会继续加剧。

即便我们假设不存在必须出门和用电困难的问题,也依然存在下一个问题,就是空调也会因为太热而罢工。太热的时候,我们并不能安稳的躲在空调房里。

如果你留意过空调室外机就会发现,标签上有一个工作温度范围,一般是 -7℃ 到 43℃。这个 43℃ 就是空调工作的最高温,超过之后,空调离罢工就不远了,几分钟的事儿。而且在接近这个温度的时候,空调的制冷效果就已经很差了。

有人可能说,不对啊,35℃ 离 43℃ 的上限还差得远呢,怎么可能罢工?那是因为刚才说的 35℃ 只是湿球温度。

所谓湿球温度,指的是在环境里放一个湿湿的小球,尽你所能的用环境中的空气吹它,这样小球上的水分蒸发时会带走热,就能给小球降温,能降到的那个最低温度就是湿球温度。

所以,湿球温度和环境温度与湿度这两个参数有关。我举一个夏天比较常见的温度和湿度的组合 —— 47℃ 的环境温度、50% 的湿度,这个参数下的湿球温度就正好是 35℃。所以实际上,当湿球温度超过 35℃ 的时候,环境温度往往已经 40 几度,超过空调工作的上限了。

 

为什么空调超过43℃会罢工?

为什么空调在超过 43℃ 时就罢工了呢?原因和热效率有关。

家用空调由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀四大部分组成,四部分连通成封闭的环路,环路里充满了制冷剂。

压缩机就像心脏一样,使制冷剂像血液一样在环路里持续流动。同时,压缩机还会把处于低温的气态制冷剂压缩成高温、高压的液态,然后再送到冷凝器里去降温。也就是用空调室外机里那个巨大的风扇去吹它,让制冷剂变为高压、常温的液态状态。

然后,制冷剂经过节流阀、进入蒸发器,也就是室内机里那些铜管一样的东西。这里空间突然增大,压力减少,制冷剂就会从液态变为气态,这个过程需要吸收大量的热,而这个热就是室内空间里的热。由于制冷剂总是流动的,于是室内的热就这样被制冷剂搬到了屋外。这就是空调制冷的简单原理。

在这个过程中,制冷的效率有高有低,这当然和制造工艺有关,但也和物理定律有关。就算工艺完美,也依然受物理定律的限制。

其实,这个定律就是卡诺循环的热效率计算方法。咱们就不在音频里细说了,我拿空调的国标中的一些参数举例子,你就能理解室外温度升高对空调制冷效率的降低有多明显了:

我们知道,空调是利用一部分电能把一部分热能搬运出去的机器,于是国标中,制冷功率就对应它使用了多少瓦的电能,制冷量就对应有多少瓦的热被搬运了出去。

在 30℃ 的室外温度时,用 363 瓦的电可以搬运 2051 瓦的热,相当于 1 份电搬运 5.7 份热。而国标中当温度达到 38℃ 时,要求不得低于用 1895 瓦制冷功率搬运 4395 瓦的热,相当于 1 份电搬运 2.3 份热。你看,搬运热能的效率是不是大幅下降?而参数变化只是从 30℃ 增加到 38℃ 而已。

在 43℃ 时,大部分空调要用好几份电才能搬运 1 份热。这时候搬运走的热,可能还不如通过墙体、空气流动或者玻璃投射进来的光给室内加温的功率呢,于是空调就等于没用了。

而且,一旦空调工作在 43℃ 的时候,它各部件都是满负荷工作的,自身的发热量也非常大,而这时候,环境温度又太高,热量无法散出去,于是连低效的制冷也不能持续,自己就因为过热保护而罢工了。

所以,如果真的处于湿球温度 35℃ 的环境,气温往往已经 47℃ 了,今天绝大部分家庭的空调都会失效的,想通过当前的空调避过一年里那 50 天致命高温是不太可能的。

 

如何高效使用空调?

当然,这只是指普通的家用空调,如果是特种制冷剂、特殊设计的空调,还是可以工作在更加恶劣的环境中的。假如真到了那一天,热到了无以复加的地步时,相信这样昂贵的空调也会逐渐普及的。

但和用空调保命比起来,不让地球热到那个地步才更加稳妥,否则一次意外停电可能就比一次大流感造成的死亡还要多了。

尽管我们中的大部分人不会活着见到家乡的湿球温度一年中有几十天超过 35℃ 的时候,但把空调用好,还是当下很值得说的话题。

想要高效使用空调,你可以记住一个方法:在开启空调的时候,把风量设置到最大,等觉得温度合适后,再把风量调小就行了。这样可以让屋里最快的凉下来,而且也最省电。

虽然我们会设定空调的温度,但在空调的测温点到达那个设定值之前,空调不论是定频的还是变频的,都会一律以最大功率制冷。设置 16℃ 和设置 26℃,在最初几十分钟到一时里,耗费的电能其实是一样的,只有当温度到达设定点后,空调才会降低功率。在此之前,我们要做的就是把风量开到最大,把它好不容易制造出来的冷气尽量利用上。

最后,提醒你多喝水,避开烈日,平安度过这个酷暑。

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