（制冷及低温工程专业论文）空调系统热力学分析与优化.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 随着空调系统能耗在建筑能耗中所占比例越来越大，空调系统节能的研究也显得越 来越急迫。而目前，空调系统的节能方法的研究，还停留在热力学第一定律和热力学第 二定律的基础上。这种分析方法往往会造成“节能而不省钱 的假象。有必要采用火用分 析和经济分析相结合的热经济学分析方法对空调系统进行分析和优化 利用热力学的建模方法，把空调系统分为冷热源系统、空气处理系统和空调系统末 端三个子系统。对空调系统和各个子系统建立了火用分析和热经济学分析的物理模型。并 通过火用平衡方程和热经济学烟成本方程建立了空调系统和各个子系统的火用损失、火用效率 和火甩成本的数学模型。通过建立了拉格朗日方程，结合边际成本和：i ( 尾的概念，将目标函 数确定为火用值或火用效率的函数，把各个子系统的火甩成本表示成拉格朗日变量的函数，探 索了热经济学孤立化原理在空调系统中的应用。 对风冷式热泵机组、直燃式溴化锂冷热水机组和冷水机组加燃气锅炉三种空调系统 冷热源，利用负荷频率法进行了能耗分析、火用分析和热经济学分析。直燃式溴化锂吸收 式冷热水机组在供冷和供热时火用损失和年度化火用成本是最高的，风冷热泵机组的年度化 火用成本最低，冷水机组在供冷工况下火用效率最高。分析了能源价格对机组运行成本的影 响，在天然气利用和电能利用中存在一个热电比平衡点。 对新风和回风分别处理的变风量空调系统、风机盘管加新风的空调系统和定风量空 调系统三种空气处理系统利用d e s t 软件进行了能耗分析、= | ：用分析和热经济学分析。在 所分析的建筑中，新风和回风分别处理的变风量空调系统的能耗最小，j l ：用效率最高，且 单位供冷成本和单位供热成本最低；风机盘管加新风系统次之，定风量空调系统最差。 空调系统的火用效率、烟成本和空调系统的规模、运行状态等因素有关。 对济南市某商场的空调系统进行了热经济学分析。计算了冷却水系统、制冷机系统、 空气处理系统、空调末端的火用损失、火用效率、产品火用单价以及火用损成本。进而找出此商 场空调系统存在的薄弱环节，提出了改进建议。 关键词：空调系统，节能，火用，热经济学，烟成本 山东建筑大学硕士学位论文 t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nf o ra i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s l ix i a n y i n g ( s c h o o lo f t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yr o n gw c i g u o a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea i rc o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni nb u i l d i n ge n e r g y c o n s u m p t i o ni ni n c r e a s i n gp r o p o r t i o n ，t h er e s e a r c ho fe n e r g y - s a v i n ga i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m b e c o m e sm o r ea n dm o r ep r e s s i n g a tp r e s e n t ，r e s e a r c ho ne n e r g ys a v i n ga i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m sr e m a i n si nt h ef i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c sa n ds e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c sb a s i s t h i sm e t h o do r e nl e a d st ot h ei l l u s i o nt h a t 什e n e r g ys a v i n ga n dn o ts a v i n gm o n e y i ti s n c t ? a 怂s a r yt on s eo x e r g ya n a l y s i sa n dc c 0 | l o m i cf a v o r s ，s u c ha st h ec o m b i n a t i o no ft h e r m a l a n a l y s i sm e t h o d so fe x m n o m i c sa n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s u s eo ft h e r m o d y n a m i cm o d e l i n g , t h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t oh e a t i n ga n d c o o l i n gs y s t e m s ，a i rh a n d l i n gs y s t e m sa n da i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma tt h ee n do ft h r e e s u b s y s t e m s e s t a b l i s h e da i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sa n dv a r i o u ss u b s y s t e m se x e r g ya n a l y s i sa n d t h e r m o l - e c o n o m i ca n a l y s i so ft h ep h y s i c a lm o d e l e x e r g yb a l a n c ee q u a t i o nt h r o u g ht h e t h c r m o l e c o n o m i c sb u i l t 、衍t l la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mc o s t se q u a t i o na n dv a r i o u ss u b s y s t e m s e x e r g yl o s s e s ，e x e r g ye f f i c i e n c ya n de x e r g yc o s to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h r o u g ht h e e s t a b l i s h m e n to ft h el a g r a n g ee q u a t i o n s ，c o m b i n e dw i t hm a r g i n a lc o s ta n dt h ec o n c e p t so f e x e r g y , t h et a r g e tf u n c t i o ni sd e f i n e da se x e r g ye f f i c i e n c y , t h ev a r i o u ss u b s y s t e m si n t ot h e e x e r g yw i t ht h el a g r a n g i a nv a r i a b l e so fc o s tf u n c t i o n ，t oe x p l o r et h ee c o n o m i ci s o l a t i o no f t h e h e a tp r i n c i p l ei nt h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m o nt h ea i r - c o o l e dh e a tp u m pu n i t s ，d i r e c t f i r e dl i t h i u mb r o m i d ec h i l l e ra n dw a t e rc h i l l e r a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mp l u st h r e et y p e so f g a sb o i l e r sa n dh e a ts o u r c e ，a st h ef r e q u e n tm e t h o d ， t h el o a de n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s ，e x e r g ya n a l y s i sa n dt h e r m o l e c o n o m i c s d i r e c t f i r e d l i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nc h i l l e ri nt h ec o o l i n ga n d h e a t i n gw h e nt h ee x e r g yl o s sa n de x e r g y a n n u a l i z e dc o s ti st h eh i 曲e s t ，t h ey e a ro fa i r - c o o l e dh e a tp u m pu n i t e x e r g yw i t ht h el o w e s tc o s t ， w a t e rc h i l l e r si nt h ec o o l i n gc o n d i t i o ni m p r o v et h eh i 曲e s te x e r g ye f f i c i e n c y a n a l y s i so f e n e r g yp r i c e so nt h eu n i to p e r a t i n gc o s t t h eu s eo fn a t u r a lg a sa n de l e c t r i c i t yi nt h ep r e s e n c e 山东建筑大学硕士学位论文 o fat h e r m a lp o w e rt h a nt h eb a l a n c e t h en e ww i n da n dw o r et r e a t e dr e t u ma i ro fv a v s y s t e m , a i rf a nc o i la i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m sa n d 血e d a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mu s i n gt h r e ek i n d so fa i rh a n d l i n gs y s t e ms o f t w a r e d e s te n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i s ，e x e r g ya n a l y s i sa n dt h e r m o l - e c o n o m i c s i na l lo ft h e b u i l d i n g , f l e s ha i ra n dr e t u ma i ra r eh a n d l e dv a vs y s t e me n e r g yi sm i n i m a l ，t h eh i g h e s t e x e r g ye f f i c i e n c ya n du n i tc o s t sa n du n i th e a t i n gc o o l i n gl o w e s tc o s t ；a i rf a nc o i ls y s t e ma n d t h e ns e ta i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mt h ew o r s t e x e r g ye f f i c i e n c yo fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s , e x e r g ye f f i c i e n c ya n da i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sw i t ht h es c a l eo ft h ec o s to fr u n n i n gt h es t a t e a n do t h e rf a c t o r s s h o p p i n gi nt h e j i n a nc i t y , t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mo fat h e r m a l e c o n o m i c s c a l c u l a t i o no ft h ec o o l i n gw a t e rs y s t e m ，r e f r i g e r a t o r , a i rt r e a t m e n ts y s t e m s ，a i r - c o n d i t i o n i n ga t t h ee n do ft h ee x e r g yl o s s e s ，e x e r g ye f f i c i e n c y , p r o d u c t , a n dc x e r g yu n i tc o s to f e x e r g yl o s s a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dt h e nf i n dt h ee x i s t e n c eo ft h i sw e a kl i n k , p u tf o r w a r d s u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，e n e r g ye f f i c i e n c y , e x e r g y , t h e r m a l - e c o n o m i c s ， e x e r g yc o s t i l l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：镟呐础：址 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件扣 磁盘，允许论文被查阅和借阅苯人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名：二堕日期轴2 堂：! 羔 导师签名：彳璺轧日期二三她 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题的研究背景 空调是建筑能耗的大户建筑能耗通常指的是建筑物日常运转所消耗的能量，它包 括供暖、通风、空调、热水供应、照明、电梯、烹饪等设备所消耗的能量。空调能耗则 指的是建筑物内空调系统中采用的一切设备在日常运转所消耗的能量。依据有关资料显 示，我国建筑用能已超过全国能源消费总量的1 4 ，并将随着人们生活水平的提高逐步增 加到1 3 以上。在建筑能耗中，供暖和空调的能耗所占的比例均在6 0 以上。在公共建筑 ( 特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等) 的全年能耗中，大约5 0 0 消耗 于空调制冷和供暖系统中。而在空调供暖的这部分能耗中，大约2 0 - - - 5 0 有外围护结构 传热所消耗( 夏热冬暖地区大约2 0 ，夏热冬冷地区大约5 0 ) 【l 】与世界上发达国家相 比，在相同的气候条件和相同的室内热环境的条件下，我国单位建筑面积空调系统的能 耗指标却高得多。就目前我国节能趋势来看，建筑物的耗能将成为我国能源消耗构成中 的主要因素之一【2 1 。未来我国建筑节能技术的发展水平将成为制约空调系统发展和普及 的关键因素。因此，开展空调系统节能分析的研究是能源学科领域亟待解决的重要研究 课题。 一直以来，学者对空调系统的节能分析一般是建立在能量平衡基础上的，称为“能量 平衡法”。能量平衡法研究的是能量系统总量守恒和系统参数之间的关系，以理想循环作 为最高标准，用“能效率”( 比如：制冷系数、热泵系数等) 来表示能量系统的完善程度。 很多学者根据能量平衡法也提出了很多空调系统节能的措施，比如：增加围护结构的保 温、管道的保温、采用空调排风热回收装置等。虽然这种方法不参考任何环境因素、应 用简单、计算方便，在一定程度上反映了空调系统的完善程度和节能效果。但是，能量 分析方法依据的是不同质的能量在数量上的守恒，而忽略了能量中“质”的利用和能量质 量的下降。所以说，以热力学第一定律为基础的能量分析法分析的结果往往会造成高效 节能的假象。 随着生产和能源消费水平的提高能源供需矛盾日益突出；而且用能系统使用能源的 种类和能量的品味r 趋多样化( 如除燃料的化学能、电能外，还有余热能、地热能、风 能、太阳能等) ，人们越来越认识到单纯的以热力学第一定律为基础的能量平衡法有不足 之处。例如，能量平衡只能反映系统外部的损失( 如排热、散热损失) ，而不能揭示能量 系统内部损失( 即不可逆损失) ；能量平衡法不能使用于不同品味能源同时存在的综合系 山东建筑大学硕士学位论文 统。能量平衡方法的这种缺陷，从热力学理论上不难理解，因为单纯考察能量“数量”的 差异，而不考虑能量“质量”的差异，就很难全面的反映能源利用的完善程度进而不能找 出提高能源利用率的有效措施。所以，有必要提出从能量“量”和“质”两方面来综合评价 能量系统的新方法已是迫在眉睫的事情。这就形成了以热力学第二定律为基础的熵分析 法和火用分析法。 熵分析法就是通过对能量系统建立熵平衡方程进行分析，以孤立系统熵增原理为依 据，以求取能量传递和转化过程中的不可逆熵产及不可逆损失为目标，通过对热力过程 和循环中的能量贬值状况分析，采取措施改进热力过程或循环，从而减少能量“品质”的 降低。但是，这种分析方法无法评估能量流的使用价值，不能用统一的尺度来分析各类 用能装置，无法把能量的使用价值与经济价值融合到一起【3 1 为了弥补熵分析方法的不足，提出了火用分析方法。火用分析法的目的在于计算、分析 系统内部与外部的不可逆火用损失，揭示用能过程中的薄弱环节，以进行改进；或以火甩效 率为目标函数进行最优化分析计算，找到节能的途径。然而火用分析方法的结论在实施时， 常常会受到经济的制约而难以或者不能实现，也就是说“节能”和“省钱”会产生“矛盾”。 所以，在工程决策中，不能单单依靠热力学分析，仅考虑“节能”，而必须考虑经济因素， 考虑是否“省钱”。所以有必要找到一种热力学和经济学相结合的更加合理、有效的分析 方法，于是就提出了热经济学的分析方法。 热经济学分析方法是火用分析和经济分析相结合的一种分析和优化能量系统的新方 法。它既走出了单纯的热力学领域，也走出了单纯的经济学领域，比传统的技术经济分 析法要优越的多。其优点不仅在于计算简单、迅速、适用于近代计算工具，而且还在于 它能更科学、准确地考虑能量系统的火用成本，以得到能量系统中用能的薄弱环节，提出 更加合理的措施。热经济学在热力学参量与经济信息参量之间找到了一个结合点，把火甩 分析结果的能量量纲转化为热经济学分析结果的经济量纲，从而给出方案比较的具体结 论。热经济学的重要研究内容有：能源系统的热经济优化设计：它采用热经济学的会 计统计与热经济学的优化相结合的方法，建立能源系统的热经济学数学模型，寻求能量 系统的最佳设计，如蒸汽管道管径及其保温层厚度的确定。能量系统的热经济最优化 运行研究：采用与优化设计同样的理论和方法，寻找能量系统的最佳运行方式，最佳运 行参数等，如余热利用的最小温差，空冷电站的最佳排气参数。合理确定能量系统各 种产品的成本、烟单价，根据能量系统生产过程中能量的品质、技术和经济等因素确定 产品的合理价格、成本，如热电联产蒸汽和电的比价。能量系统的经济决策及可行性 山东建筑大学硕士学位论文 研究：利用热经济学原理、结合环境、人文等学科，为企业、地区和国家能源的开发、 能源利用、能源结构及能源政策提供决策依据，对能源系统的设备改造、更新进行决策， 研究能量系统的可行性【4 】 能量分析法、火用分析方法和热经济学分析方法，三种分析方法的对比情况见表1 1 表1 1 三种分析方法的比较 江 死时，上述公式表示热量= j ( j 8 ，反之则 为冷量火用。热量火用或冷量火甩可正可负：8 q 或s q o 且r r o 时，s e x o 或万 o ， 表示系统获得热量：j c 用；阳或由 t o 时，艿或万 o 。表示系统在高温 下散热而失去热量火甩；阳或国 o 且r r o 时，慨或艿 o ，表示系统在低 温下吸热而释放或失去冷量火用，当t = 兀时，热量火用和冷量火用均为零。 2 1 6 闭口系统的火用 当忽略宏观动能和宏观位能时，闭口系统工质的火用仅为热力学能火用( 内能火用) 。设 给定状态下闭口系统的参数为p 、t 、u 、s ，而环境状态的下系统的参数为岛、五、 。如图2 1 所示。 根据热力学第一定律，对能量平衡式进行积分，得到闭口系统的火用d 9 ： 闭口系统的火用是给定条件下闭口系 统能量的固有特性，不仅与从给定 状态变化到环境状态采用的过程无 关，而且与是否转变到环境状态无 关，在给定的环境条件下闭口系统 的火用是状态参数。 t o h _ ：封闭系统： ：6 、)- ：p ，t p o r 合系统边界 图2 1 计算闭口系统太用的示意图 e x u = 哪。= ( u 一砜) + 风( y 一) 一毛( s 一& ) ( 2 5 ) 2 1 7 稳定流动系统工质的火用 l o 山东建筑大学硕士学位论文 流动系统工质的火用是指流经开口系统的混合工质流从初始平衡状态下经可逆过程 过渡到与环境状态完全平衡时所能获得的最大有用功。流动系统工质从初始状态 ( t , p ，& ) 过渡到任意状态( ，p ，g i 。) ，所做出的最大有用功可表示为s - w 哪= h - t o s - g i - ( h - r o s 一心j g i ) ( 2 6 ) 当终状态与非限制性环境状态处于平衡时，则流动系统工质的比火用为： 盯= ( j i i 一) 一瓦( j 一而) 一心( 岛一岛) ( 2 7 ) 卜i 在限制性环境状态下，流动系统工质的出口状态与环境仅建立热和力的平衡( 即 ，= r o ，p = p o ) ，而质量成分保持不变，即g ：= g i 。此时工质所释放的最大有用功即为 焓火甩( 也称流动工质的热力火用或物理火甩) ，用瓯表示，则式( 2 7 ) 简化可得： 一 吒= ( j | i h o ) 一t o ( s s o ) ( 2 8 ) 2 1 8 火用损失与火用平衡方程 在任何可逆过程中不会发生火用向火无的转变，火用的总量不变；在任何不可逆的过程中 必然发生火用向火无的转变，并使火用的总量减少。这部分减少的火用转变成了火无，称之为不可 以过程的火用损失，简称火用损失。 由于在一切热过程中火甩和火无的总量保持恒定，所以对于一个热力系统在不可逆的过 程中所涉及的有关：j ( 用的变化，是不遵守火用平衡的，因为火用要变为火无，使火用减少，火无增加， 把这部分减少的火用作为一项系统的火用输出，那么火用平衡方程式为【2 0 1 ： 输入系统的火用= 输出系统的火甩+ ，朋损失+ 系统= | ( 甩的变化量 用公式表示即为： 点次二= 吼+ 五t + 巨x ( 2 9 ) 式中，彤匕一输入系统的火用，k j ；e x o “一输出系统的火甩，k j ：瓯一系统的火甩损失， k j ：a e x 一系统火用的变化量，u 。 2 2 湿空气火用值的确定 2 2 1 湿空气零火用点的选择 对于空调系统，研究对象是湿空气。而湿空气的状态可以由温度和含湿量两个参数 来表示。当我们处理湿空气的时候，既有热量的传递也存在物质的变化( 湿度的改变) ， 使得湿空气的火堆分析复杂程度增加。在大型的能量系统中( 能源、化工、材料) 火用分析 山东建筑大学硕士学位论文 方法已经得到了很好的应用，我们可以借鉴这些方法对空调系统进行分析，文献 3 5 3 7 】 就是采用火用分析的方法处理空调领域的问题。 目前，火用分析方法用于空调领域已有很多。如，w e p f e r 等人【3 3 】采用环境状态为火甩 零点，在分析表面式冷却器火用效率时，得出其火用效率仅有2 5 9 8 ，但其中的不可逆火用 损失不是造成表面式冷却器火用效率地的原因，其原因是冷凝水带走的火用与被处理的空气 的火用相等，而冷凝水的火甩有没有考虑，才导致出现这样的结果。所以说，研究湿空气的 零火甩点是必要的。 从2 0 世纪6 0 年代至今，关于火甩分析参考状态点的讨论就没有停止过。所谓的参考 状态点是人为定义的一个环境状态，它就是一个在一定压力下无穷大的热源和无穷大的 物质源。根据文献1 3 9 - 4 0 论述，可以把湿空气的零火用点选择归为三种：第一种，取环境 大气参数为火用分析的参考点；第二种，取环境大气平均气象参数作为湿空气火用分析的参 考点：第三种，取环境状态下的饱和空气作为火用分析的参考点。 虽然参考点是人为定义的，然而也不是随意选定的。b r o d j a n s k i j 指出，作为参考状 态的环境模型应具有以下三个条件：第一，与系统作用时保持不变；第二，环境介质应 该在热力学平衡范围内；第三，接近实际运行的条件【4 1 1 。在选择环境参考点的时候，关 键是对水的处理上，如果认为液态水是自然界中广泛存在的东西，则应该选择饱和点为 参考；如果认为得到液态水要付出代价，应该选取环境空气状态为参考点。 空调系统工作的环境为室外的空气和水。在实际的湿空气处理过程中，液态水可以 被认为是无代价的，可以当作环境中无限大的质量源来考虑。例如，冷却塔中蒸发的水， 完全可以不考虑其获取所花的热力学代价问题；对于表面式冷却器产生的冷凝水如果当 作排放处理，而不会考虑其使用价值。所以说，认为水有可用价值的看法与实际问题的 观点不一致。 自然界中空气作为无穷大的热量源和液态水作为无穷大的质量源同时存在，然而在 环境中两者往往没有达到热力学的平衡状态，环境中的空气常常是不饱和的，不饱和的 空气与水接触会发生水自发的向空气中蒸发，促使空气达到饱和状态。这种自发的过程 进行的终点就是室外温度所对应的饱和湿空气状态。该饱和状态是热量源和质量源的平 衡状态，应该作为空调系统中湿空气火用分析的环境参考点，也就是所谓的零火用点，如图 2 2 所示。此点是水与空气这两个无限源接触所能实现的熵值最大的点。 山东建筑大学硕士学位论文 2 2 2 湿空气火用值的计算 湿空气是千空气和水蒸气的混 合物。如果规定当时的当地环境岛、 瓦下相对湿度的湿空气：j ( 甩值为0 ， 则在任意压力和温度p 、t 下，相对 湿度为驴的湿空气就具有了火用。具有 任意压力和温度p 、t ，相对湿度为 含湿量g k g 干空气 图2 2 湿空气的大用参考点 9 的湿空气，根据火用的定义，可逆的变化到规定的环境状态( p o 、瓦、弼) 下，所作出 的最大有用功，这样就是该状态下的湿空气所具有的火用值。根据此定义，湿空气的火用包 括物理火甩和化学烟例。 处于任意状态下的l m o l 湿空气的火用值甄。可以表示为： 瓯= 瓯，一+ 瓯，幽 ( 2 1 0 ) 式中，e x ，一物理火用，i u k m o l ；甄一化学火甩，i o k m o l l m o l 湿空气的物理火用为： e x m 砷2 i ( 以一以。) 一瓦( 墨一曹) l ( 2 1 1 ) + ( 1 一毛) ( 以一致。) 一瓦( 一& o ) l 上式中右边的第一项为水蒸气的焓火用，第二项为干空气的焓娴。 下面讨论湿空气的化学火用。假设，# 为环境空气中水蒸气的摩尔分数，则# 的表 达式为： # ：警掣 ( 2 1 2 ) p o 式中，只( 不) 一不下水蒸气的分压力，p a 。 则环境中干空气的摩尔分数为l z 。假设，实际湿空气中水蒸气的分压力为， 则其计算式为： ：丝盟( 2 1 3 ) 山东建筑大学硕士学位论文 根据上式，实际湿空气中干空气的摩尔分数为1 一 根据气体的摩尔扩散火甩瓯d 公式： f a r m , a - - - r 瓦l i l 譬= 一尺瓦l i l # ( 2 1 4 ) 风 式中，r 通用气体常数，对于空气r = 2 8 7j ( 姆詹) ；霄一环境状态下气体中f 组分的 分压力，p a ；# 环境空气中f 组分的摩尔分数。 l m o l 干空气的扩散火用尼已幽有下式决定： 瓯矿r 写 讪专+ ( 1 训h 高 晓 相对l m o l 干空气的湿空气的扩散火用瓯幽可以表示为： e x m 4 = 鲁嘲 去h 专弛哥 眨 我们从上式中可以看出，p o 、露下的干空气( = 0 ) 具有正的火用值。 综上所述，任意压力和温度p 、t ，相对湿度为伊的l m o l 湿空气，其火用值甄。可以 表达为【捌： e x m = e x m 曲+ e x m 曲 = 毛 ( 以一以。) 一瓦( 墨- s 。) l + ( 1 - 毛) ( 以一以。) - r o ( s - s 。) 口 ( 2 1 7 ) 嘲 志h 专札蚓 2 3 热经济学的经济学基础 从经济学分类来看，能量系统属于单个经济单位的工程项目和技术项目，采用的分 析方法是个量分析法，因此能量系统的经济行为和相应的经济变量分析研究属微观经济 学的范畴。对工程项目、技术项目的经济分析，必然涉及到资金、设备、材料和劳动力 等因素。 2 3 1 投资 为保证工程项目投入生产并保证经营项目正常运行，必须投x - 定的f i 金。这种预 先垫付的资金称为投资，包括固定资产投资和流利i 资产投资。 山东建筑大学硕士学位论文 在热经济学分析研究中，投资的计算非常的重要。在能量系统最优化运行和成本的 合理确定中，它可以通过工程决策而精确地计算。然而在最优化设计、可行性分析研究 和经济方案决策中，投资尚未进行，只能进行概算或估算。 投资的计算方法采用指数估算法【2 。 指数估算法是利用类似工程的投资来估算类型相同、规模不同的工程投资。设拟建 工程项目投资额和生产规模分别为z ，和而，同类已建工程的投资额和生产规模为互和 五，则有 石2 = 毛i 量l 凹 ( 2 1 8 ) 式中，蝴模指数，当中要靠增大设备规模扩大生产规模时，取n = o 7 ，当以增加 相同设备数量扩大生产规模时，取n = 0 8 - q 0 ：c f 物价换算校正系数，有历年的物价 趋势预测数据做出合理的估算。 2 3 2 成本 产品成本的费用包括原材料( 指用于产品生产的各种原材料，如：外购的半成品、 零件、配件以及有助于产品形成的辅助材料) 、燃料和动力、工人工资及附加费、废品 损失费和管理费。 在成本分析中，成本还可以按费用和产品产量的关系分为固定成本和变动成本。固 定成本是基本上不随产量变化的费用，主要包括管理费、折旧费、照明费、保险金、维 修费、借入资本的利息和出差费等。变动成本是随产品产量变化的费用，如原材料、燃 料、动力、人工工资等费用。 生产成本是成本计算的核心部分，下面介绍成本的估算方法【2 。 1 ) 原材料、燃料和动力消耗的估算 c 厂= ( 形b ) + ( 2 1 9 ) 式中，c 口一原材料、燃料和动力的年消耗量；形一为i 种材料的年消耗量；b 一为i 种 材料单价，元；c 彦一为燃料、动力的年消耗费用。 2 ) 设备的寿命估算 设备的使用寿命又称为设备寿命。根据不同的情况，设备寿命有三个不同的概念， 这就是设备的技术寿命( 有时也叫做物理寿命) 、所有权寿命和经济寿命。技术寿命是 指设备被使用得达不到它在技术上应有的性能指标，而不得不淘汰的年限。所有权寿命 山东建筑大学硕士学位论文 是指从设备的购入时间起到被转让出去为止的这段时间。经济寿命是指设备虽然在技术 上还能使用，但是由于这一领域里科学技术发展很快，与新开发的设备相比，这台设备 显得太落后了，继续使用它不如更换一台新的更经济，这是我们说这台设备已达到其经 济寿命了对于空调系统的寿命估算本文取设备的经济寿命经行估算。 3 ) 固定资产的折旧费估算 如前所述固定资产的价值是逐渐地分部分地转移到产品的成本里，转移到成本中的 那部分价值就是折旧费。折旧费是生产成本的重要组成部分，它的计算应考虑固定资产 的有形损耗和无形损耗。有形损耗是指设备在使用过程中，由于使用和自然力的作用使 设备发生实体磨损。无形损耗是指原有固定资产已经陈旧和因出现新的效率更高的机器， 或更加物美价廉的机器而引起的原有固定资产的贬值。折1 日费的计算主要取决于折旧年 限和折1 日率。本文利用递减法计算设备的折1 日费。即假设每年的折旧费是设备初值的一 个固定百分比，成为理论折旧率，用r 来表示。 ，1 一捂 ( 2 2 0 ) 式中，p 一设备的原始价值；元：l 卜设备的使用年限；年；e 一设备寿命终了时的价值， 又称为残值，只不能为零；元。 则，设备的折旧费d 为： d = p f ( 2 2 1 ) 4 ) 设备的维修费用的估算 维修的目的是保持设备的技术指标和生产能力。维修费一般根据固定资产的预计使 用年限，按月或按年定期提取维修基金，提取比例丢为， 六= ( ，l 一，l ，l ) ，工 r 、， 口 式中，c 一每年维修基金提取额，元；l 一设备的一次投资，元。 本文把设备的折i h 费和维修费加在一起经行计算，用g 表示，则 g = d + e ( 2 2 3 ) 式中，d 一设备的折旧费，元。 5 ) 人员工资、附加工资与管理费的估算 年工资支出为e ，附加工资率为f l ，则发到工人手里的工资为e ( 1 + a ) 。一般来说， 山东建筑大学硕士学位论文 管理费和工人工资可以认为有一定的比例关系，令其比例为b ，则管理费为6 ( 1 + 口) e 以上几项总计为e ： c ：c ：( 1 + 口) + e ( 1 + 口) 6 = ( 1 + 口) ( 1 + 6 ) e ( 2 2 4 ) 6 ) 年运行费用的估算 将式( 2 18 ) 、 ( 2 1 9 ) 和式( 2 2 0 ) 三项合起来就是年运行费用c 0 ，即 c 0 = c ，+ q + e ( 2 2 5 ) 在热经济学分析中常把c ，叫做能量费用，在火用平衡的基础上算出，而c 6 + c 则为 非能量费用。 2 3 3 资金的时间价值 资金的时间价值通常用利率或投资收益来度量。利率是单位时间的利息与原有投资 额的比值。投资收益率是指项目的年均利润与投资总额之比，有时也称为投资利润率 在热经济学分析中，用的是利率。在工程项目经济评价时，首先对其收益和费用经行时 间价值的等值交换，使之具有时间可比性，这就是资金时间的等值交换原理。把一定利 率下发生在不同时间点数值不同而价值相等的资金称为等值资金。在热经济学分析中， 把与将来某一时期的资金值等价的现时期的资金价值称为现值，把与现值等价的未来某 时间的资金值称为未来值或将来值。 在本文中用到的资金时间价值的计算为一次支付和等额支付【2 2 。 1 ) 一次支付型现金系数p w f ( i ，n ) 设有本金p ，年利率为i ，若将本金p 存入银行，经过n 年复利计息后得到的一次支 付的本金和未来值f ，则有 f = 尸( 1 + f y ( 2 2 6 ) 反之，若从现在起n 年后的资金未来值为f ，那么这笔未来的资金值折合为现时的 资金值( 现值) 为 尸2 南2 f ( 1 + f ) - = f * p w f ( 抽) ( 2 2 7 ) 式中，p 孵( f ，刀) = ( 1 + 矿，称为现金系数。 2 ) 等额支付型资金回收系数c r f ( i ，n ) 山东建筑大学硕士学位论文 毕 旺2 8 ) 式中，a 一每年等额支付金额，元；掣年金终值系数。 l 在工程项目中通常进行一次性投资，若当年一次投资额为p ，当工程竣工投产后用 逐年等额偿还金a 进行偿还，按规定利率i ，在1 1 年内本利全部还清，则每年等额偿付 的金额可用式( 2 2 7 ) 和式( 2 2 8 ) 经行计算。 彳：尸黑兰珈c p , f ( i , n ) ( 2 2 9 ) ( 1 + f ) ”- 1 。 式中，哪 。2 黼，称为资金回收弑可以查表得到 2 3 4 投资回收期 投资回收期是指工程项目净收益的累计值偿还投资总额所需要的时间，一般以年为 单位，从项目建设投资之日算起。投资回收期分为静态投资回收期和动态投资回收期， 其中前者不考虑资金的时间价值，本文用到的是静态投资回收期。下面介绍一下静态投 资回收期的计算【2 2 1 。 设项目的投资总额为c r ，投资回收期为f ，则有 ( q - c o w ) ，- - g ( 2 3 0 ) 式中，q 和分别为年现金流入和流出量，单位为元。 如果把初投资理解为( g 一气) 。即q = g o ，c o 叫- - 0 ，则 ( g c o ) ，= o ( 2 3 1 ) 2 3 5 年度化费用 年度化费用是一种动态的评价方法，他克服了静态回收期固有的不足。它将不同时 间内资金的流入和流出换算成同一时间点的价值。在评价不同的技术方案时，须将各种 费用折合到每一年内，即将费用按资产使用寿命每年均摊。这种均摊了的费用叫做年度 化费用或年度化成本。年度化费用的总和应该等于总费用【2 3 1 。 年度化费用可以按下式经行计算。 山东建筑大学硕士学位论文 弓= q 一乃p w f ( i , 刀) + 艺e p w f ( i , n ) c r f ( i ，刀) ( 2 3 2 ) m s l 式中，c 年度化费用，元；c o 工程项目初投资，元；b 预计n 年后设备的最终 价值，元：e 一与m 年有关的费用，元 2 4 热经济学中能量的定价与尖用成本方程 2 4 1 能量的定价问题 在热经济学分析中，能量的定价是一个很重要的问题。它是热力学的物理量转化为 经济学量纲的关键。能量的定价直接影响着能源的生产和消费，是关系到国民经济的大 问题。能量的定价涉及到能源生产和利用的政策法令等问题，又有经济规律中的价格法 则和价格理论等问题，也有关于能量本身，如能的形式、参数、可用性程度等问题。我 们研究的能量定价是用能量本身的特性来研究其价格化。 对空调系统进行节能评价时，；i 【用的概念要比能更科学、更全面，但是仅仅从火用的角 度去分析问题，仍然具有一定的局限性。火用在体系中处处等同，并不意味着火甩的价格也 处处等同，其价格是不同的。这种代价分为两部分：一部分是为了获得火用时的不可逆而 造成的火用损失；另一部分是设备的折旧费。如空调机组出口的一个单位工质火甩就不等于 空调管道末端的一个单位工质火甩，因为要增加保温管道输送过程的不可逆损失和管道阀 门等的折旧费，后者火用的价格更高。再比如，在确定空调房间的冷负荷时，总是希望室 内的冷负荷越小越好。为了减少冷损失，就要加强围护结构的保温，火用的代价增加了， 就有可能得不偿失。同时，从热力学角度来看，不同形态的能量所具有的火用是可以互比 的，但是从经济学的角度来看，不同型式的能量所具有的火用值是不等价的。考虑实际过 程中火甩的不等价性和经济性因素，将热力学和经济学相结合，对火用这个物理量赋以价值， 这就是火用的价值化。 k e e n a n 提出的“损失功率法”实际上是以：j 【用( 当时成为有效能) 作为能量定价的开 端。我们知道火用是“势参数”，也是表征能量价值的物理量，它是综合运用热力学第一定 律和热力学第二定律，并且更强调从能量的质的角度来作为能量的评价标准。一定量的 能量中包含着多少火用就能反映这种能的质量高低。因此，只有以火用来确定能量的价值， 才能使其使用价值和经济价值较好的结合起来，因为烟不仅从能量的量方面，而且从能 量的质的方面，全面代表着能量的实用价值。如图2 3 ，热电联产中低压蒸汽的定价问题。 山东建筑大学硕士学位论文 豫n 十? ，一? 1 ；：。“一一 ，、? 够。? i：。i， “z w t 一，? ，。，? “ 。j i 图2 3 热电联厂中蒸汽焓定价和丈甩定价比较 由图2 3 可以明显的看出来，当低压蒸汽的压力降到0 0 0 3 1 7 m p a ( 相应的饱和温度 为2 5 ) 时，每千克蒸汽的焓单价为0 0 2 2 元，娴单价为0 0 0 2 元；而0 3 1 7 m p a 的蒸汽 焓单价0 0 2 7 元和0 0 0 3 1 7 m p a 的焓单价相差不多，其火用单价为0 0 1 3 元。由此看见，用 能来定价具有一定得片面性，而用火甩来定价能够得到蒸汽的确切的、与使用