（环境工程专业论文）若干供暖空调方式的火用分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 对供暖空调系统进行能量分析的方法一般有两种：能分析和好盼析。能分析的特点 是不同质的能量在数量上的平衡，它只考虑能量“量 的利用程度，反映的是“量”的 外部损失。而炯分析的特点是同质的能量在数量上的平衡，它同时考虑能量“质的贬 值和“量”的损失，反映的是系统内部与外部的炯损失。传统的能分析为节约能量指明 了一定的方向，比如余热回收、减少泄露、加强保温等措施以减少能量的外部损失。但 是能分析无法揭示系统内部存在的能量的“质的贬值和损耗，不能深刻揭示能量损耗 的本质，因此进行一定的能分析是有必要的，但随着节能工作的深入开展，为了正确地 指明节能的方向和途径，就需要在能分析的基础上进一步做好炯分析的工作。 本文通过能分析方法与炯分析方法的对比，明确炯分析方法比能分析方法科学全面 的原因，并通过介绍低烟理论，展示在空调采暖系统中运用低炯能源所能产生的巨大节 能效益，同时就几项常见的低炯技术，提出其各自的优越性和限制条件。 文中针对以电为能源的供暖方式，以武汉为例进行了能分析和炯分析，计算了一次 能源效率和炯效率。结果表明，无论是一次能源效率还是炯效率，电取暖器和电锅炉方 式只是热泵方式的1 3 左右。虽然热泵方式的一次能源效率较高，且娴效率是电取暖器 和电锅炉方式的3 倍左右，但是其炯效率仍然很低，大体上都在2 0 左右。 文中以某一空调工程为例，分析增大温差对系统各部分能耗的影响提出空调系统 煳 平衡的分析方法，并计算常规空调系统( 冷冻水供回水温7 1 2 ，冷却水供回水温 3 7 3 2 ) 和大温差空调系统( 冷冻水供回水温5 1 3 ，冷却水供回水温3 7 3 2 ； 冷冻水供回水温7 1 5 ，冷却水供回水温3 7 3 2 ；冷冻水供回水温5 1 3 ，冷却水 供回水温4 0 3 2 ) 的炯效率和炯损失，结果表明相对于常规空调系统方案的大温差 空调系统熘损失增加了5 ，炯效率降低了4 2 ；方案的大温差空调系统炯损失减少 了7 4 ，炯效率提高了7 0 ；方案的大温差空调系统炯损失减少了3 5 ，炯效率提 高了3 2 。 关键词：供暖空调，大温差，能效分析，一次能源效率，炯效率，炯损失 a b s t r a c t e n e r g ya n a l y s i sm e t h o d so nt h eh e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e m sc o m m o n l yt h e r ea r et w o w a y s ：e n e r g ya n a l y s i sa n de x e r g ya n a l y s i s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n e r g ya n a l y s i si st h e b a l a n c eo fd i f f e r e n tq u a l i t a t i v ee n e r g yi nt h ea m o u n t , i to n l yc o n s i d e r st h eu t i l i z a t i o nd e g r e eo f e n e r g y a m o u n t , r e f l e c t st h ee x t e r n a ll o s so f a m o u n t b u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x e r g y a n a l y s i si st h eb a l a n c eo fs a m eq u a l i t a t i v ee n e r g yi nt h ea m o u n t ，i tc o n s i d e r sb o t ht h ee n e r g y q u a l i t y d e v a l u a t i o na n dt h ee n e r g y a m o u n t l o s s e s ，r e f l e c t st h ee x e r g yc o n s u m p t i o no ft h e s y s t e mi n s i d ea n do u t s i d e t h et r a d i t i o n a le n e r g ya n a l y s i ss p e c i f yad i r e c t i o no ne n e r g ys a v i n g , s u c ha st h r o u g hr e c y c l i n gw a s t eh e a t ，r e d u c el e a k ，s t r e n g t h e np r e s e r v a t i o ne t c m e a s u r e st o r e d u c et h ee n e r g ye x t e r n a ll o s s e s b u tt h ee n e r g ya n a l y s i sc a n tr e v e a l e n e r g y “q u a l i t y d e v a l u a t i o na n dl o s s e s ，i tc a l l tr e v e a lt h en a t u r eo fe n e r g yc o n s u m p t i o n s oi t sn e c e s s a r yf o ra c e r t a i ne n e r g ya n a l y s i s ，b u ta st h e d e v e l o p i n go fe n e r g yc o n s e r v a t i o ni nd e p t h ，i no r d e rt o i n d i c a t et h ea c c u r a t ed i r e c t i o na n dw a yo ne n e r g ys a v i n g ，w en e e df o rt h ee x e r g ya n a l y s i s b a s e do nt h ee n e r g ya n a l y s i s t h i sp a p e rr e v e a l sr e a s o n so nt h ee x e r g ya n a l y s i si ss c i e n t i f i ct h a nt h ee n e r g ya n a l y s i s t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nb ，e t w e e nt h e m a n dt h ep a p e rs h o w st h eh u g ee n e r g y - s a v i n gb e n e f i t s b yu s i n gt h el o w e x e r g ye n e r g yi nt h eh e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e m s a n df o rs e v e r a lc o m m o n l o w e x e r g yt e c h n o l o g y , p u t sf o r w a r dt h er e s p e c t i v es u p e r i o r i t ya n dc o n s t r a i n t s f o rt h ee l e c t r i c a le n e r g yh e a t i n gf o r m si nw u h a n t h ee n e r g y - e f f i c i e n c yw a sc a l c u l a t e d a n da n a l y z e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ，b o t ht h ep e r a n dt h ee x e r g y - e f f i c i e n c yo f t h ee l e c t r i ch e a t e ra n dt h ee l e c t r o d eb o i l e ra l e j u s t1 3b yt h eh e a tp u m pu n i t ，a l t h o u g ht h e p e ro ft h eh e a tp u m pu n i ti sh i g h e r , a n dt h ee x e r g y - e f f i c i e n c yi s3t i m e st h a nt h ee l e c t r i c h e a t e ra n dt h ee l e c t r o d eb o i l e r , b u ti t se x e r g y - e f f i c i e n c yi ss t i l lv e r yl o w ，a l m o s ta t2 0 t h i si s d u et o c o n s u m i n gt h eh i g hq u a l i t ye l e c t r i c a le n e r g y b u to b t a i nt h el o wq u a l i t yt h e r m a l e n e r g y ，t h e r ei sh 1 】g ee n e r g yq u a l i t a t i v eg a pb e t w e e nt h e m t a k i n ga l la i rc o n d i t i o n i n gp r o j e c ta sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo n e n e r g yc o n s u m p t i o no fe a c hp a r to ft h es y s t e mb yi n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e a n d p u t sf o r w a r dt h em e t h o do fe x e r g yb a l a n c e ，c a l c u l a t e st h ee x e r g ye f f i c i e n c ya n de x e r g y c o n s u m p t i o no ft h es t a n d a r dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ( o u t l e ta n di n l e tc h i l l e dw a t e rt e m p e r a t u r e a r e7 12 。c ，o u t l e ta n di n l e tc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ea r e3 7 3 2 c ) a n dt h el a r g et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e ( o u t l e ta n di n l e tc h i l l e dw a t e rt e m p e r a t u r ea r e5 13 c ，o u t l e ta n di n l e tc o o l i n g w a t e rt e m p e r a t u r ea r e3 7 3 2 ；o u t l e ta n di n l e tc h i l l e dw a t e r t e m p e r a t u r ea r e7 1 5 ，o u t l e t a n di n l e tc o o l i n gw a t e r t e m p e r a t u r ea r e3 7 3 2 c ；o u t l e ta n di n l e tc h i l l e dw a t e rt e m p e r a t u r e a r e5 13 ( 2 ，o u t l e ta n d i n l e tc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ea r e4 0 3 2 。c ) ，t h er e s u l t ss h o w 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 t h a t ，c o m p a r e d w i t ht h es t a n d a r dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，t h el a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e p r o g r a m ：t h ee x e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s e db y5 ，t h ee x e r g ye f f i c i e n c yr e d u c e db y4 2 ； t h el a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ep r o g r a m ：t h ee x e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e db y7 4 ，t h e e x e r g ye f f i c i e n c yi n c r e a s e db y7 0 ；t h el a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ep r o g r a m ：t h ee x e r g y c o n s u m p t i o nr e d u c e db y3 5 ，t h ee x e r g ye f f i c i e n c yi n c r e a s e db y3 2 ； k e y w o r d s ：h e a t i n ga n da i rc o n d i t i o n i n g , l a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，e n e r g y - e f f i c i e n c y a n a l y s i s ，p e r ，e x e r g y - e f f i c i e n c y , e x e r g yc o n s u m p t i o n 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 课题的意义 能源是国民经济的基础，是综合国力的有机组成部分，也是经济社会可持续发展的 重要制约因素之一。因此，节约能源、提高能效是保障国家能源安全和经济持续增长的 必然选择，也是保护环境、实施可持续发展战略的重要措施。 虽然地球及浩瀚的宇宙中蕴藏的能量是无穷无尽的，但是，在现有的技术水平和经 济条件下，地球上可被人类利用的能源却是非常有限的。当代社会广泛使用的能源仍然 是煤炭、石油、天然气和水力。世界上，一次能源消费结构中，煤炭占2 8 4 ，天然气 占2 3 7 n 1 。许多专家预言，石油和天然气的资源将在3 0 年，最多5 0 年内被耗尽口1 。 中国作为世界上经济增长最快的国家之一，同时也是一个能源消耗大国，其能源消 费总量居世界第二，仅次于美国。从1 9 8 5 年开始，中国的能源消耗量以每年5 的速度 增长，电能消耗增长则更快。不断增长的能源消耗和对化石燃料的过分依赖，导致了温 室气体排放量的迅速增加。目前，中国已经成为世界上第二大温室气体排放国，由于大 量消耗能源所带来的环境问题和健康问题也日益突出。随着工业化与城镇化进程的加快， 经济持续发展和人民生活水平日益提高对一次能源的需求将进一步扩大，能源供需矛盾 将更趋尖锐，再加之环境保护对减少能源消耗、提高大气环境质量的要求，节能工作面 临的挑战十分严峻。 建筑能耗是指建筑物使用过程中用于供暖、通风、空调、照明、家用电器、运输、 动力、烹饪、给排水和热水供应过程中消耗的能量口1 。在发达国家，建筑能耗约占总能 耗的3 0 4 0 口1 。这一比例反应了各个国家的经济发展水平和人民的生活水平的高低。 我国作为一个发展中国家，目前的建筑能耗约占全国总能耗的3 0 左右，而空调能耗占 整个建筑能耗的6 0 以上，且比例在不断增加。城市每年的用电高峰在夏季，空调在此 时间内的耗电占总发电量的3 0 左右，有的地区甚至高达5 0 6 0 h 3 ，因此，对空调 的节能要求提到了非常重要的位置。而一个空调系统所耗的能源主要由两部分组成： 1 冷热源机组所消耗的能源； 2 水系统所消耗的能源。 在空调系统中，冷热源机组的能耗在空调能耗中占有5 0 一6 0 晦1 ，研究空调冷热源 的节能技术具有很重要的意义。冷热源设备是大量消耗能源的能量转化装置，由于能源 形式的多样性，使得冷、热源设备的形式也多种多样。而空调机组的能源利用率一般可 用机组的性能系数( c o p ) 来表示，性能系数越大，说明机组的能源利用率越高。这对 比较使用和生产相同能量的机组非常有效，但在比较使用和生产不同能量的机组时，性 能系数( c o p ) 不能准确反映机组的真实性能，而应将比较的基准统一设为一次能源的 利用率p e r ，即将不同形式能量消耗转换为同种一次能源的消耗量，使不同形式的能源 具有可比性，从而进行数量上的比较。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 冷冻水和冷却水系统的输送能耗大约占系统总能耗的2 5 1 ，降低水系统的输送能 耗逐渐得到广大的重视，相应产生的技术有大温差技术。大温差技术是通过提高冷( 热) 量输送过程中载冷( 热) 剂的温差来降低冷( 热) 量的输送能耗，从而提高输送效率。 当前对空调采暖系统能源利用率的评价方法主要有两种：一是基于热力学第一定律 的热平衡方法，如热效率、能效系数c o p 即热平衡分析得出的效率，属于第一种效率； 二是基于热力学第二定律和第一定律的炯平衡方法，由此计算得出的效率即炯效率，属 于第二种效率。热力学第一定律是能量守恒和转换在热现象上的应用，即：在孤立系统 中，能量的量永远保持不变。但能量不仅包含量的方面，而且还要考虑质的方面，因为 各种形式的能，其动力利用价值不同，正如热力学第二定律所描述的，机械能可以完全 转换成热能，但热能并不能百分之百地转换成机械能，一定有一部分热能耗费掉，即使 同一形态的能，不同条件下，其质也是不同的。 随着节能工作的深入，仅仅从热平衡的角度来评价能量的利用情况是远远不够的， 还应该从输入能量和产出能量的质量关系上来评价和分析。传统的热平衡方法仅仅基于 热力学第一定律，将节能的焦点放在如何减少能量的泄露和排放，以提高能量的利用率。 而船纷析方法不但关心如何减少泄露和排放所排放的烟等外部炯损失，还关心由系统内 部种种不可逆因素造成的能量的贬值，即内部炯损失。根据热平衡方法可以获得所供应 能量中有多少得到利用，不能获得这部分能量的质量是否符合用户需要的信息，而这一 点有时又恰恰会导致在用热平衡法分析问题时得出错误的结论，例如按照热平衡方法的 观点，1 0 0 0 k j 的热量在1 0 0 下转换为机械功的能力应该与8 0 0 。c 时的相等，但实际上 1 0 0 0 k j 的热量在1 0 0 c 下转换为机械功的能力大约只是8 0 0 时的1 3 左右，这个结果与 炯分析方法的结果是一致的h 1 。从实质上说，烟是一切实际热力过程得以进行的推动力。 因此，合理的选择供热空调系统的最佳节能方案必须综合考虑各种影响因素，并且 将其解析化和定量化。从一次能源转换到建筑设备系统使用的终端能源的过程中，能源 损失很大。因此，应从全过程( 包括开采、处理、输送、储存、分配和终端利用) 进行评 价，才能全面反映能源利用效率和能源对环境的影响。对供热空调系统的各个组成部分 进行能效的计算和娴分析，从本质上揭示能量的利用程度，进而了解系统各个组成部分 的火用损值，找出设备、装置中炯损最大的部分，从而进行优化改造。 根据大范围内能源消耗状况和能源需求状况提出当前能源状况下的节能研究方法， 对空调采暖系统进行能量分析，可以对国家能源政策的制定和设备开发起指导作用，并 可以向能源用户提供科学的评价自身用能状况的评价方法和评价指标，更有助于暖通节 能事业的发展。能量分析在供热空调系统的节能分析方面有很大的应用价值和发展基础。 但是要将该方法应用于工程实践进行推广，还要面临很多的问题：目前国内大多数专业 人士对于节能的概念停留于在量上的比较，炯分析方法并没有得到广泛的应用。除此之 外，国内的能量分析大部分仅局限于对单个冷热源等装置设备的能耗分析，推广到对各 个整体供暖、空调系统的分析分析比较少，在空调采暖系统的选择上缺乏一个合理的具 体的用能依据。因此，通过对现有系统能效情况的分析，寻找现有系统能源利用的不合 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 理性，并做出改进以提高其能源利用效率，就可以给供热空调系统方案的优选提供一个 科学的依据。 1 2 国内外研究现状 由于供暖系统是由过去的北方逐渐扩大到长江以南的部分地区，所以对供暖系统的 能效分析，也大都集中在北方的一些集中空调工程中： 文献 8 通过对北京地区的调研和测试，对多种供暖方式的能耗进行了分析和比较， 指出不同的供暖方式有不同的供热环节，而不同的供热环节的能耗也不同。强调重视不 均匀热损失和供暖系统各个环节的节能。 文献 9 结合具体事例分析了现有的集中供热方式的经济性。通过比较不同集中供热 方式提供的能量数量和品质，表明大型燃油、燃气、燃煤锅炉、热电联产和热泵都具有 较高的能效，而且规模越大，能量利用率越高。并指出燃煤锅炉虽然运行费用和燃料费 用较低，但对环境影响严重，是最不理想的供热方式；太能热泵初投资高，运行费用略 高，但对环境影响很小，是最理想的供热方式。 文献 1 0 针对吉林省某城市集中供热工程，通过研究各个环节能耗状况，分析比较 单位热量能耗指标和单位面值能耗指标，指出供热能耗的重要环节，提出推行节能建筑， 提高建筑的保温水平，降低维护结构的热损失，是目前供热工程节能的重要方向。 文献 1 1 针对长春市某七层住宅建筑，采用e n e r g y p l u s 软件，分析电热膜采暖和土 壤源热泵采暖的能耗情况，得出不同室内温度，不同围护结构形式和不同窗结构下的采 暖能耗。 空调冷热源形式多样，而且冷热源能耗占系统能耗比重大，所以近几年来很多专家 学者针对空调冷热源形式进行了大量的能效分析，为选择合理的冷热源形式指明了一定 的方向。 维持建筑物适当温度所需要的能量，绝大部分可使用称为低炯的能量，即已无法进 行能量形式转换的各类自然冷、热源( 太阳能、地热、江河湖海水等) 。 文献 1 2 就指出维护建筑物所需要的必须的烟( 输送冷、热介质的水泵、风机等的 能耗) 不超过1 5 。也就是说8 5 的供热空调能耗是可以节省下来的，它们是可以通过 各类廉价甚至是免费的方式得到的。 文献 1 3 分析了市场上各类冷热源设备的优缺点，提出了五种不同的设计方案，并 对设备造价和运行费用进行了比较。指出任何一种冷热源都不能尽善尽美，工程中要因 地制宜，综合考虑各方面的因素，合理选择冷热源方案。 文献 1 4 以实际工程为例，从技术水平和综合经济性比较，对现在不同空调冷热源 的选择方案，提出了建议，对于中央空调系统的冷热源选择，推荐使用电制冷机组和燃 气、燃油中央热水器方案。 文献 1 5 用一次能源效率分析比较了几种不同的空调形式，包括：空气源热泵机组、 电锅炉+ 冷水机组、直燃型溴化锂空调机组和地源热泵机组。将不同形式的能量消耗转化 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 到同种的一次能源消耗，使其具有可比性。计算出各种空调形式在冬季工况、夏季工况 和全年综合工况下的一次能源利用率。比较结果，地源热泵空调最节能，空气源热泵空 调的节能性最差。 文献 1 6 对不同冷源的一次能源利用率进行了比较，并且比较了它们对环境影响的 情况。相对来说，离心式冷水机组的一次能源利用率较高，燃气直燃型溴化锂吸收式机 组的污染物排放量较小。 文献 1 7 依据烟平衡分析方法，对空调系统热力学模型中的四个子系统进行了娴分 析，分析了造成空调系统能量利用率低的根本原因，提出了提高能量利用率的措施。 文献 1 8 表示在综合考虑热源“质”和“量的基础上，热辐射系统与普通散热器采 暖系统相比，可节能7 0 左右。低温地板辐射采暖系统的节能，不仅体现在对能量数量的 节约，更表现为对高品位能量的节省。9 5 7 0 供热管网中7 0 的回水可作为低温地板 辐射采暖系统的热源，以充分利用其可用能。 热泵技术也是一种人们常用的节能技术，它的具体形式有很多风冷式、地源式、太 阳能式等等，文献 1 9 通过介绍热泵系统的工作原理、组成及系统形式，分析了热泵系 统的特点和技术经济性，表明热泵是一种环保节能的能源利用技术。 马一太等人 2 0 对压缩式热泵系统常用的炯效率定义式在实际应用过程中存在的 一些不足。即当低温热源为环境时，此定义式合理，否则即使热泵系统内部可逆，系统火甩 效率仍不为l 。一些学者以热泵系统的炯平衡方程为依据，参照炯效率定义方法及烟效 率的基本特征，对压缩式热泵的系统火用效率进行了重新定义。通过对两个不违背炯效率 定义特征的表达式的对比分析，确定了热泵系统合理的烟效率表达式。 大温差技术是降低空调系统输送能耗的新型空调方式，它主要有送风大温差，冷冻 水大温差和冷却水大温差，目前对大温差系统的分析主要有： 文献 2 1 、 2 2 、 2 3 研究了大温差送风系统，推荐了用于空调大温差系统经济分 析的计算方法，对采用送风大温差的办公楼、工厂及商场分别进行经济比较，结果表明 在各种条件下，增大送风温差，空调系统的一次投资和运行费用都减小，同时室内相对 湿度降低，从而提高了热体舒适感，改善了室内空气品质。 文献 2 4 利用风机盘管的性能数学模型，定量的分析了冷冻水大温差对风机盘管的 冷量和去湿能力的影响。 文献 2 5 通过水力计算实例，对比了冷冻水大温差系统与常规空调系统在管径尺寸、 管路阻力、管路初投资以及能耗方面的差异，结果表明，当冷冻水温差1 2 5 较5 c 温 差，管路初投资节省2 0 ，水泵能耗降低5 5 - - - 6 6 。 文献 2 6 殷平对空调冷冻水大温差系统进行了经济性分析，计算了冷水机组、水泵 和空调机组的能耗。结果表明当冷冻水初温等于或大于7 时，1 0 温差与5 温差冷水 机组的能耗基本相同，而蒸发器压降明显减小；冷冻水系统采用1 0 温差比5 温差冷 冻水量减少一半，水泵能耗减小，冷冻水系统初投资减少。 文献 2 7 以某大型商场为研究对象，比较标准温差( 7 c 1 2 ) 与大温差( 7 c 1 7 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 ) 两种工况冷水机组、冷冻水泵、空调末端的运行能耗及初投资，结果表明，该工程 采用大温差具有较好的节能效果，初投资也基本一致。 文献 2 8 以某大型商业广场工程为研究对象，通过对比标准温差( 7 v 1 2 ) 与大 温差( 6 1 4 ) 两种工况的冷水机组、冷冻水泵、空调末端的初投资及运行能耗，指 出冷冻水大温差系统适合于供冷半径比较大的工程。 文献 2 9 针对某空调工程，分别计算了大温差和常规温差下，冷冻水系统和冷却水 系统的媚激率，结果表明大温差设计的炯效率略高于常规温差设计。 综上所述，目前供暖系统的能效分析针对北方地区的工程实例很多，而长江流域以 南的地区分析较少。在空调采暖系统能效分析分析方面，对系统的冷热源优化配置，或 是系统中的某一部分的能耗的分析很多，推广到对各个整体空调采暖系统的分析比较少， 在空调采暖系统的选择上缺乏一个合理的具体的用能依据。对大温差空调系统的研究， 也大都仅仅从能耗的角度进行分析，从炯效率和炯损失方面分析的很少。 1 3 主要研究内容 对不同的空调采暖机组，仅仅用能效系数c o p 来评价其性能的优劣，并不能真实反 映机组效率的高低，因为评价的基准不同，采用一次能源利用率p e r ，将机组消耗的能 源转化为同种一次能源的消耗，可以更准确地反应不同空调采暖机组的能效情况。 空调系统的能效分析不能仅仅从“量平衡的角度，更应该考虑“质 的利用情况， 对能源进行合理的梯级利用，才能真正的达到节能效益。炯平衡分析法就是综合考虑能 量“量 与“质 两个方面，通过炯损失和炯效率的计算，反映空调采暖系统的能源利 用情况。 目前炯平衡分析法在能效分析上应用的很少，对空调采暖系统的炯分析还有很大的 应用空间，本文研究主要有以下几个方面： ( 1 )空调采暖系统炯平衡式的建立，炯损失和烟效率的计算公式。 ( 2 )针对夏热冬冷地区以武汉为例，进行以电为能源的供暖系统的一次能源效率 的计算，定量分析不同热源机组消耗的一次能源情况。 ( 3 )针对夏热冬冷地区以武汉为例，进行以电为能源的供暖系统的炯效率的计 算，从炯效率的角度评价其各自的优劣。 ( 4 )大温差空调系统是近几年出现的新型系统，目前对这种系统的分析主要是对 各子系统的能耗分析上，从炯角度的分析很少。本文提出对大温差空调系统 的烟分析方法。 ( 5 )以一个适宜的工程为例，将常规空调系统改成大温差空调系统，对各个子系 统进行收益炯、娴效率、火用损失的计算，对比结果，分析节能效益。 笫6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章低火用理念及低火用技术 2 1 评价能量价值的物理量火用 由于物质运动形式的不同，能量也就有与运动形式相应的不同形态，如电能、机械 能、化学能、核能以及不规则能等等。不同形态的能量之间，在一定的条件下是可以相 互转换的，如电能在电动机的驱使下可以转换为机械能，机械能在摩擦过程中可以转化 为热能。而且在转换过程中，能量的总量是守恒不变的，既不能创造，也不能消失，在 数量上遵循“能量守恒”定律。若以热能为对象时，能量守恒定律就表现为“热力学第 一定律”。除此之外，各种形态的能量在相互转换时的转换效率是不同的，有的接近1 0 0 ， 有的随转换条件的不同而不同。如电能在理论上是可以完全转换为任何一种形态的能量， 即其转换效率可达到1 0 0 ，而热能在热机作用下转换为机械能的过程中伴随有能量的 损耗，其转换效率不可能接近1 0 0 ，这就说明不同形态的能量其转换能力不同，即其 “质”会有所不同。 不同形态的能量之间具有质的差别，即使是同一种形态的能量也会具有质的不同。 如热能，热能的转换能力是随着温度和压力的不同而不同，最明显的是周围大气介质， 虽然它在数量上具有近乎无限的热能，但在相同的环境条件下，却不能转换为其它形态 的能量。 12 v ，2 3 a h 的 电滟 1 0 0 k j 营 lk g ，4 3 的 热水 图2 1能量的“量”与“质对比示意图 如图2 1 所示，一个是1 2 v ，2 3 a h 的蓄电池，另一个是盛有l k g ，4 3 的热水锅。 这两个系统所具有的能量是同等，都是1 0 0 k j 。但是这个蓄电池所拥有的能量可以进行 几乎所有形式的能量转换，而那锅热水所拥有的能量中可以进行转换的能量只有8 k j 。 因此从转换能力上，人们通常将电能称为高品位能量，而将热能称为低品位能量。另外， i 刊等能量不同温度的水其转换能力也不相同。比如0 2 k g ，1 0 0 的热水同样具有1 0 0 k j 的能量，但其能够进行转换的能量为2 7 ，即2 7 k j 。囚此，只考虑能的“量”而无视能 的“质”的做法，是不对的。 既然能量在转换时具有量的守恒性和质的差异性这两重性质，那么就应该从量与质 的结合上才能f 确评价能的价值。町是长期以来人们习惯于以能的数量的多少来度量能 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 的价值，例如往往笼统的用消耗多少千焦的能量来说明能耗，却不管所消耗的是什么样 的能量。 那么，究竟要用怎样的参数才能正确评价能量的价值呢? 在已有的热力学参数中， 尚没有一种参数可以单独用来正确评价能量的价值。“焓”和“内能”这两个热力学参数， 虽具有能的含义和量纲，其数值的大小可以从数量上反映能的“量 ，但它们并不能反映 能的“质”。例如，工质经历绝热节流过程后，转换为功的能力有所降低，但节流前后工 质的焓值却未改变，因此“焓这个参数不能表明工质所含有的能在“质 方面有什么 不同。同样，工质经历自由膨胀过程后，转换为功的能力也有所降低，但这时工质的内 能值并没有改变，所以“内能这个参数也不能表明工质所具有的能在“质方面的不 同。“自由焓 和“自由能 这两个参数也只是在特定条件下才能反映能的价值，并无普 遍意义。 j n “熵”这个参数是由热力学第二定律推导而出的，是根据克劳修斯等式( 1 = 半= 0 一 ：f j ，1 而得到的，在任意的可逆过程中，积分i 警的值只由初、终两平衡态所决定，而与路径 j 二f a n 无关。对比于力学中的势能，由此引入“熵”，从而得出两平衡态的熵差为丛= r 半， 出ol 它是描述平衡态参量的函数，不是守恒量，只有在可逆过程中熵才会守恒，用“熵”可 以表示一个物体所处状态是否稳定，容不容易改变，并可以判断系统自发过程的方向。 引入“熵”这个参数后，热量分析方便多了，也的确对发展热力学起了很大作用，热力 学基本方程正是由于引入“熵 才得到的，从而还导出各种过程判据以及一系列公式， 使热力学的发展进入一个新的领域。但“熵 还不能正确的评价能量的价值，实际的能 量转换过程总伴随着能量的损失，即转换过程是朝着能质下降的方向进行的。而由热力 学第二定律可知：实际的转换过程也是从热力学几率小的状态朝着热力学几率大的状态 转变，即朝着最无序的状态转变。由统计学得知，状态越无序，熵值越大，也就可得出， 转换过程是朝着熵增加的方向进行的。由上述可知我们可以用熵增来量度能质的下降， 但熵还不能直接规定出能的“质”的大小，它只是粗略地涉及到了能量的“质 ，比以往 只从数量上描述能量的价值有所进步，但它反而不能反映出能量的“量 。 为了解决这个问题，还必须从如何才能表征能量的“质 的方面入手。能量的“质 是与能量转换的能力紧密相关的，而能量转换的能力又受热力学第二定律的约束。因此， 根据能量转换时是否受热力学第二定律的制约，可以将能量划分为三种不同质的类型。 ( 1 )可以完全转换的能量 如电能，机械能等。它们在转化时不受热力学第二定律的约束，理论上可以百分之 百地转换为其它形态的能量，有多少千焦的这类能量，就能转换为同样数量的其他形态 的能量，因而可以直接用它们的数量反映其本身的“质”。它们的“质和“量 是完全 统一的。这种可无限转换的能量比起那些转换程度受热力学第二定律制约的能量形态来 说，是技术上和经济上更为宝贵的能量，常被称为“高品位能量”。从本质上说，它们是 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 完全有序的能量。 ( 2 )可部分转换的能量 如热能，内能等。它们转换为机械能或电能等其他形式的能量时，转换能力受热力 学第二定律的约束，即使在极限情况下，也只能部分进行转换，其余那些无法转换的部 分，虽说有一定的“量 ，而其“质”却极差。因此这类可有限转换的能量，其“质和 “量 往往并不统一。不能单纯用它的数量来度量它的“质 。显然，其“质 的高低取 决于其中可无限转换的能量的多少。从本质上说，这类能量只有部分是有序的，也只有 这些有序的部分才能无限地转换为其他形态的能量。由于这类能量转换程度要受热力学 第二定律的制约，因而通常被称为“低品位能量。 ( 3 )不可转换的能量 如环境介质的内能。它们虽然可以具有相当的数量，但受热力学第二定律的制约， 在环境条件下无法转换为其他形态的能量。 由于能量的转换与环境条件及过程特性有关，为了衡量能量的最大转换能力，规定 环境状态作为基态( 其能质为零) ，而转换过程应为没有热力学损失的可逆过程，在此条 件下，我们可以得出娴的科学定义： 当系统由任意状态可逆转变到与环境状态相平衡时，能最大限度转换为“可完全转 换能量的那部分能量称为烟( e x 铷野) 。 不能转换为炯的那部分能量称为妩( a n e r 劫。 显然，上述分类中第一种能量便是烟，第三种能量为炕，第二种能量包含始鄹妩。 图2 1 所给出的例子中能量的转换能力，即是能量的“炯 的体现。 媚是一种能量，具有能的量纲和属性，但又与能的含义并不完全相同。一般地讲， 能的“量 与“质是不统一的，而炯代表了能量中“量 与“质 统一的部分。各种 形态的能量中都含有一定量的烟。不管哪种形态的能量，其中所含有的炯都反映了各自 能量中“量 与“质 相统一的部分。这样，就可以用火用来评价和比较各种不同形态的 能量。换句话说，炯所具有的这样一种互比性，提供了评价能量的统一尺度，而且这种 统一尺度是从“量与“质相统一的高度进行评价的。它不仅在一定程度上反映了能 的“量 的大小，而且还反映了“质 的高低。所以，正如j h k e e n a i l 等人所指出的那 样，“无论是能量、热、焓或者自由焓，一般地说都不是满意的量度，只有称之为炯的 参数才是合适的量度。”咖1 。 怃也是一种能量，同样具有能的量纲与属性，但在给定的环境条件下，它是理论上 根本无法转换为“可完全转换能量”的那部分能量。 由此我们可以把各种能量看成是由炯和妩的组成，即：能量= 册妩。对于某种形态的 能量，其炯或妩可能为零，例如机械能、电能的j 朊为零，全部为炯；而环境所储存的内 能，其媚膻为零，全部为j 朊。不同形态的能量，其中包含的火用和妩的比例可以各不相同。 显然，能量中含有的炯值越多，其转换为有用功的能力就越大，也就是其“质”越高， 动力利用的价值就越大。这样，能的“质 也就可以定量的用下式表示： 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 e 一能值，k w 。 这里五称为“能质系数 ，它表示每单位能量中所含有的炯值的多少。它本身是一 个无因次量。 2 2 能量利用率 为了确定能量损失的性质、大小与分布，指明提高能量利用率的方向，对系统或装 置所进行的分析，称为能量分析。 能量分析的方法一般可以分为两种： 第一种方法依据的是能量的数量守恒关系，即热力学第一定律。通过分析，揭示出 能量在数量上转换、传递、利用和损失的情况，确定出某个系统或装置的能量利用或转 换效率。由于这种分析方法和由此得出的效率的基于热力学第一定律基础之上的，故称 为“能分析和“能效率 ( 或称“第一种效率 ) 7 7 。 第二种方法依据的是能量中炯的平衡关系，即热力学第一定律和热力学第二定律。 通过分析，揭示出能量中烟的转换、传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的 炯利用效率。由于这种分析方法和效率是基于热力学第一定律和热力学第二定律基础之 上的，故称为“炯分析”和“炯效率( 或称“第二种效率 ) 。 2 2 1 能效率 如图2 2 所示，进入某个系统的能量e 应等于系统对外作的供形和离开系统的热量q 之和，再加上系统内部的能量积累。如果整个系统是稳定的，则系统内部的能量不发生 变化，此时： e = 形+ q 2 - 1 所以能效率应为： 聃：旦：1 一垒 聃2 百2 一盖 2 2 矿 值炯一 露 毋一疋 - ： o 中 力 式 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 世l ! 热置q 图2 2 系统的能量平衡 对于热设备( 如锅炉) ，它的能效率即热效率。热效率表示为输出热量与输入热量 之比。这类设备的热效率一般小于1 。在图2 2 中，形是输出热量，而q 则表示损失的 热量，因此7 7 铲，则 钟 卯( 硝，鲈均为绝对值) 。也就是说，热源a 向外放出的净热量为( 酽一钟) ， 类似地，环境b 吸收的净热量为( 甜一磷) 。 at q 。rvq ，硼 qo rqo i r 图2 5 刁区立系统的炯平衡 对此孤立系统列出船| 平衡式，则有： e i 孤立+ 兀= e 上一+ a e x 口+ 层i r + 层i 上r + = 0 2 2 1 由于工质经历任何循环后恢复到原态，其炯值不变，即峨。= = 0 。冷源b 在温度r o 下吸收的净热量( 骅一姘) 全部为j 朊，所以其炯值不变，即衄岛= 0 。热源 a 在温度丁下放出的净热量为( 骅一饼) ，相应地放出了热量炯，热源本身火甩的减少等 于放出的热量炯，所以： 巾 n = 一衄赢立= ( 卯一饼) ( 卜等) 2 2 2 我们知道一切能量的转换都是朝着烟减的方向进行的，也是朝着熵增的方向进行 的，那么炯损失与熵增之间是否存在着一定的内在联系呢? 下面我们来计算一下此孤立 系统的熵增。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 此系统熵的变化等于热源、环境、可逆机与不可逆机内工质熵的变化的总和，即： 厶s 孤立。= a s a + 蝎b + 鲢r 七怂l r 2 - 2 3 由于工质经历任何循环后其熵不变，即： a s r = 醚i r = 0 2 - 2 4 热源a 的熵变为： a s a ：一趔 2t 2 5 环境b 的熵变为： 峨：氅擘 2 2 6 将式2 - 2 4 、式2 - 2 5 和式2 - 2 6 代入式2 - 2 3 可得： 一华+ 竿 2 乏7 又根据热力学第一定律知：鲈一岔= 酣一硝，代入式2 - 2 7 可得： = 华”争 2 搦 比较式2 - 2 2 和式2 2 8 ，可得出炯损失与熵增的关系式为： n = t o 峨立 2 - 2 9 此式