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1、中央空调系统的火用分析摘要: 依据热力学第二定律的火用分析方法，对空调系统热力学模型中的四个子系统分别进行了火用分析，分析了造成空调系统能量利用率低的根本原因，指出了提高能量利用率的措施。关键词: 空调系统，热力学分析，火用分析，火用效率，节能1.引 言现有的空调系统尽管已经经过了不断改良及完善，但仍然存在许多无法从根本上克服的问题，如：温湿度耦合处理带来的损失、难以适应温湿度比的变化、冷外表滋生霉菌、对流吹风感、盘管送风的噪音以及室内重复安装两套环境调节系统等。因此继续研发高舒适度、节能、低本钱的室内环境调节系统是非常有必要的。建筑节能已成为全球关注的热点，我国的建筑能耗现已占社会总能耗的2
2、030 ，空调能耗又占建筑能耗的5060。不同空调冷热源对空调能耗的影响很大，因此，需要考察冷热源的经济性问题。如何降低空调系统的能耗，节约能源，传统的热力学第一定律分析方法仅从能量的数量上进行分析，存在着有时不能揭示真正薄弱环节和问题实质的缺乏。本文那么尝试利用热力学第二定律的火用分析方法，揭示空调系统能量利用过程中存在的真正薄弱环节，提出提高空调系统能量利用率的根本措施。2.空调系统的热力学模型热力学分析方法在分析中首先要建立实际分析对象的热力学模型。常规的集中空调系统的热力学模型如图1所示。 从图1中可以看出，常规空调系统可以视为由冷却水、制冷机、空气处理和空调对象四个子系统组成，冷却水
3、系统主要由冷却塔与冷却水泵组成，制冷机系统主要由制冷主机组成，空气处理系统那么主要由空气处理机组和冷冻水泵组成，空调对象系统主要由送、回风管道和末端送风装置组成。图1中各符号的含义如下：，分别为冷却塔进出口空气的比焓，kJ/ kg；，分别为冷却水进出口比焓，kJ/ kg；, 分别为冷冻水供回水比焓，kJ/ kg；为新风比焓，kJ/ kg;；, 分别为空调送、回风比焓，kJ/ kg; 为排风比焓，kJ/ kg；为进出冷却塔空气质量流量，kg/s；为冷却水质量流量，kg/s；为冷冻水质量流量，kg/s；为新风质量流量，kg/s；为空调送风质量流量，kg/s；为排风质量流量，kg/s；为冷却塔风机功
4、率，kW；为冷却水泵功率，kW；为制冷机功率，kW； 为冷水泵功率，kW；为空气处理机组风机功率，kW；为末端空气处理设备功率，kW；为冷却塔的散热量，kW；为空调系统冷负荷，kW。图 1 空调系统的热力学模型3.空调系统的火用分析火用分析方法主要涉及热力学参数，属于纯热力学分析，主要分析系统及系统中各局部的火用效率、火用损。对能量利用和转换过程的传统分析方法是热力学第一定律分析方法，对图1所示的集中空调系统热力学模型进行分析，可以看出空调系统实质上就是一个增加了转换环节的电压缩式制冷系统。利用热力学第一定律进行分析，并根据空气质量平衡关系，设空调系统新风量等于排风量，空调系统的热力学第一定律
5、效率指标可以表示为 1热力学第一定律分析方法存在将不同质的能量等量齐观，不能反映热能利用设备的内部损失和揭示真正薄弱环节等缺乏。随着社会节能意识的不断增强，对能量利用过程的分析逐渐采用热力学第二定律的火用分析方。对提高空调系统热力学第一定律效率的分析己有许多阐述，也提供了许多空调系统节能的措施和建议，在此不作赘述，下面着重利用热力学第二定律火用分析法对空调系统节能进行分析。3.1 环境参考点不同于一般的热力学状态函数数值计算中的参考点，火用函数的参考点是一个特定的、理想的外界，它由处于完全平衡状态下的大气圈、水圈和地壳岩石圈中选定的基准物组成，具有其确定的压力和温度，这一状态的火用为零。根据火
6、用参数本质是反映工质的做功能力，而做功能力是工质状态和环境状态的差异造成的这一特，针对空调系统节能分析的具体特点，本文在分析中取室外设计工况室外设计温度、当地大气压力和相对湿度为100%的饱和湿空气为火用参数的环境参考点。但凡与室外设计工况相同的空气和水状态，与环境之间没有差异，也就没有做功的能力，其火用值为零。3.2 空调系统火用分析 针对能量利用系统的火用分析，有两种火用效率表示方法，普通火用效率和目的火用效率。本文采用目的火用效率表示。依据火用值的计算方，对于图1所示的空调系统热力学模型，其热力学第二定律效率，可以表示为空调系统收益火用和消耗火用的比值，即 2式中为室外设计温度，K；为室
7、内平均温度，K；和分别为排风和新风的比熵，。对常规空调系统，将不同的设计参数代入上式后，即可计算出其火用效率。为了进一步深入分析造成空调系统火用效率低的原因，还需要对空调系统的各个子系统进行分析。对图1 所示空调系统，可以写出各子系统的目的火用效率和火用损失的计算公式，见表1 。表中，分别是冷却水进出口比熵，；，分别是冷冻水进出口比熵，；为冷却水的平均温度，K，可以近似取，其中，为冷却水进、出口水温；为冷冻水的平均温度，K，可以近似取，其中，为冷冻水供、回水温度；为送回风平均温度，K，可以近似取，其中，为送、回风温度；为空气处理机组冷负荷，kW，；为制冷机组供冷量，kW，。3.3 冷却水系统分
8、析 造成冷却水系统火用损失的内部原因是传热和传质的不可逆，外部原因是冷却水系统的放热未得到利用。因此，提高冷却水系统的火用效率在于减小传热温差、提高传热效率和充分利用冷却水系统的放热。在这方面，冷却水放热量的利用也越来越被人们所重视，例如利用空调系统冷却水的放热来加热生活热水。就如同以往将仅用于发电的电厂改造成既供电又供热的热电厂一样，制冷系统的能量利用方式最好是冷热兼供，只有这样才能做到能量的梯级利用，各取所需。3.4 制冷机系统分析 制冷机系统的火用损失主要发生在压缩机的不可逆压缩、膨胀阀的绝热节流和冷凝器、蒸发器的温差传热过程中。提高制冷表格 1 各个子系统的目的火用效率和火用损失的计算
9、公式系统目的火用效率火用损失冷却水系统制冷机系统空气处理系统空调对象系统机系统的火用效率在于减少压缩机耗功和降低传热温差。随着压缩机性能的不断改良，制冷装置的火用效率会不断地提高。采用系统分析中的“黑箱法，把冷源空凋机组、水泵、冷却塔看作一个黑箱系统，在黑箱的边界上只有能源的火用输入、冷量火用的输出以及整个过程的火用损失。但问题的关键在于其提供的冷量如何与空调系统所需冷量进行质量上的匹配。例如，通常冷水出口温度为7左右，而空调房间的温度为27左右，存在20的温差，有着较大的火用损失。随着技术的不断进步，还需要研究真正适合空调系统的制冷方式和制冷剂。3.5 空气处理系统分析 造成空气处理系统，火
10、用损失的主要因素是冷水泵、风机的输送能耗和换热温差。减少输送能耗己引起了人们的关注，例如变风量送风和低温送风技术的应用，但在降低送风温差和减少流动阻力损失方面还有许多工作要做。我国从日本引进的多联式变频空调系统进行制冷剂直接循环，减少了输送介质的输送能耗。3.6 空调对象系统 提高空调房间的火用效率，在于降低送风温差和减小空调末端设备的耗功量。目前提出的大流量和小温差的置换通风方式、独立新风系统和毛细管顶板辐射供冷系统恰恰是迎合了这一方面的要求，是降低送风温差、提高火用效率的积极尝试。4.节能性分析在空调系统中，对空气的降温处理要求冷源的温度低于房间空气的干球温度，对空气的除湿处理那么要求冷源
11、的温度低于房间空气的露点温度。传统空调系统使用同一冷源对空气进行降温和除湿处理，因而可能造成能源品位的浪费。传统空调系统采用冷凝方式对空气进行除湿，与此同时对空气进行冷却，其吸收的显热与潜热比只能在一定的范围内变化。当建筑物实际需要的显热潜热比在较大的范围内变化时，往往不能满足实际需要。这样，要解决空气处理的显热与潜热比与室内热湿负荷相匹配的问题，就必须寻找新的除湿方法，实现不依赖于温度的“独立除湿(Humidity Independent Contro1)。而毛细管顶板系统那么较好的做到了这一点：由独立新风除湿系统来承当湿负荷及潜热热负荷，室内的辐射末端负责去除显热。供水温度的变化会使系统的
12、效率大为提高。另外毛细管空调末端系统还可以和任何形式的冷热源结合使用，尤其是与土壤源热泵、闭式地表水水源热泵以及空气源热泵等配套使用。夏季可以采用地下水直供，不需要开启机组制冷，节能效果更明显。毛细管网栅在热交换过程中几乎没有能量损失。水温与室温相近，从而在最大程度上减少了能源消耗。5.结 论 随着人类活动对生态环境的改变和破坏的日益加深，己经非常有必要重新审视空调制冷技术的应用给人们带来的利与弊。本文利用热力学第一定律的分析方法，对常规空调系统进行了分析，得出以下结论。5.1 从节能和环保的观点看，传统的空调方式在能量利用方面有许多不合理性，其消耗的是大量高品位的机械能，而换取的却是低品位冷
13、量，能量的质量不匹配。要实现空调系统的真正节能，不仅仅是从数量上节约，更重要的是要做到能质匹配，从用能方式上进行本质的改变。应探讨尽可能大量地使用低品位的能量，例如天然冷源，做到能质匹配。日前正在推广和应用的较高温度低温水大面积冷辐射吊顶技术，正是这方面的一种表达。5.2 输送能耗占空调能耗的比例较大，要从输送方式、气流组织方式上研究、开发和推广新的空调方式。例如，直接制冷剂系统和独立新风系统新技术。5.3 空调房间的损失较大的原因在于输送和利用的能质的不匹配。应在减小温差和增大流量之间进行合理选择。5.4 合理的空调系统，仅利用冷或热都是不尽合理的，应该是冷热兼用，例如制冷系统冷凝热和排风余热的利用等。参考文献 宋之平，王加漩.节能原理.北京：水利电力出版社，1985 朱明善.能量系统的分析.北京：清华大学出版社，1985 傅秦生.能量系统的热力学分析方法.西安：西安交通大学出版社，2005 陈宏方.高等工程热力学.北京:高等教育出版社，2003
