火用效率和热效率比较

对常用集中供热方式的火用效率和热效率比较

1、常用的集中供热方式

(1) 区域锅炉供热方式。按照热源燃料的不同， 区域供热可分为：燃煤锅炉房集中供热系统、 燃气锅炉房集中供热系统、 燃油锅炉房集中供热系统和热泵集中供热系统。它们的特点和使用范围不同， 因此也具有不同的适用范围， 经济、 社会和节能效益及发展前景。

(2) 热电联产供热方式。热电联产是以热电厂作为热源的供热方式， 即由热电厂产生的能源， 一部分提供电能， 而另一部分提供热能， 它是一项能源综合利用技术。热电联产不仅可以节约能源， 而且在运行时可以减少二氧化碳的排放， 具有节能环保、 供热质量稳定及电力供应增强的综合效益， 和国家可持续发展战略相一致。就经济效益和社会效益方面考虑，热电联产是极好的供热方式， 国家的产业结构政策明确指出:热电联产为鼓励类。

2、火用、火无以及火用效率的引入

火用又可称为有用能，是指当系统由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，即理论上可转化为最大有用功的能。而火无则是不能转化为有用功的能量，即无效能。

火用作为一种评价能量价值的参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量的“价值”，解决了热力学中长期以来没有一个参数可以单独评价能量价值的问题，改变了人们对能的性质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法，提供了热工分析的科学基础。

对于不同供热方式热力学分析， 可以采用热效率， 这种分析方法是如今广泛应用的评价方法。但是热效率只能在数量上反应能量的差异， 而在品质上的差异有所欠缺， 不能全面的反应能量利用的真实情况。因此引入火用效率， 可以在能量平衡时既考虑数量， 也考虑到质量， 采用热效率和火用效率相结合的方法对不同供热方式进行热力学折算， 从而真实的反应出不同供热方式热力学的完善程度。

3、基于锅炉火用效率和热效率之间的联系

火用效率是指在某 一过程(包括循环) 中，体系对外输出的有效火用与所获得的有效火用之比。即

火用效率=体系对外输入的有效火用 / 体系获得的有效火用 =1 - 体系损失的有效火用 / 体系获得的有效火用 即 in

l in out ex ex w

ex ex -==

1η

换句话说，在能量的传递过程中，当输入能量已经确定时，从能量输出的角度分析 最大输出火用=输入火用

故 火用效率=实际输出火用 / 最大输出火用 即 max

out

out

ex ex ex =

η 当输出能量的要求已经明确时，从能量输入的角度分析 最小输入火用=输出火用 故 火用效率=最小输入火用 / 实际输入火用

即 in

in

ex ex ex min =η

以锅炉为例，分析其能量传递过程中的火用效率。

按照上述定义火用效率的原则和火用效率的定义，锅炉火用效率为

bu

ex

tr ex f

f g g f g g f wa st f f wa si bo

ex ex G ex G G ex G G ex ex D ex G ex ex D ηηη∙=∙∙∙∙∙∙-=∙-=

)()( 式中 D ——锅炉蒸发量；

f G 、

g G ——分别为燃料和烟气的质量；

st ex 、wa ex 、g ex 、f ex ——分别为蒸汽、给水、烟气和燃料的火用； bo ex η、tr ex η、bu

ex η——分别为锅炉、传热和燃烧的火用效率；

即 锅炉火用效率=产生蒸汽的火用 / 燃料的火用

=（产生蒸汽的火用 / 燃气的火用 ）* （燃气的火用 / 燃料的火用） =传热火用效率 * 燃烧火用效率 大家十分熟悉的锅炉的热效率为 L

f wa st bo

t Q G h h D ∙-=

)

(η

式中 st h 、wa h ——蒸汽与给水的焓； L Q ——燃料低发热值

即 锅炉热效率=蒸汽吸收的热量 / 燃料燃烧放出的热量

可见，锅炉热效率只反映了能量传递中的数量关系，而锅炉火用效率则进一步表现出了量传递过程中质量变化和不同过程的效益。

从以上锅炉两种效益的比较中，可以很容易地建立起火用效率和热效率之间的联系，从而大大减化了火用效率的计算，使火用分析更加简便易行。

()()()()wa st wa st L f wa st f f L f f f wa st bo ex

h h D ex ex D Q G h h D ex G Q G ex G ex ex D --∙∙-∙∙∙=∙-=η

()()⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛-∙∙=----∙∙=

m o bo t f L wa st wa st o wa st bo t f L

T T ex Q h h S S T h h ex Q 1ηη 式中 st S 、wa S ——水蒸气和给水的熵； wa

st wa

st m S S h h T --=

——锅炉定压加热过程中蒸汽平均吸热温度

又由于 L o L f Q S T Q ex ≈∆+=

故 ⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛-

∙≈m o bo t bo

ex T T 1ηη 这样，便找到了锅炉的火用效率与热效率之间的联系。

4、实例分析

热源形

式 热电联产 大型燃煤锅炉 大型燃气锅炉 大型燃油锅炉 小型燃煤锅炉 小型燃气锅炉 小型燃油锅炉 热泵 热效率 64.8 87.38 90 88 69 85 85 —— 火用效率

46.98

44.23

48.21

45.93

7.01

9.13

8.91

50.07

通过表我们可以看出：虽然每种供热方式的热效率都很高， 但是火用效率却不高， 要想从能质上综合评价需两者都考虑到；不管是大型还是小型区域供热中， 燃气锅炉的火用效率最高， 其次是燃油锅炉和燃煤锅炉；对于大型区域供热火用效率比小型高很多， 因此， 我们可以看出，随着锅炉容量的增大，火用效率越大，被有效利用的功就越多，就意味着更加节能;对于热电联产， 其热效率和火用效率之间的差值较小，说明这种情况下的不可逆损失相对较少，热能利用的效率很高，体现了一定的优势，应该提倡使用;热泵系统的火用效率很高，是一种新型的供热方式，在将来会得到很快的发展。