169空调节能技术的热力学分析与思考

空调节能技术的热力学分析与思考

山东建筑大学 戎卫国 孟繁晋

摘要 利用热力学原理和火用分析方法，对目前应用的几种常用空调系统节能技术进行了能量分析和火用分析，得出了对于空调系统节能技术进行全面、合理的科学分析与评价方法，对于推广与使用空调节能技术具有一定的指导意义。

关键词 空调节能 热力学分析 评价

空调系统节能已经成为人们关注的热点，在政府号召和市场经济的推动下，不断有新的空调系统节能技术被推出，如：热电联供技术、地源热泵技术、热电冷三联供技术等。但是节能也是要花费代价的，如何用正确的理论指导和评价新出现的空调节能技术，避免走入误区，在当前已成为一个紧迫和重要的问题。

1 空调节能技术分析的热力学原理

依据热力学第二定律的观点来看：因为能量是不生不灭的，用能过程损失的是能量的质量而不是数量，对于空调系统的节能技术分析，不能“等量齐观”，而要“按质论价”；不仅要注意外部损失，更要注意内部损失的分析。因此对于空调系统节能技术的科学、合理的分析与评价方法应采用火用分析与评价方法。

按照热力学分析问题的方法，对于空调节能技术的分析首先应划分热力学系统并确定其性质。对于空调系统中的多数问题可以看作稳定流动体系（见图1所示）。对照图中所示，忽略动能与位能变化，

其火用平衡关系式表示如下[1]

：

0,,,,21=-+-+L X A H X H X Q X E W E E E （1）

火用效率：

exp

,,x eff x ex E E =

η （2）

上式中，eff x E ,为有效利用的火用；exp ,x E 为消耗的火用。

,T 0环境2 图1 稳定流动体系的热力学模型

火用分析与评价方法与能量分析方法的最大区别是将不同形式的能量折合成相同形式的能量进行分析与比较；不仅可以揭示用能过程的外部损失，也可以揭示能量利用过程的内部损失。按照火用分析方法，

节能的基本原则是“分配得当，各得所需，温度对口，梯级利用”，尽量减少用能过程的火用损失[2]

。空调系统供给能量属于低品质的热能，可是传统的空调系统大量使用的却是高品位的燃料和电能，把高品位能源“大材小用”,造成很大的火用损失,这才是真正的最大的浪费，空调冷系统节能，本质上是节火用。 2 空调节能技术的热力学分析与思考

2.1 热电联供与热泵技术的热力学分析与思考

采用燃煤、燃油、燃气锅炉直接供暖都是直接将高品质能量转换成低品质热能，按照能量梯级利用和温度对口的节能原则，都是不合理的。符合节能原则的节能技术应该是热电联供技术和空气源、地源热泵技术。热电联供与热泵供暖又有何不同呢？ 2.1.1 热电联供与热泵供暖的热力学原理

热电联供技术与单独发电热泵供暖技术，两者均符合热力学用能原则，其差别仅仅是前者是能量在

热电厂内集中搭配，后者是在用户处就地搭配[3]

。

图2 热电联供与热泵供暖原理图

对照图2分析，对于可逆循环可以得到：

1

2

1

2T T Q Q = （3） 若取；11'Q Q =，11'T T =， 2'2T T < 则：

2'

0W =12''22'00022'11()0T T W W W Q Q Q T ⎛⎫

-+-=-=> ⎪⎝⎭

（4） 利用多输出的功带动热泵供热，则有：

2'22'1''2011

H H L T T T

Q W Q T T T ε-=⋅=

⋅⋅- （5）

当2H T T =，2'L T T =时：

2

1''121

T Q Q Q T =

= （6）

即：对于可逆循环，在相同的供热温度和冷源温度条件下，利用单独发电较热电联供多发出的电，带动热泵供暖，可以达到与热电联供的同样效果；同时也不难证明：其它条件不变，当2H T T >时1''2Q Q >和2'L T T >时1''2Q Q >。表明热电联供技术与单独发电热泵供暖技术相比是否节能，还要看运行条件，即使用场合。

2.2 热电联供与热泵技术的热力学分析与思考

为反映实际，取某热电厂的抽气式热电机组的热电联供和单独发电热泵供暖两种实际运行工况进行分析。汽轮机为C12-35/10抽凝式汽轮机。 2.2.1 热电联供的热力学分析

为满足用户需要和克服管网阻力损失，该机组热电联供时额定功率为12000kw ；主蒸汽压力和温度为3.43MPa ，435℃；额定进汽量102.1T/H ；抽汽压力和温度为0.98MPa ，305℃；额定抽汽60T/H ；凝

汽真空压力和温度为－0.096MPa ，55℃[4]

。按照热力学分析问题的方法，首先给出热电联供系统的能 （火用）流图，又根据实测运行参数，按照（1）式和（2）式计算求得各能量转换与传递环节的能量效率和火用效率，如图2所示。

图2 热电联供能（火用）流图

注：括号外为能量效率，括号内为火用效率，以下同。

则其总能源利用效率为：58.3％，火用效率为：21.2％。 2.2.2 单独发电热泵供暖的热力学分析

为了与热电联供系统进行比较，取与热电联供系统相同机型的抽凝式汽轮机组进行单独供电热泵循环实际工况分析。

该机组单独供电时额定功率为12000kw ；主蒸汽压力和温度为3.43MPa ，435℃；额定进汽量57.7T/H ；凝汽真空压力和温度为－0.085MPa ，60℃。根据实测参数，该系统各个能量转换与传递环节的能量效率和火用效率如图3所示。

图3 单独发电热泵系统能（火用）流图

则其总能源利用效率为：57.5％，火用效率为：19.9％。

考虑到由于机组主要用于热电联供，额定功率较小，发电效率低（仅有24.1%），而一般火力发电厂的凝汽式汽轮机组的发电效率可达30%以上，加上集中供热不便于调控，所以热电联供较单独发电热泵供暖并没有明显的优势。

总之，空调系统的节能，不能只看形式和表面现象、能量的数量关系，要看实际运行环境和条件、能量的质量差别。不能一味的认为凡是热电联供就一定节能，片面的一味提高抽汽压力和温度，以致出现以热抑电现象，这样就失去了热电联供的本来意义。 2.3 地源热泵技术的热力学分析与思考

热泵技术是一种符合热力学用能原则的节能技术，但是目前热泵的运行方式通常是单独制热或单独制冷，冷热兼用的运行方式较少，按照热力学用能原则这也是需要进一步改进的地方。

按照取冷方式不同，常用的有风冷冷水机组、水冷冷水机组和地源(含水源、土壤源)热泵技术，目前最为推崇的是地源热泵技术，但是在宣传地源热泵技术时，有些人往往掩盖其一些不利因素影响，例如水泵输送能耗的影响，夸大了此项节能技术的优势，缺乏客观、公正的评价。

地源热泵技术与风冷冷水机组、水冷冷水机组制冷技术的本质差别仅仅是冷却水侧的冷却方式、运行参数的不同。地源热泵机组利用土壤和水中储存的冷量，使得冷却水侧的冷水温度降低，进而使制冷剂冷凝温度降低，提高了制冷系数，节省了功量。但是，随之也带来了循环水泵的耗功量增大，况且这部分功量属于高品质能量，而增加的冷量属于低品质能量，因而当循环水泵的功耗过大时，地源热泵此

项节能技术的节能效果和经济效益就要降低，使用地源热泵技术也一定要考虑运行环境条件的影响[5]

。

计算举例如下：取制冷工况时，环境干球温度35℃，湿球温度24℃。水冷冷水机组冷却水进出口温度为30/35℃、水源热泵机组冷却水进出口温度为18/29℃、土壤源热泵机组冷却水进出口温度为和15/32℃，冷冻水进出口温度均为12/7℃。为了分析问题的需要，假设四种机组用户端的阻力相同。机组的性能参数：性能系数＝制冷量/（制冷机能耗＋冷却水系统能耗＋冷冻水泵能耗）,

火用效率=冷量火用/（制冷机能耗＋冷却水系统能耗＋冷冻水泵能耗），其余参数见下表1。

注：（1）表中参数均取自实际机组样本

。

（2）冷量火用计算公式为：)1(

,0

-=p

L L XQ T T Q E L ，式中L XQ E 为冷量火用，L Q 为额定工况下的制冷量，3080=T k 为环境干球温度，2

,,,h

L j L p L T T T +=

k ，j L T ,为冷冻水进水温度，k ；h L T ,为冷冻水回水