148天棚辐射采暖供冷系统的火用分析

天棚辐射采暖供冷系统的火用分析

青岛理工大学周昂王刚刘国丹

摘要：天棚辐射采暖供冷技术是一种新型的采暖供冷技术。本文首先通过建立能量平衡方程和火用平衡方程，确定能量利用率和火用效率的计算公式，然后对计算结果进行分析，得出火用分析方法更能反映能耗的实质，而且该技术提高火用效率的关键因素是供回水温差。天棚辐射采暖供冷技术在供水温度设为定值的前提下，针对不同埋管管径的系统，供回水温差可经过优化达到双赢的目的。夏季设计工况运行时，火用效率最低为74.89％左右，比优化之前高出19.1％，冬季设计工况运行时，火用效率最低为63.1％左右，比优化之前高出18.6％。由此可见该技术具有很大的节能潜力。

关键词：天棚辐射采暖供冷技术火用效率

Exergy analysis of the ceiling radiant cooling and heating system

Abstract :The ceiling radiant cooling and heating system is a kind of new technology .To evaluate the energy-saving potential of the ceiling radiant cooling and heating system, calculating formulas of energy utilization efficiency and exergy efficiency are obtained based on balance equations of energy and exergy. According to the analysis of the results, it can be concluded that exergy analysis method can reflect the principle of energy consumption better.Key factor of improving the exergy efficiency of the system is the temperature difference of water supply and return. Temperature difference of water supply and return is optimized assume that the water supply temperature and pipe diameter are determined. In summer, the exergy efficiency is about 74.89% which increases by 19.1% compared with the unoptimized result when the system is running in the designed condition. In winter, the exergy efficiency is about 63.1% which increases by 18.6% compared with the unoptimized result when the system is running in the designed condition.So we can conclude that this technology has great potential in energy efficiency.

Keywords: Ceiling radiant cooling and heating system; Exergy analysis; Energy efficiency

1前言

随着社会的进步和人民生活水平的提高，人们的节能意识也在不断加强，同时中国国民经济和社会发展"十一五"规划将环保和节能列为两项重要任务来完成，社会各个领域节能工作已广泛展开，科研工作者在用各种能量利用评价理论方法为合理用能和节约用能指明着方向。火用分析便是其中方法之一。火用是在能源科学领域中广泛用来评价能量利用价值的参数，它把能量的量和质结合起来评价能量的价值，着重分析能质的退化，找寻节能的关键所在。天棚辐射采暖供冷技术是一项新型的采暖制冷技术。该技术就是将聚丁烯管敷设在楼顶板内，通过管中水的循环对楼顶板进行加热或降温，从而形成冷辐射或热辐射面，传热以辐射传热为主，并可在满足除湿需要的条件下配置新风系统。

图1 辐射天棚结构图

下面将分别从能量分析和火用分析两个方面，给出天棚辐射采暖供冷系统的能量效率和火用效率，然后根据分析的结果找寻提高用能效率的有效途径。最后与同类系统进行对比，给天棚辐射采暖供冷系统是否具有更大的节能优势下个定论。 2 天棚辐射采暖供冷系统的能量分析和火用分析 2.1能量分析

依据热力学第一定律，天棚辐射采暖供冷系统能量平衡式为：

12s E E E Q =++ 1E ：输入工质焓值，kJ ； 2E ：输出工质焓值，kJ ；

s E ：收益能，kJ ；

Q ：热量损耗，kJ 。

因为天棚辐射采暖供冷系统中在埋管楼板上面加设导热系数很小的保温板，再加上地面装饰层的保温效果，所以热量损耗项Q 可忽略不计，因此能量效率为：

12

11

100s E E E E E η-=

收益能＝＝＝％支付能

由此可见能量分析得出的结果为该系统用能效率为100％，即使在实际情况中热量损耗

存在的情况下，系统用能效率也有90％多。 2.2 火用分析

依据热力学第一、二定律，天棚辐射采暖供冷系统火用平衡方程式为：

12s q Ex Ex Ex Ex L =+++

1Ex ：输入工质的焓火用，kJ ；

2Ex ：输出工质的焓火用，kJ ； s Ex ：收益火用，kJ ； q Ex ：损失的热量火用，kJ ；

L ：火用损失，kJ 。

同样是因为天棚辐射采暖供冷系统中在埋管楼板上面加设导热系数很小的保温板，同时还有地面装饰层保温隔热效果的缘故，在此不计损失的热量火用。在天棚辐射采暖供冷系统中，我们近似认为埋管进出口压力相等P 1＝P 2，所以因为摩擦生热不可逆过程造成的火用损失L ，也忽略不计。所以系统火用平衡方程式简化为：

12s Ex Ex Ex -=

由此可见，收益火用为输出工质与输入工质的焓火用之差，所以单位质量工质的收益火用为：

121001020020120121

1202

()()()()

()()()ln

xs x x p p e e e h h T s s h h T s s h h T s s T c T T c T T =-=-----+-=---=--【2】

其中1P ：埋管进口侧压力，Pa ；

2P ：埋管出口侧压力，Pa ；

0T ：室内设计温度（夏季：26℃，299K ，冬季：20℃，293K ）； 1T ：进口处水温，K ；

2T ：出口处水温，K ； 1h ：进口处水的焓值，kJ/kg ； 2h ：出口处水的焓值，kJ/kg ； 0h ：水的环境状态焓值，kJ/kg ； 1x e ：进口处单位质量水的焓火用，kJ/kg ；

1

11000

()ln

x p p T e c T T T c T --＝【4】

；

2x e ：出口处单位质量水的焓火用，kJ/kg ；