1、天津城市建设学院高等工程热力学结课论文空调系统热力学分析专业：建筑与土木工程学号：12103085213121姓名：刘 洋日期：2013-5-19空调系统热力学分析摘要：依据热力学第二定律的 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，对一实际空调系统进行了分析与计算。关键词：空调系统 分析 效率 节能Thermodynamic Analysis and Energy Saving for Air Conditioning SystemsAbstract: Based on the exergy analys
2、is method of the second law of thermodynamics, carries out the exergy analysis for four subsystems in the thermodynamics model of an air conditioning system. Analyses the reason causing low energy efficiency of the air conditioning system, and points out some measures for raising the energy efficien
3、cy. Make exergy analysis and calculation for an actual air conditioning system.Keywords: air conditioning system, exergy analysis, exergy efficiency, energy saving0 引言能源的有效利用是当今世界的重大研究课题。在我国，建筑能耗占全社会总能耗的比例已经接近 30，而空调能耗又是建筑能耗的主体，而且所占的比例会越来越大。因此从整体角度研究空调系统能量利用的合理性、有效程度和各种损失就变得越来越重要。如何降低系统的能耗，节约能源，传统的热
4、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不足。本文则尝试利用热力学第二定律的分析方法，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。1 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。图 1 空调系统热力学模型从图 1 中可以看出，常规空调子系统可以视为有冷却水、制冷机、空气处理器和空调对象四个子系统组成，冷却水系统主要由冷却塔和冷却水泵组成，制冷机系统主要有制冷主机组成，空气处理系统则主要由空气处理机组和冷却水泵组成，空调对象系统主
5、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：h 1，h 2 分别为冷却塔进出口空气的比焓，KJ/kg；h 3，h 4 分别为冷却水进出口比焓，KJ/kg；h 5，h 6 分别为冷水供回水比焓， KJ/kg；h 7 为新风比焓，KJ/kg；h 8，h 9 分别为空调送、回风比焓， KJ/kg；h 10 为排风比焓，KJ/kg；G ac 为进出冷却塔空气质量流量，kg/s；G c 为冷却水质量流量，kg/s；G f为冷水质量流量，kg/s；G an 为新风质量流量，kg/s；G ag 为空调送风质量流量，kg/s； Gav 为排风质量流量， kg/s；W 1 为冷却塔风机功率，
6、kW ；W 2 为冷却水泵功率，kW； W3 为制冷机功率， kW；W 4 为冷却水泵功率， kW；W 5 为空气处理机组风机功率，kW ；W 6 为末端空气处理设备功率， kW；Q k 为冷却塔的散热量，kW；Q 1 为空调系统冷负荷，kW 。2 空调系统的 分析对能量的利用和转换过程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效率指标 可以表示为：654321710an)(WWhGQI 热
7、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不足。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 分析方法 1。2.1 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，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，质疑状态的 为零。根据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别造成的这一特性 2，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
8、饱和湿空气为 参数的环境参考点。凡是与室外设计工况相同的空气和水状态，与环境之间没有差别，也就没有做功的能力，其 值为零。2.2 空调系统 分析针对能量利用系统的 分析，有两种 效率表示方法，普通 效率和目的 效率，本文采用目的 效率表示。依据 值的计算方法 34，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 可以表示为系统收益 和消耗 的比值，即：654321710710n01 )()()( WWsThGTQan式子中，T 0为室外设计温度，k；T n为室内平均温度，k；s 10和 s7分别为排风和新风的比熵，KJ/（kgk） 。对常规空调系统，将不同的设计参数带入上式后，即可
9、计算出其 效率。为了进一步深入分析造成空调系统 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 所示的空调系统可以写出各个子系统的目的 效率和 损失的计算公式，如下所示：冷却水系统 效率和 损失计算公式为： 21021340341 )()()( WTQWsThGmkc ，)(1021, mkx TE制冷机系统 效率和 损失计算公式为： )1()()()( 0320340343 56562, mkfWf TQWsThG )1()1(20032, mfmkx TQE空气处理系统 效率和 损失计算公式为： 542003, )1()(WTQmf ss)1()( 054203, msmfx
10、 TQE空调对象系统 效率和 损失计算公式为：60014)(WTQsn，)1()1( 01604, nsx TE式中 s3，s 4分别为冷却水进出口比熵，KJ/（kgk） ；T m1为冷却水的平均温度，k，可近似的取为 Tm1=（T 3+T4）/2，其中 T3,T4为冷却水进、出口水温；Tm2为冷水的平均温度，k，可近似的取为 Tm2=（T 5+T6）/2，其中 T5,T6为冷水供、回水温度；T ms为送回风的平均温度，k，可近似的取为 Tms=（T 8+T9）/2，其中T8,T9为送、回风温度；Q s为空气处理机组冷负荷，kW，Q S=Gag（h 9-h8） ；Q f为制冷机组供冷量，kW，
11、Q f=Gf（h 5-h6） 。2.3 冷却水系统分析造成冷却水系统 损失的内部原因是传热和传质的不可逆，外部原因是冷却水的放热未得到利用。因此，提高冷却水系统的 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监供，只有这样才能做到能量的梯级利用，各取所需。2.4 制冷机系统分析制冷机系统的 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。提高制冷机系统的 效
12、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进，制冷装置的 效率会不断提高。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 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。2.5 空气处理系统分析造成空气处理系统 损失的主要因素是冷水泵、风机的输送能耗和换热温差。减少输送能耗已引起人们的关注，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
13、送介质的输送能耗。2.6 空调对象系统提高空调房间的 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 效率的积极尝试。3 计算算例为了验证热力学第二定律的 分析方法，针对一实际空调工程系统进行了 分析与计算 5。3.1 已知条件本工程位于北京经济技术开发区，为一座综合办公楼，总建筑面积80091。冷源：采用普通电制冷方式，3 台大容量离心式冷水机组配 1 台小容量螺杆式冷水机组；热源：采用区域热网集中供热；风系统：大空间采用全空气系统，小房间采用风机盘管加新风系统。系
14、统运行参数见表 1.表 1 空调系统运行参数空调室外计算温度 t0/ 33.2 制冷机功率 W3/kW 1554冷却塔进/出口水温/ 37/32 冷水泵功率 W4/kW 242.5冷水供/回水温度/ 7/12 平均送风温度 ts/ 18冷却塔风机功率 W1/kW 73.4 空气处理机组风机功率 W5/kW 2171.4冷却水泵功率 W2/kW 330 空调冷负荷 Q1/kW 8128冷水质量流量 Gf/(kg/s) 395.6 末端空气处理设备功率 W6/kW 4554.7冷却水质量流量 Gc/(kg/s) 494.4 室外平均温度 tn/ 263.2 计算结果利用表 2 给出的数据和表 1
15、给出的计算公式，经过计算得到以下结果，见表 2。表 2 计算结果系统 目的 效率/ 损失 损失率/冷却水系统 10.94 359.3 13.9制冷机系统 43.40 904.5 35.1空气处理系统 31.30 929.4 36.0空调对象系统 33.50 386.3 15.0整个空调系统 7.10 2579.5 100表中， 损失率的计算公式为（3）41iixkk，E4 结论随着人类活动对环境的改变和破坏的日益加深，已经非常有必要重新审视空调制冷技术的应用给人类带来的利与弊。本文利用热力学第二定律的 分析方法，对常规空调系统进行了分析，得出了以下结论：1 从节能环保的观点看，传统的空调方式在
16、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的冷量 ，能量的质量不匹配。要实现空调系统真正意义上的节能，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。应探讨尽可能大量的使用低品位的能量，例如天然冷源，做到能质匹配。目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，正是这方面的一种体现。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。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，因在减小温差和增大流量之间进行合理选择。4 合理的空调系统，仅利用冷和热都是不尽合理的，应该是冷热兼用，例如制冷系统冷凝热和排风预热的利用。参考文献1宋之平, 王加璇 . 节能原理 M. 北京:水利电力出版社, 19852朱明善. 能量系统的 分析M. 北京:清华大学出版社, 19853傅秦生. 能量系统的热力学分析方法 M. 西安: 西安交通大学出版社,20054陈宏方. 高等工程热力学M. 北京: 高等教育出版社, 20035宋孝春. 民用建筑制冷空调设计资料集 M. 北京:中国建筑工业出版社,2003
