1、.基于火用分析的家用空调系统冷凝热回收技术的节能研究河北工程大学 张伟捷 高彦兵新奥集团 魏艳萍摘要 本文指出了传统的热平衡分析方法在能源利用效率分析时的缺陷，指出了火用分析方法在能源利用效率分析时的优势，建立了常规压缩式风冷家用空调系统和改装的带冷凝热回收装置的家用空调系统的火用分析模型，基于火用分析方法对常规压缩式风冷家用空调系统和改装的带冷凝热回收装置的家用空调系统两种工作过程进行热力计算，在此基础上对这两种工作过程分别进行火用分析，并将分析结果加以对比。分析结果表明，带冷凝热回收装置的家用空调系统的运行模式对改善机组性能及节能均有积极意义。关键词 制冷循环过程； 火用损失；循环火用效率
2、；EES 0 引言随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，家用空调已进入千家万户，空调耗能总量剧增，如何有效地降低空调耗能，缓解能源供应的压力，已日益显得重要。在这其中一项重要的工作就是对如何提高制冷系统的能源效率进行研究。当前能源利用效率的研究主要使用两种方法：一是基于热力学第一定律的热平衡方法，二就是基于热力学第二定律和第一定律的火用分析方法 1。热平衡分析方法的特点是不同质的能量在数量上的平衡，只考虑了量的利用程度，反映的只是量的外部损失。它为节能研究指明了一定的方向，但是由于热平衡分析方法无法揭示系统内部存在的能量“质”的变化和损耗，不能深刻揭示能量损耗的本质，而且由于能效率的分子分母
3、常常是不同质的能量的对比，不能科学地表征能的利用程度，在此情况下，就需要进一步对其做火用分析 2。本文基于火用分析方法，利用 EES 编写程序对常规压缩式风冷家用空调系统和改装的带冷凝热回收的家用空调系统两种工作过程进行热力计算，并在此基础上做对比火用分析，揭示两种不同制冷系统中各部位火用损失的类型和数量，以便找出并推荐使用火用效率高的制冷系统，从而实现家用空调系统的节能优化。1 火用分析方法火用分析方法依据的是能量中火用的平衡关系，即热力学第一和第二定律。通过分析，揭示出能量中火用的转换、传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的火用利用效率。由于这种分析方法和评价指标是基于热力学第一和第
4、二定律基础之上的，故称为“火用方法”和“火用效率” 。火用分.析方法比热平衡分析方法更科学、更深入、更全面。它综合考虑了能量的量与质，将不同形式、不同量和质的能量统一到做功能力这个统一的尺度下面，所有形式的能量就有了统一的度量，就有了可比性。它除考虑量的利用程度之外，还考虑了质的匹配，反映的是量和质两方面的损失。火用分析方法真正指明了节能措施的方向，因此火用分析方法在制订能源长期规划过程中具有重要的指导作用。2 家用空调制冷系统的火用分析常规空冷家用空调系统是能连续地提供冷量的生产装置，冷量就是它的“产品” 。而对于改装的带冷凝热回收装置的家用空调系统，除了冷量为其“产品”外，回收的冷凝热也为
5、其“产品” 。在实际的家用空调系统中，蒸汽压缩式制冷方式应用最广，下面就对这种空调制冷装置进行火用分析。2.1 火用分析模型的建立基于逆卡诺循环的空调冷热源工作流程通常由以下几个过程完成：（1）循环工质从低温热源吸收热量的过程；（2）循环工质向高温热源排放热量的过程；（3）循环的能量补偿过程。结合当前家用空调中普遍采用的制冷系统，建立以下的灰箱模型，如图 1 所示。环境温度为 T0，环境压力为 P0，蒸发温度为 TL，冷凝温度为 TH，制冷剂从蒸发器吸取冷量为 QL，制冷剂由冷凝器放热到空气或冷却水的热量为 QH，系统的供给火用为压缩机的耗功 Wc，制冷剂向空调房间输出的冷量火用为 E X，Q
6、L ，制冷剂在冷凝过程中放出的热量火用为 E X，QH ，制冷剂在点 1，2，3，4 处的火用分别为 E x1， E x2， E x3， E x4, 制冷剂在压缩机，冷凝器，节流阀，蒸发器的火用损分别为 E x,L，C ， E x,L，Con ， E x,L，Th ， E x,L，Ev ，制冷剂在点 1，2，3，4 处的焓分别为 H1， H2， H3， H4，制冷剂在点 1，2，3，4处的熵分别为 S1， S2， S3， S4。x 压缩机节流阀 冷 凝 器蒸 发 器， ， Con， L， Ev， Q， ， Th ， ，csO图 1 蒸汽压缩制冷装置的火用分析模型 图 2 蒸汽压缩制冷循环 T-
7、s 图为了便于分析，对以上的火用分析模型做如下假设：（1）循环工质在冷热源系统中的流动为稳态流动过程；（2）循环工质在冷凝器内为定压放热过程，在蒸发器内为定压（定温）吸热过程，循环工质在连接管路中的流动阻力损失可忽略不计；（3）压缩机的压缩过程和节流阀的节流过程都为绝热过程；（4）在冷凝器和蒸发器的出口侧流动工质的状态都为饱和状态。根据以上假设，可画出工质在空调冷热源设备中工作的 T-s 图，如图 2 所示。12 s 为定熵压缩过程，12 为实际不可逆压缩过程，22 s3 为定压放热过程，34 为绝热不可逆节流过程，41 为定压（定温）吸热过程。2.2 各单元设备的火用效率和火用损失系数.2.
8、2.1 压缩机压缩机的火用效率为 e， C 1cxWE2cCLx,火用损失为E x,L，C Wc+ E x1 E x2火用损系数为1cLx,cx122.2.2 冷凝器冷凝器为一换热器，制冷剂在冷凝过程中放出的热量火用为 E X，QH 。E X，QH QH （ H2 H3）T01T01如果采用常规空冷家用空调系统，这部分火用是被空气带走散失到环境中的外部火用损；如果采用改进的带水冷式冷凝热回收装置的家用空调系统，这部分火用被用来循环加热自来水，提供生活热水。E X，QH 又是用来评价冷凝器冷凝效果的一个量，显然 E X，QH 越大，冷凝效果越好，冷凝器的火用效率越高。一般情况下，在忽略制冷剂流动
9、阻力的条件时，不讨论冷凝器的火用效率，仅计算其火用损失和火用损失占整个火用代价（压缩机耗功）的比例广义火用损失系数。如果采用常规空冷家用空调系统，冷凝器的火用损为E x,L，Con E x2 E x3 H2 H3 T0（ S2 S3） QH T0（ S2 S3）其中外部火用损为E x,L，Con，out QH T01内部火用损为E x,L，Con，in E x,L，Con E x,L，Con，out 320STQH冷凝器的火用损系数为 cHcConLxonWSTQ320, 如果采用改进的带水冷式冷凝热回收装置的家用空调系统，热量火用 E X，QH 被用来循环加热自来水，提供生活热水。冷凝器的火
10、用损为E x,L，Con E x2 E x3 E X，QH H2 H3 T0（ S2 S3） QH T0132STH.冷凝器的火用损系数为cConLxonWE,320STQHcH2.2.3 节流阀制冷剂在节流阀中进行的是节流过程，节流前、后焓值相等，即 H3=H4。节流阀的火用损为E x,L，Th E x3 E x4 H3 H4 T0（ S3 S4） T0（ S4 S3）火用损系数为cThLxThW,cS)(3402.2.4 蒸发器蒸发器也是一个换热器，蒸发器的火用效率为 e，Ev 14,xQLE14,xEvL火用损失为E x,L，Ev = E x4 E X，QL E x1火用损系数为cvLx
11、EvW,cxQLx1,4 2.3 循环系统火用效率的计算如果采用常规空冷家用空调系统，系统的供给火用为压缩机的耗功 Wc，有效火用为制冷剂向空调房间输出的冷量火用 E X，QL ，由此得系统得火用效率为： e， cQLx,如果采用改进的带水冷式冷凝热回收装置的家用空调系统，热量火用 E X，QH 被用来循环加热自来水，提供生活热水。系统的供给火用为压缩机的耗功 Wc，有效火用为制冷剂向空调房间输出的冷量火用 E X，QL 和制冷剂在冷凝过程中放出的热量火用 E X，QH ，由此系统的 火用效率为： e， cQHxLxW,3 家用空调制冷系统的火用分析计算为了分析循环特性，本文根据 Engine
12、ering Equation Solver（ EES） 编写程序对两种工作过程进行热力计算与循环火用分析计算。 EES 是工程用方程（公式）求解器的英文简称，主要用于求解一系列的代数方程。 EES 通过内置的大量数学和热力学方面的函数，可以精确实现水蒸气，氨，氮，甲烷，丙烷，所有普通氯氟烃类制冷剂， R-134a 等流体的热力学性质参数的求解，使得由任何两个独立参数通过调用内置函数时传入的参数就能获得上述流体的第三个参数值。3.1 常规空冷压缩式家用空调系统.用 R22 作制冷剂的单级压缩制冷循环如图 2 的 T-s 图所示。环境温度为 T0305.15K（32） ，环境压力为 P00.101
13、3 MPa(1atm)，蒸发温度为 TL10，冷凝温度为 TH50压缩机等熵效率为 0.8，空调房间空气温度为 28。 对常规空冷压缩式家用空调系统，采用 EES 进行计算。 T-s 图中各点状态参数计算值见表 1。循环火用分析计算表见表 2。表 1 T-s 图上主要状态点的参数焓 HkJ/kg压力 PkPa熵 skJ/（kgK）温度 T1 408.5 681.2 1.737 102 441.2 1957 1.756 73.982s 439.1 1957 1.756 67.053 263.8 1957 1.21 504 263.8 681.2 1.226 10表 2 常规空冷家用空调系统循环火
14、用分析计算表火用损失E x,L，i /kJkg-1火用效率 e，i火用损失系数 i= E x,L，i /wc压缩机 5.802 0.822 0.178空冷冷凝器 10.8 0.331节流阀 4.823 0.148蒸发器 6.339 0.773 0.193输入功火用Wc/kJkg-1 32.67冷量火用 E x,QL/kJkg-14.902 循环火用效率 e(%) 153.2 带冷凝热回收装置的家用空调系统用 R22 作制冷剂的单级压缩制冷循环如图 2 的 T-s 图所示。环境温度为 T0305.15K（32） ，环境压力为 P00.1013 MPa(1atm)，蒸发温度为 TL10 ，压缩机等
15、熵效率为 0.8，空调房间空气温度为 28。 对于采用冷凝热回收技术的家用空调系统，由于此系统要将夏季温度为 20的自来水循环加热到45左右的生活用水。自来水温度为动态连续变化，水冷冷凝器的冷凝温度也为动态连续变化。为便于分析，水冷冷凝换热器的自来水进出口温差取 4，冷凝温度与自来水的进口温差取 14。对于采用冷凝热回收技术的家用空调系统，同样采用 EES 进行计算。制冷循环过程各单元设备的火用损失系数随水冷冷凝器中自来水温度的变化曲线如图 3 所示。采用冷凝热回收技术的家用空调系统循环火用效率随水冷冷凝器中自来水温度的变化曲线，如图 4 所示。.051015202530354022 26 3
16、0 34 38 42 46自 来 水 温 度 t（ ）火用损失系数i100%（%）压 缩 机 水 冷 冷 凝 换 热 器 节 流 阀 蒸 发 器图 3 带冷凝热回收的家用空调各单元设备的火用损失系数随自来水温度的变化33.9638.6641.8944.12 45.6346.6 47.16303234363840424446485022 26 30 34 38 42 46自 来 水 温 度 t（ ）循环火用效率（）图 4 带冷凝热回收的家用空调循环火用效率随自来水温度的变化4 计算结果分析4.1 常规空冷压缩式家用空调系统常规空冷压缩式家用空调系统循环火用效率仅为 15，输入功中有 85的不可逆
17、损失，从热力学角度，有必要对这一制冷循环进行改进。在此制冷循环过程中，冷凝器火用损系数最大，火用损占输入功的 33.1，一部分是由于传热温差引起的，另一部分主要是由于采用空冷冷凝器，将大量较高品质的冷凝热热量火用直接排放到了室外空气环境中，若能充分利用冷凝热热量火用来加热生活用热水，将会使冷凝器的工作特性有所改善；蒸发器火用损系数居第二位，火用损占输入功的 19.4，这是由于传热温差过大引起的；压缩机火用损占输入功的 17.8，这主要是由于压缩机内进行的不可逆压缩过程造成的，为减少这部分火用损失可采用等熵效率高的压缩机；节流阀火用损占输入功的 14.8，该过程的火用损失与节流前后的压力差有关，
18、压力差越小则 火用损越少。减小节流压降，或者是在冷凝器中采取过冷措施，使工质在节流前处于过冷状态，都可以减小节流阀的火用损失。4.2 带冷凝热回收装置的家用空调系统采用冷凝热回收技术后，如图 4 所示，当夏季把自来水由 20循环加热到 45左右时， 循环火.用效率由 33.96上升到 47.16，平均火用效率为 42.57，远远高于常规家用空调系统 15的循环火用效率。火用效率曲线的斜率逐渐变小，循环火用效率的增长变缓，故加热自来水温度不宜过高。由于采用冷凝热回收技术，大大提高了家用空调系统的循环 火用效率。在此制冷循环过程中，如图 3 所示，对于冷凝器，当夏季把自来水由 20循环加热到 45
19、左右时，其火用损最小，平均火用损仅占输入功的 2.16，一部分是由于传热温差低引起的，另一部分主要是由于采用水冷冷凝器，冷凝热热量火用被充分利用，加热生活用水，使冷凝器的工作特性大大改善；对于蒸发器，其火用损在逐渐减小，由占输入功的 36.13逐渐降至占输入功的 15.32。这主要是由于随着冷凝温度的逐渐升高，单位质量工质制冷能力下降，从空调房间吸收的热量减少而造成的。由于用作冷凝的循环自来水进口水温为 20时，其空调系统的制冷量会明显高于常规空冷式空调系统，随着循环自来水温逐渐升高，系统制冷量逐渐降低，在循环自来水出水温度达到 45之前，系统制冷量仍不小于常规空冷式空调系统的制冷量，如果加热
20、自来水的温度高于 45，将不能保证其制冷效果；对于压缩机，其火用损占输入功的 20左右，基本保持不变。这主要是由于压缩机等熵效率决定的。如果压缩机的效率提高 5，那么制冷系统的火用效率也将提高 5；对于节流阀，其火用损在逐渐增大，由占输入功的 9.22逐渐增至占输入功的 17.65。这主要是由于随着冷凝温度的逐渐升高，冷凝压力逐渐增大，则节流前后的压力差变大，从而造成节流阀 火用损变大。5 结论常规空冷式家用空调系统在能量利用方面存在着明显的不合理性，其消耗的是高品位的机械能，而换取的却是低品位的冷量火用，能量的品质不匹配，要实现常规家用空调系统的真正节能，不仅仅是从数量上节能，更重要的是要做
21、到能级匹配，尽可能大量地使用低品位的能量。故对常规空冷式家用空调系统进行合理改装，将冷凝热加以利用，来加热生活用水，构成制冷取热综合利用系统，是一种合理用能的空调方式。本文基于火用分析方法，对常规空冷式家用空调系统和带冷凝热回收装置的家用空调系统进行了分析比较，分析结果表明：采用冷凝热回收技术后，家用空调系统的运行情况得到明显改善,与常规单一供冷相比,压缩机节流阀和蒸发器的平均火用损基本保持不变，冷凝器平均火用损减少 30.94%，而制冷循环系统平均火用效率为常规单一供冷效率的 283.8%。由此可看出在家用空调系统中采用冷凝热回收技术实为改善机组运行状况并节能的一种有效措施。对家用空调系统，
22、进行合理改装，水冷冷凝器可用于吸收低位热能来提高家用空调系统的运行效率。这种系统的设计要注意结合实际运行条件，合理选择所增加的换热器容量及确定供水条件，采用热经济优化的方法，使系统在最佳综合效益下工作。在能源和环境问题日趋突出的今天，对常规家用空调系统进行合理改装的冷凝热回收技术以其节能、环保、符合可持续发展等优势日益为人们所看好，是很有发展前途的技术。参考文献1 杨东华. 火用分析和能级分析（第一版）. 北京：科学出版社，19862 朱明善. 能量系统的火用分析（第一版）. 北京：清华大学出版社，1988:3 陈宏芳，杜建华.高等工程热力学.北京：清华大学出版社，20024 彦启森，石文星，
23、田长青 .空气调节用制冷技术（第三版）.北京：中国建筑工业出版社，20045 Guang-cai Gong; Shi-jun Chang. 2003. “Discussion about the Exergy Efficiency of Water-cooled Chilling Unit,” Energy 20050718-21; Dalian(CN) P.536-542.7 高洪亮 .绿色替代制冷剂制冷性质的计算及应用.郑州：黄河水利出版社，20058 陈文威，李泸萍.热力学分析与节能.北京：科学出版社，1999张伟捷，男，1962 年 9 月生，教授，河北工程大学 城建学院 空调制冷系，邮编 056038 ，联系电话：（0310）8578110，E-mail:zhangweijie_
