熱力系統（火用）分析及其在壓縮式熱泵中的應用

字體：

發布日期：2011-07-18 瀏覽次數：282

摘要：（火用），從“量”和“質”兩個方面規定了能量的“價值”，解決了熱力學中長期以來沒有一個參數可以單獨評價能量價值的問題，改變了人們對能的性質、能的損失和能的轉換效率等問題的傳統看法，提供了熱工分析的科學基礎。本文簡要介紹了熱力學上（火用）的相關概念及其在熱力系統能量平衡分析中的應用，并運用這種方法對采用壓縮式熱泵的采暖系統進行了（火用）分析。

關鍵詞：熱力系統（火用）分析壓縮式熱泵

0 引言

“（火用）”，作為一種評價能量價值的參數，從“量”和“質”兩個方面規定了能量的“價值”，解決了熱力學中長期以來沒有一個參數可以單獨評價能量價值的問題，改變了人們對能的性質、能的損失和能的轉換效率等問題的傳統看法，提供了熱工分析的科學基礎。同時，它還深刻揭示了能量在轉換過程中變質退化的本質，為合理用能指明了方向。

熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量，并把它傳遞給加熱的對象（溫度較高的物體）。目前國外熱泵技術已得到了廣泛的應用，并且仍在不斷發展。隨著國家對節能和環境保護工作的重視，我國熱泵的研制和推廣工作也得到了迅速發展。在我們暖通空調領域，熱泵尤其是壓縮式熱泵有著非常廣泛的應用前景。本文從“（火用）”這個角度出發，對壓縮式熱泵在采暖系統中的應用進行了（火用）分析。

1 （火用）與能量

以前很長一段時間，人們習慣于從能量的數量來量度能的價值，卻不管所消耗的是什么樣的能量。眾所周知，各種不同形態的能量，其動力利用的價值并不相同。即使是同一形態的能量，在不同條件下也具有不同的作功能力。“焓”與“內能”雖具有“能”的含義和量綱，但它們并不能反映出能的質量。而“熵”與能的“質”有密切關系，但卻不能反映能的“量”，也沒有直接規定能的“質”。為了合理用能，就需要采用一個既能反映數量又能反映各種能量之間“質”的差異的同一尺度。“（火用）”正是這樣一個可以科學評價能量價值的熱力學物理量。

1.1 （火用）和（火無）的概念

各種形態的能量，轉換為“高級能量”的能力并不相同。如果以這種轉換能力為尺度，就能評價出各種形態能量的優劣。但是轉換能力的大小與環境條件有關，還與轉換過程的不可逆程度有關。因此，實際上采用在給定的環境條件下，理論上最大可能的轉換能力作為量度能量品味高低的尺度，這種尺度稱之為（火用）（Exergy）。它的定義如下：

當系統由一任意狀態可逆地變化到與給定環境相平衡的狀態時，理論上可以無限轉換為任何其他能量形式的那部分能量，稱之為（火用）^[1]。

因為只有可逆過程才有可能進行最完全的轉換，所以可以認為（火用）是在給定的環境條件下，在可逆過程中，理論上所能作出的最大有用功或消耗的最小有用功。

與此相對應，一切不能轉換為（火用）的能量，稱之為（火無）（Anergy）。

任何能量E均由（火用）（Ex）和（火無）（An）兩部分所組成，即

E＝Ex＋An

1.2 能量的轉換規律

從（火用）和（火無）的觀點來看，能量的轉換規律可歸納為以下幾點：

（1）（火用）與（火無）的總量保持守恒，即我們常說的能量守恒原理。

（2）（火無）再也不能轉換為（火用），否則將違反熱力學第二定律。

（3）可逆過程不出現能的貶值變質，所以（火用）的總量守恒。

（4）在一切實際不可逆過程中，不可避免地發生能的貶值，（火用）將部分地“退化”為（火無），成為（火用）損失。因為這種退化是無法補償的，所以（火用）損失才是能量轉換中的真正損失。

（5）孤立系統的（火用）值不會增加，只會減少，至多維持不變，此即孤立系統（火用）減原理。所以（火用）與熵一樣，可用作自然過程方向性的判據。

1.3 熱量（火用）

若某系統的溫度高于環境溫度，當系統由任意狀態可逆地變化到與環境狀態相平衡的狀態（又稱“死態”）時，放出熱量Q，與此同時對外界作出最大有用功。這種最大有用功稱為熱量（火用）Ex_Q。如果從熱力學溫度為T的恒溫熱源取得熱量Q，當環境溫度為T₀時，由熱量可能得到的最大功W_max，即熱量（火用）Ex_Q為

Ex_Q＝W_max＝＝Q

熱量（火用）具有下列性質：

（1）熱量（火用）是系統放出的熱量中所能轉換的最大有用功。

（2）熱量（火用）的大小不僅與Q的大小有關，而且還與系統的溫度T和環境溫度T₀有關。

（3）相同數量的Q，不同溫度T下具有不同的熱量（火用），當環境溫度確定以后，T越高，（火用）越大。

（4）熱量（火用）與熱量一樣是過程量，不是狀態量。

2 （火用）平衡與（火用）分析

在我們對熱力系統進行能量分析時，希望通過對能量形態的變化過程分析，定量計算能量有效利用及損失等情況，弄清造成損失的部位和原因，以便提出改進措施，并預測改善后的效果。我們通常采用的能量平衡分析分為熱平衡（焓平衡）分析及（火用）平衡分析兩種。

2.1 （火用）平衡與（火用）損失

能量守恒是一個普遍的定律，能量的收支應保持平衡。但是，（火用）只是能量中的可用能部分，它的收支一般是不平衡的，在實際的轉換過程中，一部分可用能將轉變成不可用能，（火用）將減少，稱之為（火用）損失。這并不違反能量守恒定律，（火用）平衡是（火用）與（火用）損失（不可用能）之和保持平衡。

設穿過體系邊界的輸入（火用）為Ex_in，輸出（火用）為Ex_out，系統各項內部（火用）損失為I_i，外界作功為W，則它們的平衡關系為

∑Ex_in＋W＝∑Ex_out＋∑I_i

（火用）平衡不僅考慮了能量的數量，而且還顧及了能量的質量。在考慮（火用）平衡時，關鍵是需要記入各項（火用）損失才能保持平衡。其中，內部不可逆（火用）損失項在熱平衡中并無反映。因此，兩種分析方法有著質的區別。但是，兩者相互之間又存在著內在的聯系，（火用）平衡是建立在熱平衡的基礎之上的。

2.2 （火用）分析與（火用）效率

通常的熱量平衡和能量轉換效率并不能反映出（火用）的利用程度，因而我們引入了（火用）效率的概念。（火用）效率與能量轉換效率由類似的定義，所不同的是，（火用）效率是收益（火用）與支付（火用）的比值。（火用）效率_Ex為

有了（火用）效率的概念，我們就可以針對某個熱力系統建立（火用）平衡關系式，并對其進行（火用）分析，從而達到以下目的：

（1）定量計算能量（火用）的各項收支、利用及損失情況。收支保持平衡是基礎，能流的去向中包括收益項和各種損失項，根據各項的分配比例可以分清其主次。

（2）通過計算效率，確定能量轉換的效果和有效利用程度。

（3）分析能量利用的合理性，分析各種損失大小和影響因素，提出改進的可能性及改進途徑，并預測改進后的節能效果。

3 壓縮式熱泵的（火用）分析

“熱泵”是一種能使熱量從采暖物體轉移到高溫物體的能量利用裝置。適當運用熱泵可以把那些不能直接利用的采暖熱能變為有用的熱能，從而提高熱能利用率，節約大量燃料。不僅如此，借助于熱泵，還可能把大氣、海洋、江河、大地中蘊藏著的取之不盡的低品味熱源利用起來。熱泵本身雖然不是自然能源，但從它能夠輸出可用能量這個角度來說，它的確起到了“能量”的作用，所以人們稱它為“特種能源”^[2]。

3.1 壓縮式熱泵的工作原理

熱泵的工作原理與制冷裝置相同，也采用逆循環。但其目的不是致冷而是致熱，即工作溫度的范圍與制冷機不同。它有兩種型式：壓縮式和吸收式。下面簡要介紹下壓縮式熱泵的工作原理。

壓縮式熱泵是以消耗一部分高質能（機械能或電能）為代價致熱的，如圖3-1所示。低沸點工質通過壓縮機壓縮，消耗外功W，使工質的壓力和溫度升高。由于它的溫度高于供熱所需的溫度T_H，讓它通過冷凝器向室內供出熱量Q₁而本身被冷凝。然后通過膨脹閥節流降壓，同時溫度也降低。由于它的溫度將低于采暖熱源的溫度T_L（一般為環境溫度T₀），在蒸發器中吸收外界熱量Q₂而蒸發。蒸氣再回到壓縮機繼續壓縮，完成一個循環。

　　　　　　　圖3-1 壓縮式熱泵系統
　　　　　　　　1－壓縮機；2－冷凝器；3－膨脹閥；4－蒸發器

衡量壓縮式熱泵的性能指標是“致熱系數”，即“性能系數”COP（Coefficient of Performance）。它是指熱用戶得到的熱量與消耗外功之比，即

COP＝＝

如熱泵完全可逆，即按逆卡諾循環1-2-3-4-1進行，如圖3-2所示，則此時的致熱系數最大，即

＝＝＝

實際上由于傳熱必然存在溫差，工質向室內放熱時的冷凝溫度T₁高于T_H，從采暖熱源吸熱時的工質溫度T₂低于T_L。如果按工質實際工作溫度范圍（T₁－T₂）計算其最大的致熱系數，則為

＝＝

由上式可知，如果（T₁－T₂）越小，或T₂/T₁越大，則越大。始終大于1。當T₂/T₁接近1時，將趨于無窮大。這說明熱泵所能提供的熱量在數量上是超過所消耗的功的。并且，當轉移熱量的溫差越小時，它的效果越大。就這點來說，利用熱泵采暖是最合適的。

實際的熱泵除有傳熱不可逆損失外，由于在壓縮機及膨脹閥中也存在著不可逆損失，所以實際致熱系數將小于理論值，即

＜＜

在確定了熱泵的工質、熱力循環參數及壓縮機的效率后，可以利用工質熱力學性質圖表，計算出實際致熱系數值

＝

式中 ——熱泵有效系數。

3.2 壓縮式熱泵的（火用）分析

對熱泵的（火用）分析，其（火用）流圖如圖3-3所示。圖中斜線部分表示（火用）流，其余部分為（（火無））流。如果冷源的溫度T_L高于環境溫度T₀，則熱泵所吸取的熱量Q₂中，含有少量的（火用），其（火用）值為

Ex_Q,L＝Q₂＝(Q₁－W)

熱泵提供給室內的熱量Q₁所具有的（火用）為

Ex_Q,H＝Q₁

圖3-3中，A為熱泵內的各項（火用）損失之和。B為工質向室內傳熱時，由溫差（T₁－T_H）造成的（火用）損失。總（火用）損失為∑I_i。（火用）的損失系數為

＝＝∑_i

根據前面的（火用）平衡關系式

W＝Ex_Q,H－Ex_Q,L＋∑I_i

將前面幾個式子的關系代入上式后經整理得

W＝Q₁

實際致熱系數為

＝＝＝

由上式可知，實際致熱系數偏離可逆卡諾熱泵的理想致熱系數的大小是取決于熱泵的各項（火用）損失系數之和的。（火用）損失越大，則實際致熱系數值越低。

熱泵的（火用）效率_e,H可表示為

_e,H＝＝1－

由上式可知，熱泵（火用）效率_e,H是包括了傳熱溫差（火用）損失在內的有效系數，_e,H將小于熱泵有效系數。

4 供暖系統中應用熱泵的（火用）分析

采用熱泵供熱是從室外（大氣、水和大地等）中取得熱量向室內供暖。它能提供的熱量大于消耗的電能。相比其它的采暖方式，熱泵供熱存在著很大的優勢。

4.1 節約電能

我們平常的冬季采暖要求室溫維持在20℃左右。如果直接用電加熱器采暖，在用能上是最大的浪費。因為電加熱器雖然能將電能全部轉換成熱能，1kW·h也只能產生3600kJ的熱。如果采用電動熱泵，由于其致熱系數遠大于1，因此可以向室內提供幾倍于電量的熱量。例如，如果室溫T_H為20℃，室外氣溫T₀為-5℃，設它們與工質的傳熱溫差為5℃，則

＝＝＝11.72

＝＝＝8.51

假設熱泵有效系數為0.6，則實際致熱系數為

＝＝0.6×8.51＝5.1

這說明可以提供消耗電力5倍多的熱量。換言之，在提供相同熱量的情況下，利用熱泵采暖可以節約80％的電力。

從能量的合理利用角度來看，消耗的電能W轉換成熱能后，提供給室內的熱量（火用）為Ex_Q，其（火用）效率_e,H為

_e,H＝＝1－＝1－＝0.085

由上式可知，在電加熱過程中有91.5％的高級電能轉變為（（火無））。而熱泵的（火用）效率_e,H為

_e,H＝＝＝0.43

為電加熱的5.1倍。熱泵將環境中的大量（（火無））轉移到了室內加以利用，所以減少了（火用）的消耗，合理地利用了能量。

4.2 提高采暖余熱的利用率

余熱的有效利用程度與它的溫度水平有關，大量的余熱由于溫度水平過低未能被直接加以利用。而熱泵可以提高熱能的溫度水平，如果將余熱源作為熱泵的采暖熱源，熱泵從余熱源吸熱后向外供出更高溫度的熱能，以滿足用戶的需要，使采暖熱能得到了有效利用。因為采暖余熱源的溫度高于環境溫度，減少了熱泵的溫升（T_H－T_L），從而提高了熱泵的致熱系數，最終節約了電能的消耗。文獻[3]也從（火用）和熱經濟學的角度對此作了詳盡闡述。

4.3 其他

除低溫余熱外，還可利用太陽能、地熱能、地下水等作為熱泵的低溫熱源，構成一套總和用能系統，是有效利用自然界的可再生能源、改善人類生活環境的很有前途的措施之一。此外，熱泵供熱與鍋爐供熱相比，也可節約燃料，具體可參閱文獻[2]的相關內容。

5 結束語

由上文可以看出，（火用）分析可以幫助我們找到更好更合理的采暖方式。總體來看，（火用）分析比能量分析更能分析事物的本質，對不同品質的能有了同一的量度標準。（火用）分析的作用主要有三點：①合理評價能量有效利用程度；②科學診斷各項能量損失的大小及比例；③指導正確的節能方向。隨著（火用）分析法的發展，目前正在形成一門新的學科——“熱經濟學”，它為設計整個系統最優提供了一條新途徑。

此外，我們可以看到，熱泵能夠使采暖熱能得到有效利用，達到節約能源、提高能源利用率的目的，應該受到我們的高度重視。目前熱泵不僅是在采暖方面，而且還在干燥、蒸餾、蒸發等方面得到了廣泛應用，并取得很好的經濟效益。我國是一個能源并不富裕的國家，有著遼闊的采暖區域，同時也大量存在著可供利用的低位熱源。發展熱泵技術為解決工業和民用對100℃以下用能的需要，節省高位能量的消耗，將會有廣闊的前景^[4]。