热力系统火用分析在压缩式热泵中的应用

引言

“（火用）”，作为一种评价能量价值参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量“价值”，解决了热力学中长期以来没有一个参数可以单独评价能量价值问题，改变了人们对能性质、能损失和能转换效率等问题传统看法，提供了热工分析科学基础。同时，它还深刻揭示了能量转换过程中变质退化本质，为合理用能指明了方向。

热泵作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给加热对象（温度较高物体）。目前国外热泵技术已到了广泛应用，仍不断发展。国家对节能和环境保护工作重视，我国热泵研制和推广工作也到了迅速发展。我们暖通空调领域，热泵尤其是压缩式热泵有着非常广泛应用前景。本文从“（火用）”这个角度出发，对压缩式热泵采暖系统中应用进行了（火用）分析。

1（火用）与能量

以前很长一段时间，人们习惯于从能量数量来量度能价值，却所消耗是什么样能量。众所周知，各种不同形态能量，其动力利用价值并不相同。是同一形态能量，不同条件下也具有不同作功能力。“焓”与“内能”虽具有“能”含义和量纲，但它们并不能反映出能质量。而“熵”与能“质”有密切关系，但却不能反映能“量”，也没有直接规定能“质”。合理用能，就需要采用一个既能反映数量又能反映各种能量之间“质”差异同一尺度。“（火用）”正是这样一个可以科学评价能量价值热力学物理量。

1.1（火用）和（火无）概念

各种形态能量，转换为“高级能量”能力并不相同。以这种转换能力为尺度，就能评价出各种形态能量优劣。转换能力大小与环境条件有关，还与转换过程不可逆程度有关。，实际上采用给定环境条件下，理论上最大可能转换能力作为量度能量品味高低尺度，这种尺度称之为（火用）（exergy）。它定义如下：

当系统由一任意状态可逆变化到与给定环境相平衡状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式那部分能量，称之为（火用）[1]。

可逆过程才有可能进行最完全转换，可以认为（火用）是给定环境条件下，可逆过程中，理论上所能作出最大有用功或消耗最小有用功。

与此相对应，一切不能转换为（火用）能量，称之为（火无）（anergy）。

任何能量e均由（火用）（ex）和（火无）（an）两部分所组成，即

e＝ex＋an

1.2能量转换规律

从（火用）和（火无）观点来看，能量转换规律可归纳为以下几点：

（1）（火用）与（火无）总量保持守恒，即我们常说能量守恒原理。

（2）（火无）再能转换为（火用），否则将违反热力学第二定律。

（3）可逆过程不出现能贬值变质，（火用）总量守恒。

（4）一切实际不可逆过程中，不可避免发生能贬值，（火用）将部分“退化”为（火无），成为（火用）损失。这种退化是无法补偿，（火用）损失才是能量转换中真正损失。

（5）孤立系统（火用）值不会增加，只会减少，至多维持不变，此即孤立系统（火用）减原理。（火用）与熵一样，可用作自然过程方向性判据。

1.3热量（火用）

若某系统温度高于环境温度，当系统由任意状态可逆变化到与环境状态相平衡状态（又称“死态”）时，放出热量q，与此同时对外界作出最大有用功。这种最大有用功称为热量（火用）exq。从热力学温度为t恒温热源取热量q，当环境温度为t0时，由热量可能到最大功wmax，即热量（火用）exq为

热量（火用）具有下列性质：

（1）热量（火用）是系统放出热量中所能转换最大有用功。

（2）热量（火用）大小与q大小有关，还与系统温度t和环境温度t0有关。

（3）相同数量q，不同温度t下具有不同热量（火用），当环境温度确定以后，t越高，（火用）越大。

（4）热量（火用）与热量一样是过程量，状态量。

2（火用）平衡与（火用）分析

我们对热力系统进行能量分析时，希望对能量形态变化过程分析，定量计算能量有效利用及损失等情况，弄清造成损失部位和原因，提出改进措施，并预测改善后效果。我们通常采用能量平衡分析分为热平衡（焓平衡）分析及（火用）平衡分析两种。

2.1（火用）平衡与（火用）损失

能量守恒是一个普遍定律，能量收支应保持平衡。，（火用）能量中可用能部分，它收支一般是不平衡，实际转换过程中，一部分可用能将转变成不可用能，（火用）将减少，称之为（火用）损失。这并不违反能量守恒定律，（火用）平衡是（火用）与（火用）损失（不可用能）之和保持平衡。

设穿过体系边界输入（火用）为exin，输出（火用）为exout，系统各项内部（火用）损失为ii，外界作功为w，则它们平衡关系为

∑exin＋w＝∑exout＋∑ii

（火用）平衡考虑了能量数量，还顾及了能量质量。考虑（火用）平衡时，关键是需要记入各项（火用）损失才能保持平衡。其中，内部不可逆（火用）损失项热平衡中并无反映。，两种分析方法有着质区别。，两者相互之间又存着内联系，（火用）平衡是建立热平衡基础之上。

2.2（火用）分析与（火用）效率

通常热量平衡和能量转换效率并不能反映出（火用）利用程度，我们引入了（火用）效率概念。（火用）效率与能量转换效率由类似定义，所不同是，（火用）效率是收益（火用）与支付（火用）比值。

有了（火用）效率概念，我们就可以针对某个热力系统建立（火用）平衡关系式，并对其进行（火用）分析，达到以下目：

（1）定量计算能量（火用）各项收支、利用及损失情况。收支保持平衡是基础，能流去向中包括收益项和各种损失项，各项分配比例可以分清其主次。

（2）计算效率，确定能量转换效果和有效利用程度。

（3）分析能量利用合理性，分析各种损失大小和影响因素，提出改进可能性及改进途径，并预测改进后节能效果。

3 压缩式热泵（火用）分析

“热泵”是一种能使热量从采暖物体转移到高温物体能量利用装置。适当运用热泵可以把那些不能直接利用采暖热能变为有用热能，提高热能利用率，节约大量燃料。如此，借助于热泵，还可能把大气、海洋、江河、大中蕴藏着取之不尽低品味热源利用起来。热泵本身自然能源，但从它能够输出可用能量这个角度来说，它确起到了“能量”作用，人们称它为“特种能源”[2]。

3.1压缩式热泵工作原理

热泵工作原理与制冷装置相同，也采用逆循环。但其目致冷致热，即工作温度范围与制冷机不同。它有两种型式：压缩式和吸收式。下面简要介绍下压缩式热泵工作原理。

压缩式热泵是以消耗一部分高质能（机械能或电能）为代价致热，如图3-1所示。低沸点工质压缩机压缩，消耗外功w，使工质压力和温度升高。它温度高于供热所需温度th，让它冷凝器向室内供出热量q1而本身被冷凝。然后膨胀阀节流降压，同时温度也降低。它温度将低于采暖热源温度tl（一般为环境温度t0），蒸发器中吸收外界热量q2而蒸发。蒸气再回到压缩机继续压缩，完成一个循环。

衡量压缩式热泵性能指标是“致热系数”，即“性能系数”cop（coefficientofperformance）。它是指热用户到热量与消耗外功之比，即

如热泵完全可逆，即按逆卡诺循环1-2-3-4-1进行，如图3-2所示，则此时致热系数最大。

实际上传热必然存温差，工质向室内放热时冷凝温度t1高于th，从采暖热源吸热时工质温度t2低于tl。按工质实际工作温度范围（t1－t2）计算其最大致热系数。

由上式可知，（t1－t2）越小，或t2/t1越大，则越大。始终大于1。当t2/t1接近1时，将趋于无穷大。这说明热泵所能提供热量数量上是超过所消耗功。，当转移热量温差越小时，它效果越大。就这点来说，利用热泵采暖是最合适。

实际热泵除有传热不可逆损失外，压缩机及膨胀阀中也存着不可逆损失，实际致热系数将小于理论值，确定了热泵工质、热力循环参数及压缩机效率后，可以利用工质热力学性质图表，计算出实际致热系数值

3.2压缩式热泵（火用）分析

对热泵（火用）分析，其（火用）流图如图3-3所示。图中斜线部分表示（火用）流，其余部分为（（火无））流。冷源温度tl高于环境温度t0，则热泵所吸取热量q2中，含有少量（火用），其（火用）值为

exq,l＝q2＝(q1－w)

热泵提供给室内热量q1所具有（火用）为

exq,h＝q1

a为热泵内各项（火用）损失之和。b为工质向室内传热时，由温差（t1－th）造成（火用）损失。总（火用）损失为∑ii。

前面（火用）平衡关系式

w＝exq,h－exq,l＋∑ii

将前面几个式子关系代入上式后经整理

w＝q1

由上式可知，实际致热系数偏离可逆卡诺热泵理想致热系数大小是取决于热泵各项（火用）损失系数之和。（火用）损失越大，则实际致热系数值越低。

热泵（火用）效率e,h可表示为

由上式可知，热泵（火用）效率e,h是包括了传热温差（火用）损失内有效系数，e,h将小于热泵有效系数。

4 供暖系统中应用热泵（火用）分析

采用热泵供热是从室外（大气、水和大等）中取热量向室内供暖。它能提供热量大于消耗电能。相比其它采暖方式，热泵供热存着很大优势。

4.1节约电能

我们平常冬季采暖要求室温维持20℃左右。直接用电加热器采暖，用能上是最大浪费。电加热器能将电能全部转换成热能，1kw·h也只能产生3600kj热。采用电动热泵，其致热系数远大于1，可以向室内提供几倍于电量热量。例如，室温th为20℃，室外气温t0为-5℃，设它们与工质传热温差为5℃，热泵有效系数为0.6，则实际致热系数为

这说明可以提供消耗电力5倍多热量。换言之，提供相同热量情况下，利用热泵采暖可以节约80％电力。

从能量合理利用角度来看，消耗电能w转换成热能后，提供给室内热量（火用）为exq，其（火用）效率e,h为

e,h＝＝1－＝1－＝0.085

由上式可知，电加热过程中有91.5％高级电能转变为（（火无））。而热泵（火用）效率e,h为

e,h＝＝＝0.43

为电加热5.1倍。热泵将环境中大量（（火无））转移到了室内加以利用，减少了（火用）消耗，合理利用了能量。

4.2提高采暖余热利用率

余热有效利用程度与它温度水平有关，大量余热温度水平过低未能被直接加以利用。而热泵可以提高热能温度水平，将余热源作为热泵采暖热源，热泵从余热源吸热后向外供出更高温度热能，以满足用户需要，使采暖热能到了有效利用。采暖余热源温度高于环境温度，减少了热泵温升（th－tl），提高了热泵致热系数，最终节约了电能消耗。文献[3]也从（火用）和热经济学角度对此作了详尽阐述。

4.3其他

除低温余热外，还可利用太阳能、热能、下水等作为热泵低温热源，构成一套总和用能系统，是有效利用自然界可再生能源、改善人类生活环境很有前途措施之一。此外，热泵供热与锅炉供热相比，也可节约燃料，具体可参阅文献[2]相关内容。

5 结束语

由上文可以看出，（火用）分析可以帮助我们找到更好更合理采暖方式。总体来看，（火用）分析比能量分析更能分析事物本质，对不同品质能有了同一量度标准。（火用）分析作用主要有三点：①合理评价能量有效利用程度；②科学诊断各项能量损失大小及比例；③指导正确节能方向。（火用）分析法发展，目前正形成一门新学科——“热经济学”，它为设计整个系统最优提供了一条新途径。

此外，我们可以看到，热泵能够使采暖热能到有效利用，达到节约能源、提高能源利用率目，应该受到我们高度重视。目前热泵是采暖方面，还干燥、蒸馏、蒸发等方面到了广泛应用，并取很好经济效益。我国是一个能源并不富裕国家，有着辽阔采暖区域，同时也大量存着可供利用低位热源。发展热泵技术为解决工业和民用对100℃以下用能需要，节省高位能量消耗，将会有广阔前景[4]。

参考文献

[1]朱明善，林兆庄，刘颖，彭晓峰．工程热力学[m]．北京：清华大学出版社，1995

[2]汤学忠主编．热能转换与利用（第二版）[m]．北京：冶金工业出版社，2002

[3]蔡祥兴，杨东华．热泵系统（火用）分析和热经济学分析[a]．教育部高等学校工程热物理学科协调组编．工程热物理论文集[c]．北京：科学出版社，1988，45-50

[4]徐邦裕，陆亚俊，马最良编．热泵[m]．北京：中国建筑工业出版社，1988