热力系统（火用）分析及其在压缩式热泵中的应用

摘要：从“量”和“质”两个方面规定了能量的“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的问题，改变了人们对能的性质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法，提供了热工分析的科学基础。本文简要介绍了热力学上（火用）的相关概念及其在热力系统能量平衡分析中的应用，并运用这种方法对采用压缩式热泵的采暖系统进行了（火用）分析。

关键词： 热力系统 （火用）分析 压缩式热泵

0 引言

“（火用）”，作为一种评价能量价值的参数，从“量”和“质”两个方面规定了能量的“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的问题，改变了人们对能的性质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法，提供了热工分析的科学基础。同时，它还深刻揭示了能量在转换过程中变质退化的本质，为合理用能指明了方向。

热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给加热的对象（温度较高的物体）。目前国外热泵技术已得到了广泛的应用，并且仍在不断发展。随着国家对节能和环境保护工作的重视，我国热泵的研制和推广工作也得到了迅速发展。在我们暖通空调领域，热泵尤其是压缩式热泵有着非常广泛的应用前景。本文从“（火用）”这个角度出发，对压缩式热泵在采暖系统中的应用进行了（火用）分析。

1 （火用）与能量

以前很长一段时间，人们习惯于从能量的数量来量度能的价值，却不管所消耗的是什么样的能量。众所周知，各种不同形态的能量，其动力利用的价值并不相同。即使是同一形态的能量，在不同条件下也具有不同的作功能力。“焓”与“内能”虽具有“能”的含义和量纲，但它们并不能反映出能的质量。而“熵”与能的“质”有密切关系，但却不能反映能的“量”，也没有直接规定能的“质”。为了合理用能，就需要采用一个既能反映数量又能反映各种能量之间“质”的差异的同一尺度。“（火用）”正是这样一个可以科学评价能量价值的热力学物理量。

1.1 （火用）和（火无）的概念

各种形态的能量，转换为“高级能量”的能力并不相同。如果以这种转换能力为尺度，就能评价出各种形态能量的优劣。但是转换能力的大小与环境条件有关，还与转换过程的不可逆程度有关。因此，实际上采用在给定的环境条件下，理论上最大可能的转换能力作为量度能量品味高低的尺度，这种尺度称之为（火用）（Exergy）。它的定义如下：

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

因为只有可逆过程才有可能进行最完全的转换，所以可以认为（火用）是在给定的环境条件下，在可逆过程中，理论上所能作出的最大有用功或消耗的最小有用功。

与此相对应，一切不能转换为（火用）的能量，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 能量的转换规律

从（火用）和（火无）的观点来看，能量的转换规律可归纳为以下几点：

（1）（火用）与（火无）的总量保持守恒，即我们常说的能量守恒原理。

（2）（火无）再也不能转换为（火用），否则将违反热力学第二定律。

（3）可逆过程不出现能的贬值变质，所以（火用）的总量守恒。

（4）在一切实际不可逆过程中，不可避免地发生能的贬值，（火用）将部分地“退化”为（火无），成为（火用）损失。因为这种退化是无法补偿的，所以（火用）损失才是能量转换中的真正损失。

（5）孤立系统的（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。所以（火用）与熵一样，可用作自然过程方向性的判据。

1.3 热量（火用）

若某系统的温度高于环境温度，当系统由任意状态可逆地变化到与环境状态相平衡的状态（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）Ex_Q。如果从热力学温度为T的恒温热源取得热量Q，当环境温度为T₀时，由热量可能得到的最大功W_max，即热量（火用）Ex_Q为

Ex_Q＝W_max＝＝Q

热量（火用）具有下列性质：

（1）热量（火用）是系统放出的热量中所能转换的最大有用功。

（2）热量（火用）的大小不仅与Q的大小有关，而且还与系统的温度T和环境温度T₀有关。

（3）相同数量的Q，不同温度T下具有不同的热量（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，不是状态量。

2 （火用）平衡与（火用）分析

在我们对热力系统进行能量分析时，希望通过对能量形态的变化过程分析，定量计算能量有效利用及损失等情况，弄清造成损失的部位和原因，以便提出改进措施，并预测改善后的效果。我们通常采用的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的定律，能量的收支应保持平衡。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，在实际的转换过程中，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。

设穿过体系边界的输入（火用）为Ex_in，输出（火用）为Ex_out，系统各项内部（火用）损失为I_i，外界作功为W，则它们的平衡关系为

∑Ex_in＋W＝∑Ex_out＋∑I_i

（火用）平衡不仅考虑了能量的数量，而且还顾及了能量的质量。在考虑（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）损失项在热平衡中并无反映。因此，两种分析方法有着质的区别。但是，两者相互之间又存在着内在的联系，（火用）平衡是建立在热平衡的基础之上的。

2.2 （火用）分析与（火用）效率

通常的热量平衡和能量转换效率并不能反映出（火用）的利用程度，因而我们引入了（火用）效率的概念。（火用）效率与能量转换效率由类似的定义，所不同的是，（火用）效率是收益（火用）与支付（火用）的比值。（火用）效率_Ex为

有了（火用）效率的概念，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，从而达到以下目的：

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

（2）通过计算效率，确定能量转换的效果和有效利用程度。

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

3 压缩式热泵的（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的能量利用装置。适当运用热泵可以把那些不能直接利用的采暖热能变为有用的热能，从而提高热能利用率，节约大量燃料。不仅如此，借助于热泵，还可能把大气、海洋、江河、大地中蕴藏着的取之不尽的低品味热源利用起来。热泵本身虽然不是自然能源，但从它能够输出可用能量这个角度来说，它的确起到了“能量”的作用，所以人们称它为“特种能源”^[2]。

3.1 压缩式热泵的工作原理

热泵的工作原理与制冷装置相同，也采用逆循环。但其目的不是致冷而是致热，即工作温度的范围与制冷机不同。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的工作原理。

压缩式热泵是以消耗一部分高质能（机械能或电能）为代价致热的，如图3-1所示。低沸点工质通过压缩机压缩，消耗外功W，使工质的压力和温度升高。由于它的温度高于供热所需的温度T_H，让它通过冷凝器向室内供出热量Q₁而本身被冷凝。然后通过膨胀阀节流降压，同时温度也降低。由于它的温度将低于采暖热源的温度T_L（一般为环境温度T₀），在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。

　　　　　　　图3-1 压缩式热泵系统
　　　　　　　　1－压缩机；2－冷凝器；3－膨胀阀；4－蒸发器

衡量压缩式热泵的性能指标是“致热系数”，即“性能系数”COP（Coefficient of Performance）。它是指热用户得到的热量与消耗外功之比，即

COP＝＝

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，则此时的致热系数最大，即

＝＝＝

实际上由于传热必然存在温差，工质向室内放热时的冷凝温度T₁高于T_H，从采暖热源吸热时的工质温度T₂低于T_L。如果按工质实际工作温度范围（T₁－T₂）计算其最大的致热系数，则为

＝＝

由上式可知，如果（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的热量在数量上是超过所消耗的功的。并且，当转移热量的温差越小时，它的效果越大。就这点来说，利用热泵采暖是最合适的。

实际的热泵除有传热不可逆损失外，由于在压缩机及膨胀阀中也存在着不可逆损失，所以实际致热系数将小于理论值，即

＜＜

在确定了热泵的工质、热力循环参数及压缩机的效率后，可以利用工质热力学性质图表，计算出实际致热系数值

＝

式中 ——热泵有效系数。

3.2 压缩式热泵的（火用）分析

对热泵的（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。如果冷源的温度T_L高于环境温度T₀，则热泵所吸取的热量Q₂中，含有少量的（火用），其（火用）值为

Ex_Q,L＝Q₂＝(Q₁－W)

热泵提供给室内的热量Q₁所具有的（火用）为

Ex_Q,H＝Q₁

图3-3中，A为热泵内的各项（火用）损失之和。B为工质向室内传热时，由温差（T₁－T_H）造成的（火用）损失。总（火用）损失为∑I_i。（火用）的损失系数为

＝＝∑_i

根据前面的（火用）平衡关系式

W＝Ex_Q,H－Ex_Q,L＋∑I_i

将前面几个式子的关系代入上式后经整理得

W＝Q₁

实际致热系数为

＝＝＝

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

热泵的（火用）效率_e,H可表示为

_e,H＝＝1－

由上式可知，热泵（火用）效率_e,H是包括了传热温差（火用）损失在内的有效系数，_e,H将小于热泵有效系数。

4 供暖系统中应用热泵的（火用）分析

采用热泵供热是从室外（大气、水和大地等）中取得热量向室内供暖。它能提供的热量大于消耗的电能。相比其它的采暖方式，热泵供热存在着很大的优势。

4.1 节约电能

我们平常的冬季采暖要求室温维持在20℃左右。如果直接用电加热器采暖，在用能上是最大的浪费。因为电加热器虽然能将电能全部转换成热能，1kW·h也只能产生3600kJ的热。如果采用电动热泵，由于其致热系数远大于1，因此可以向室内提供几倍于电量的热量。例如，如果室温T_H为20℃，室外气温T₀为-5℃，设它们与工质的传热温差为5℃，则

＝＝＝11.72

＝＝＝8.51

假设热泵有效系数为0.6，则实际致热系数为

＝＝0.6×8.51＝5.1

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

从能量的合理利用角度来看，消耗的电能W转换成热能后，提供给室内的热量（火用）为Ex_Q，其（火用）效率_e,H为

_e,H＝＝1－＝1－＝0.085

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

_e,H＝＝＝0.43

为电加热的5.1倍。热泵将环境中的大量（（火无））转移到了室内加以利用，所以减少了（火用）的消耗，合理地利用了能量。

4.2 提高采暖余热的利用率

余热的有效利用程度与它的温度水平有关，大量的余热由于温度水平过低未能被直接加以利用。而热泵可以提高热能的温度水平，如果将余热源作为热泵的采暖热源，热泵从余热源吸热后向外供出更高温度的热能，以满足用户的需要，使采暖热能得到了有效利用。因为采暖余热源的温度高于环境温度，减少了热泵的温升（T_H－T_L），从而提高了热泵的致热系数，最终节约了电能的消耗。文献[3]也从（火用）和热经济学的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、地热能、地下水等作为热泵的低温热源，构成一套总和用能系统，是有效利用自然界的可再生能源、改善人类生活环境的很有前途的措施之一。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]的相关内容。

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的采暖方式。总体来看，（火用）分析比能量分析更能分析事物的本质，对不同品质的能有了同一的量度标准。（火用）分析的作用主要有三点：①合理评价能量有效利用程度；②科学诊断各项能量损失的大小及比例；③指导正确的节能方向。随着（火用）分析法的发展，目前正在形成一门新的学科——“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得到有效利用，达到节约能源、提高能源利用率的目的，应该受到我们的高度重视。目前热泵不仅是在采暖方面，而且还在干燥、蒸馏、蒸发等方面得到了广泛应用，并取得很好的经济效益。我国是一个能源并不富裕的国家，有着辽阔的采暖区域，同时也大量存在着可供利用的低位热源。发展热泵技术为解决工业和民用对100℃以下用能的需要，节省高位能量的消耗，将会有广阔的前景^[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．热泵系统的（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