基于（火用）方法的暖通空调系统热力学分析研究

【摘要】：在资源日趋紧张，环境保护压力不断增大的当今社会，节能减排已经成为很多国家、阶层和团体之间的共识。由于暖通空调系统在建筑能耗中占有很大的比例，因此对暖通空调系统的能耗问题展开研究，发展和应用新的节能技术就成为当今节能减排中的一项具体的重要工作。对暖通空调系统的研究过程中，通常采用能量分析方法，它虽然具有直观、简便的特点，却不能描述系统中存在的各种不可逆损失，因而对于系统的不合理用能状况难以进行量化、评价，为此在暖通空调系统中利用（火用）分析方法进行研究成为近年来的一个重要发展方向。然而，相对于暖通空调系统所涵盖的广大范围而言，当前的（火用）分析研究在某些方面上还很少涉及，如自然通风系统、溶液除湿系统以及一些新型吸收式制冷/制热系统，另外，目前的（火用）分析往往针对具体的实际系统，研究结果受具体因素影响而缺乏普遍性。因此，本文基于（火用）分析方法，针对暖通空调系统，着力于在以上两个方面开展研究，具体涉及了自然通风系统、蒸发冷却系统、溶液除湿系统、吸收式制冷/热泵系统以及吸收压缩式制冷/热泵系统的（火用）传递情况、运行工况和（火用）效影响因素，拓展了对暖通空调系统研究的广度，同时通过基于（火用）方法的热力学分析，揭示了各系统运行过程中所表现出的普遍规律和实质，也为实际系统的评价、运行及改进提供了理论指导。论文的主要研究工作和成果有： (1)详细介绍了（火用）分析中的一些重要基本概念，能量及（火用）传递过程中的动力学微分方程及其物理意义，进一步介绍了普遍化形式的能量及（火用）传递方程，重点阐述了不同表达方式下能量及（火用）传递过程的区别和联系，为利用（火用）分析方法研究暖通空调系统阐明了理论基础。 (2)通过建立一维稳态（火用）平衡方程，以一带中庭的高层建筑为对象，分析了自然通风系统中的（火用）传递、驱动机制和（火用）效表现，阐明了自然通风和机械通风在能量分析角度和（火用）分析角度上存在的差异及其原因，分析了内外温差对自然通风系统（火用）效的影响，指出其中存在（火用）优化机会，进一步分析了利用太阳能进行光热转换驱动的自然通风系统和进行光电转换驱动的机械通风系统的（火用）效差异，指出光电转换具有更高（火用）效，为太阳能驱动通风系统的合理利用提供了理论指导。 (3)通过分析湿空气（火用）和水（火用）的各项构成及其物理意义，提出将水（火用）用蒸发相变过程所涉及的饱和蒸汽（火用）和潜热（火用）来表示，从而将水（火用）计算与热湿处理过程中常见的水的相变过程联系起来，进一步研究了水（火用）、潜热（冷）（火用）以及蒸汽（火用）之间随温度变化的相互关系，划分出3个特征区域并阐明了各区域的（火用）传递特点，分析了直接蒸发冷却系统和简接蒸发冷却系统的（火用）效，指出在直接和间接蒸发冷却系统中都存在（火用）优化机会。通过建立计算模型并利用实验结果进行验证，对直接蒸发式冷却塔的（火用）传递过程以及（火用）效随水空比、冷却塔热效率的变化情况进行了详细分析。 (4)从（火用）分析角度探讨了空调系统（火用）负荷的构成及其物理意义，通过动态能耗模拟方法研究了各类空调（火用）负荷的变化规律，分析了空调（火用）负荷与空调负荷的差异和原因，比较了风冷空调系统和水冷空调系统中空调（火用）负荷的变化规律。提出对空调系统热、湿处理过程进行单独（火用）评价的概念及方法，以某一次回风空调系统的夏季工况为例，阐明了该独立评价方法的应用过程，这对于在空调系统中促进热、湿独立处理技术的应用具有较大意义。 (5)对溶液除湿系统的运行工况进行划分，研究其在各工况下的运行特点及其（火用）传递情况。通过建立（火用）平衡方程，研究了除湿温度、环境温度和环境水蒸汽分压力对溶液除湿系统（火用）效的影响规律，通过与冷凝除湿方式比较，指出溶液除湿系统的效率只在某些工况下才具有相对优势。进一步在普通溶液除湿系统基础上，提出双效溶液除湿系统，并对其进行了（火用）分析，阐明了双效系统相对于原系统的优越性，为双效系统的应用提供了初步的理论依据。 (6)以吸收制冷/热泵系统为研究对象，分析了吸收式制冷系统、第一类吸收式热泵系统、第二类吸收式热泵系统的（火用）平衡、（火用）传递及运行工况，分析了运行参数对各系统（火用）效的影响，从（火用）方法角度揭示了这些系统中所表现出的普遍规律，对于理解、评价及改进实际系统具有指导意义。 (7)对吸收压缩式制冷/热泵系统进行（火用）分析，研究了它们的（火用）平衡、工况划分及影响因素，所得结论对于认识、研究和评价实际系统具有普遍意义，重点提出了吸收压缩式双效第二类热泵系统、吸收压缩式双温第二类热泵系统和吸收压缩式双温双效第二类热泵系统等新的系统型式并进行（火用）分析，丰富了吸收压缩式系统型式，为其实际应用奠定了理论基础。 【关键词】：（火用）分析 自然通风系统 蒸发冷却系统 热 湿独立评价 空调系统（火用）负荷 溶液除湿系统 吸收压缩式制冷/热泵系统
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU83;TU111
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 插图索引14-18
• 附表索引18-19
• 符号表19-20
• 第1章 绪论20-31
• 1.1 课题研究背景20-22
• 1.2 国内外研究现状22-28
• 1.2.1 （火用）分析方法的发展22-24
• 1.2.2 （火用）分析在暖通空调系统中的应用24-28
• 1.3 课题研究的主要内容与创新28-31
• 第2章 （火用）分析的基本概念和方法31-51
• 2.1 能量及能量守恒概念31-32
• 2.2 （火用）分析的基本概念32-38
• 2.2.1 参考环境和系统边界32-34
• 2.2.2 （火用）分析的基本公式34-38
• 2.3 （火用）传递过程的动力学方程38-41
• 2.3.1 流体动力学基本微分方程38-40
• 2.3.2 （火用）传递基本微分方程40-41
• 2.4 普遍化形式的能量传递方程及（火用）方程41-44
• 2.4.1 普遍化形式的能量方程41-43
• 2.4.2 普遍化形式的（火用）传递方程43-44
• 2.5 一维稳态流动模型的能量及（火用）方程44-49
• 2.5.1 一维稳态能量微分方程44-46
• 2.5.2 一维稳态（火用）方程46-47
• 2.5.3 一维稳态流动系统中的能量传递和（火用）传递47-49
• 2.6 本章小结49-51
• 第3章 湿空气（火用）和水（火用）51-60
• 3.1 概述51
• 3.2 湿空气（火用）51-54
• 3.3 水（火用）基本公式54-57
• 3.4 基于（火用）分析方法计算饱和水的 p-T 关系57-59
• 3.5 本章小结59-60
• 第4章 自然通风系统的（火用）分析60-72
• 4.1 自然通风系统的一维稳态控制方程60-62
• 4.1.1 能量方程60-61
• 4.1.2 （火用）方程61-62
• 4.2 热压自然通风系统与机械通风系统的比较与分析62-71
• 4.2.1 高层建筑通风模型62-63
• 4.2.2 热压自然通风系统（火用）分析63-66
• 4.2.3 机械通风系统（火用）分析66-68
• 4.2.4 中庭与环境温度差对热压自然通风（火用）效的影响分析68-70
• 4.2.5 两类太阳能驱动通风系统的（火用）分析70-71
• 4.3 本章小结71-72
• 第5章 蒸发冷却系统的（火用）分析72-87
• 5.1 水（火用）、汽化潜热（火用）与蒸汽（火用）的关系72-74
• 5.2 蒸发冷却系统的（火用）效74-77
• 5.2.1 直接蒸发冷却系统的（火用）效74-75
• 5.2.2 间接蒸发冷却过程的（火用）效75-77
• 5.3 冷却塔的（火用）分析77-85
• 5.3.1 冷却塔蒸发冷却过程的能量及（火用）平衡方程77-79
• 5.3.2 冷却塔内部（火用）传递过程79-82
• 5.3.3 热效率和空水比对（火用）表现的影响因素分析82-85
• 5.4 本章小结85-87
• 第6章 空调系统（火用）负荷及热湿独立评价方法87-101
• 6.1 空调系统（火用）负荷87-92
• 6.1.1 湿空气的显热（火用）和潜热（火用）87-89
• 6.1.2 最小（火用）负荷89-90
• 6.1.3 冷凝除湿过程的（火用）负荷90-92
• 6.2 空调系统的动态（火用）负荷分析92-96
• 6.2.1 空调负荷变化情况92-94
• 6.2.2 风冷及水冷方式对空调（火用）负荷的影响94-96
• 6.3 热湿独立评价方法96-100
• 6.3.1 热湿独立评价指标96-97
• 6.3.2 热湿独立评价计算实例97-100
• 6.4 本章小结100-101
• 第7章 溶液除湿系统的（火用）分析101-121
• 7.1 溶液除湿系统102-104
• 7.2 溶液除湿系统的能量方程和（火用）方程104-109
• 7.2.1 溶液除湿系统的能量方程104-107
• 7.2.2 溶液除湿系统的（火用）方程107-109
• 7.3 溶液除湿系统的（火用）传递分析109-110
• 7.4 溶液除湿系统的影响因素分析110-114
• 7.4.1 溶液除湿系统的计算模型验证110-112
• 7.4.2 除湿温度对（火用）效的影响112-113
• 7.4.3 环境水蒸汽分压力对（火用）效的影响113-114
• 7.4.4 环境温度对（火用）效的影响114
• 7.5 双效溶液除湿系统及其（火用）分析114-120
• 7.5.1 双效溶液除湿系统114-116
• 7.5.2 双效溶液除湿系统的（火用）分析116-120
• 7.6 本章小结120-121
• 第8章 吸收式制冷、热泵系统的（火用）分析121-147
• 8.1 概述121-123
• 8.2 吸收式制冷系统的（火用）分析123-129
• 8.2.1 吸收式制冷系统的（火用）平衡及运行工况123-126
• 8.2.2 吸收式制冷系统的影响因素分析126-129
• 8.3 第一类吸收式热泵系统的（火用）分析129-133
• 8.3.1 吸收式第一类热泵系统的（火用）平衡及运行工况129-131
• 8.3.2 吸收式第一类热泵系统的影响因素分析131-133
• 8.4 第二类吸收式热泵系统的（火用）分析133-138
• 8.4.1 吸收式第二类热泵系统的（火用）平衡及运行工况133-135
• 8.4.2 吸收式第二类热泵系统的影响因素分析135-138
• 8.5 有浓度差的吸收式制冷系统的（火用）分析138-146
• 8.5.1 有浓度差的吸收式制冷系统的（火用）平衡和运行工况138-143
• 8.5.2 有浓度差的吸收式制冷系统的影响因素分析143-146
• 8.6 本章小结146-147
• 第9章 吸收压缩式制冷、热泵系统的（火用）分析147-187
• 9.1 概述147-149
• 9.2 吸收压缩式制冷系统的（火用）分析149-155
• 9.2.1 吸收压缩式制冷系统的（火用）平衡及运行工况149-152
• 9.2.2 吸收压缩式制冷系统的影响因素分析152-155
• 9.3 吸收压缩式第二类热泵系统的（火用）分析155-162
• 9.3.1 吸收压缩式第二类热泵系统的（火用）平衡及运行工况155-158
• 9.3.2 简单吸收压缩式第二类热泵系统的（火用）平衡及运行工况158-160
• 9.3.3 吸收温度对吸收压缩式第二类热泵系统的影响160-162
• 9.4 吸收压缩式双效第二类热泵系统的（火用）分析162-168
• 9.4.1 （火用）平衡及运行工况162-165
• 9.4.2 另一种系统型式的（火用）平衡及运行工况165-166
• 9.4.3 供热温度变化的影响因素分析166-168
• 9.5 吸收压缩式双温制冷系统的（火用）分析168-173
• 9.5.1 吸收压缩式双温制冷系统的（火用）平衡及运行工况169-171
• 9.5.2 供冷量比对系统（火用）效的影响171-173
• 9.6 吸收压缩式双温第二类热泵系统的（火用）分析173-177
• 9.6.1 吸收压缩式双温第二类热泵系统的（火用）平衡及运行工况173-176
• 9.6.2 供热量比对系统（火用）效的影响176-177
• 9.7 吸收压缩式双温双效第二类热泵系统的（火用）分析177-185
• 9.7.1 吸收压缩式双温双效第二类热泵系统的（火用）平衡及运行工况178-180
• 9.7.2 供热量比对系统（火用）效的影响180-182
• 9.7.3 吸收压缩式双温双效第二类吸收式热泵的改进182-185
• 9.8 本章小结185-187
• 结论187-191
• 参考文献191-202
• 致谢202-203
• 附录 A（攻读博士学位期间所发表的论文与获得成果）203

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