制冷系統(tǒng)的熱力性能及其熱島效應(yīng)

制冷系統(tǒng)的熱力性能及其熱島效應(yīng)

氟利飛制冷劑的運(yùn)行特性能源使用環(huán)境評(píng)價(jià)與能源使用評(píng)價(jià)體系分離。因此，很難在能源使用系統(tǒng)之間進(jìn)行環(huán)境評(píng)估。在這項(xiàng)工作中，我們根據(jù)統(tǒng)一的能源使用評(píng)估方法，研究了制冷系統(tǒng)運(yùn)行的性能，尤其是環(huán)境評(píng)價(jià)。制冷系統(tǒng)是典型的能源利用系統(tǒng),其運(yùn)行過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響主要包括某些制冷劑的溫室效應(yīng)、對(duì)大氣臭氧層的破壞以及制冷系統(tǒng)的“熱島效應(yīng)”等。氟利昂制冷劑的溫室效應(yīng)及某些制冷劑對(duì)大氣臭氧層的破壞主要是由于制冷劑的泄漏、排放等因素造成,與制冷系統(tǒng)的熱力性能無(wú)關(guān);而其熱島效應(yīng)是制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下對(duì)周?chē)h(huán)境的重要影響,與制冷系統(tǒng)的熱力性能以及制冷對(duì)象的特性緊密相關(guān)。因此,評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)的環(huán)境影響,除了要分析制冷劑的溫室效應(yīng)以及對(duì)臭氧層的影響外,還應(yīng)該分析制冷系統(tǒng)運(yùn)行造成的熱島效應(yīng)問(wèn)題。制冷劑的溫室效應(yīng)以及制冷系統(tǒng)使用電、熱等二次能源所間接產(chǎn)生的環(huán)境影響等問(wèn)題可利用空調(diào)冷源的能量生命周期模型來(lái)分析,但目前對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的熱島效應(yīng)問(wèn)題則關(guān)注不夠。制冷系統(tǒng)運(yùn)行的熱島效應(yīng)是制冷系統(tǒng)環(huán)境影響的一個(gè)重要組成部分,本文將著重對(duì)制冷過(guò)程的“熱島效應(yīng)”及其計(jì)算等問(wèn)題進(jìn)行分析,并根據(jù)能源利用的統(tǒng)一化評(píng)價(jià)準(zhǔn)則分別確定電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)的熱力性能以及它們單位制冷量造成的熱污染強(qiáng)度和化學(xué)污染物的排放強(qiáng)度,并對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行全面的性能評(píng)價(jià)。1城市中建筑物多且吸收大量太陽(yáng)輻射所謂的城市“熱島效應(yīng)”是工業(yè)化社會(huì)出現(xiàn)的環(huán)境問(wèn)題,是指城市由于工業(yè)集中、人口稠密、建筑密集以及植被稀少等諸原因?qū)е職鉁馗哂诮紖^(qū),形成類(lèi)似高溫孤島的現(xiàn)象。城市“熱島效應(yīng)”的產(chǎn)生是眾多因素共同作用的結(jié)果,自然界熱源和人為散熱源是造成“熱島效應(yīng)”的兩種主要熱源。自然界熱源造成的“熱島效應(yīng)”主要是由于城市中建筑物多,吸收大量的太陽(yáng)輻射熱量,且不易散失;人為散熱源造成的“熱島效應(yīng)”主要是由于能源利用過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量所造成。城市能源利用的形式主要有石油、天然氣、煤炭、電力等,這些能源在使用后都以熱量的形式排放到大氣中。另外,非能源利用過(guò)程也產(chǎn)生大量熱量,例如城市人口眾多,居住密集,人體散熱量大等。能源利用造成的“熱島效應(yīng)”是本文所關(guān)注的。原則上一年四季都可能出現(xiàn)城市“熱島效應(yīng)”,但是對(duì)居民生活和消費(fèi)構(gòu)成嚴(yán)重影響的主要是夏季高溫天氣下的“熱島效應(yīng)”。其危害體現(xiàn)在以下方面:氣溫過(guò)高使空調(diào)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行,影響人們的生活質(zhì)量;“熱島效應(yīng)”使城市耗電量和用水量大增,據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì),夏天降溫1℃要比冬天升溫1℃用電量大得多;此外,“熱島效應(yīng)”還會(huì)促使污濁空氣回流、停滯在城市上空,使市區(qū)空氣質(zhì)量下降并多云霧,給人們的生活、工作帶來(lái)諸多不便。因此,空調(diào)使用對(duì)夏季城市溫度升高的“貢獻(xiàn)”是值得關(guān)注的,定量評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)的“熱島效應(yīng)”是一項(xiàng)重要的工作。2空調(diào)的熱島效應(yīng)有不少文獻(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)的熱污染進(jìn)行過(guò)研究探討,但關(guān)于制冷系統(tǒng)“熱島效應(yīng)”的問(wèn)題討論的不多,對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)也有一些不當(dāng)之處。例如,空調(diào)機(jī)在制冷時(shí),制冷工質(zhì)在低溫低壓的汽化過(guò)程將室內(nèi)由于外界對(duì)流、輻射所吸收的熱量及人體新陳代謝散發(fā)的熱量、家用電器和家庭爐灶的使用散發(fā)的熱量通過(guò)冷凝器或冷卻塔排放到室外,引起外界環(huán)境溫度升高,這種由于空調(diào)運(yùn)行從室內(nèi)帶出的熱量造成的熱污染往往被人們誤以為是制冷系統(tǒng)的“熱島效應(yīng)”。這種看法使人們認(rèn)為由于電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)的使用產(chǎn)生了大量的熱污染,再加之電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)使用的制冷劑是國(guó)際上所禁用的氟利昂(CFC),存在對(duì)大氣臭氧層的破壞,所以應(yīng)該限制電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)的使用而大力發(fā)展利用熱量制冷的吸收式制冷機(jī)。仔細(xì)分析這種看法其實(shí)是有問(wèn)題的。能源利用的總量一定,其放熱量也一定,以往看法是以冷凝器的熱量排放為基準(zhǔn),而不是以制冷機(jī)組能源的利用為基準(zhǔn),這就將本不屬于電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)做功產(chǎn)生的熱量(如家用電器、家庭爐灶的使用散發(fā)的熱量)重復(fù)計(jì)算在了壓縮式制冷機(jī)本身消耗電能運(yùn)行產(chǎn)生的熱量上,相當(dāng)于將放熱量進(jìn)行了累加。實(shí)際上并不是由于制冷系統(tǒng)制冷工質(zhì)在冷凝器中冷凝放出的熱量排向周?chē)髿庖鹨欢ǚ秶沫h(huán)境溫度升高造成“熱島效應(yīng)”,而是由于空調(diào)裝置消耗電能或熱能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中,不可避免地伴隨著各種能量損失,這些損失最終都以熱量的形式向環(huán)境排放,引起環(huán)境增溫,造成“熱島效應(yīng)”。所以評(píng)判制冷系統(tǒng)的“熱島效應(yīng)”時(shí),制冷房間由于人體散熱,建筑物接受太陽(yáng)能輻射等非能源利用產(chǎn)生的熱量及室內(nèi)電器耗電產(chǎn)生的熱量不能計(jì)入制冷系統(tǒng)的“熱島效應(yīng)”中,只能將空調(diào)設(shè)備由于能源使用(耗電或耗熱)做功所產(chǎn)生的熱量計(jì)入其中。即空調(diào)造成的“熱島效應(yīng)”應(yīng)該是其耗電量或消耗的熱源熱量的體現(xiàn)。這樣計(jì)算不是以制冷系統(tǒng)中某個(gè)設(shè)備的熱量排放為基準(zhǔn),而是以設(shè)備的能源利用為基準(zhǔn),最終轉(zhuǎn)化為以電量為基準(zhǔn),較合理且清晰地反映出了制冷系統(tǒng)的“熱島效應(yīng)”,有利于全面評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)的環(huán)境影響。3冷壓機(jī)的壓縮和吸收式制造熱污染比較3.1熱力系數(shù)的測(cè)定,cop、qg/w表征壓縮式制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)性能指標(biāo)是其制冷量θ0與耗電量W的比值,稱(chēng)為制冷系數(shù)或性能系數(shù),即:COP=Q0/W(1)吸收式制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程消耗的能量是耗熱量與溶液泵的耗電量之和,定義其熱力系數(shù)為:ζ=Q0/(Qg+Wp)≈Q0/Qg(2)3.2電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)能耗特性對(duì)于電動(dòng)壓縮式制冷機(jī),假設(shè)其制冷量為Q0,耗電量為W。根據(jù)前文所述,電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)由于運(yùn)行所產(chǎn)生的熱污染應(yīng)該是自身耗電量的體現(xiàn)。因此,電動(dòng)壓縮式制冷機(jī)單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度為:Qocioci=W/Q0=1/COP(3)3.3準(zhǔn)煤調(diào)濕的熱污染對(duì)于直燃型吸收式制冷機(jī),當(dāng)它運(yùn)行時(shí)假設(shè)其制冷量為Q0,將其消耗的燃?xì)饬空鬯愠蓸?biāo)準(zhǔn)煤耗量B,標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱值為qslsl,直燃型吸收式制冷機(jī)由于自身運(yùn)行所產(chǎn)生的熱污染應(yīng)該是其消耗的熱源熱量的體現(xiàn)(溶液泵的耗電量WP相對(duì)于直燃型吸收式制冷機(jī)的耗熱量很小,可忽略不計(jì))。因此,直燃型吸收式制冷機(jī)單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度為:Qobiobi=B·qslsl/Q0(4)3.4發(fā)生器熱源的量對(duì)于溴化鋰制冷機(jī),若采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式運(yùn)行,假設(shè)其制冷量為Q0,發(fā)生器中熱源的熱量為Qg。同理,熱電聯(lián)產(chǎn)溴化鋰吸收式制冷機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的熱污染應(yīng)是自身消耗的熱源熱量的體現(xiàn)。則其單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度為:Qoaioai=Qg/Q0=1/ζ(5)3.5吸收式制冷機(jī)與吸收式熱源對(duì)于電動(dòng)壓縮式制冷機(jī),假設(shè)其制冷量為Q0,耗電量為W,則其向高溫?zé)嵩吹呐艧崃繛?Qk=Q0+W(6)對(duì)于吸收式制冷機(jī),假設(shè)其制冷量為Q0,耗熱量為Qg,則其向高溫?zé)嵩吹呐艧崃繛?Qk=Q0+Qg(7)3.6單位制冷量的影響分析上述幾個(gè)式子可知,壓縮式制冷機(jī)單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度是其性能系數(shù)的倒數(shù);直燃型吸收式制冷機(jī)單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度是所消耗燃料的發(fā)熱量與其制冷量的比值;熱電聯(lián)產(chǎn)溴化鋰吸收式制冷機(jī)單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度是其熱力系數(shù)的倒數(shù)。4統(tǒng)一及其控制冷系統(tǒng)運(yùn)行效能分析為了能夠準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)制冷機(jī)組的節(jié)能效果,便于進(jìn)行各種類(lèi)型制冷機(jī)組性能的橫向比較,在能源利用的單耗分析模型基礎(chǔ)上,提出電量法。即以電量為基準(zhǔn),將能源的利用統(tǒng)一折算到電量上來(lái),利用具有相同物理意義的(當(dāng)量)性能系數(shù)(ECOP,COP)、單位制冷量所消耗的燃料(標(biāo)煤)量(bo)和相應(yīng)的一次能源制冷效率(ηo)作為制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的統(tǒng)一性性能指標(biāo),分析各種制冷系統(tǒng)的優(yōu)劣。由于我國(guó)電能絕大部分是由火力發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)的,所以無(wú)論是吸收式制冷機(jī)消耗的蒸汽量,還是壓縮式制冷機(jī)消耗的電量,均可以折算成標(biāo)準(zhǔn)煤耗量。這就追蹤了能源利用的生產(chǎn)供應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)輸配以及用戶(hù)終端使用過(guò)程,有利于掌握能源在終端用戶(hù)使用的真實(shí)情況。4.1燃料單耗與常規(guī)燃料單耗的比例對(duì)于壓縮式制冷機(jī),其熱力學(xué)性能指標(biāo)COP是制冷量Q0與耗電量W的比值,稱(chēng)為性能系數(shù)。假定制冷機(jī)從某一供電燃料單耗為b*es的典型機(jī)組獲取的電量為W,輸電效率為ηen,其單位制冷量的燃料單耗可由式(8)計(jì)算:boc=b*es/(ηen·COP)(8)一次能源的制冷效率是實(shí)際計(jì)算的燃料單耗與理論最低燃料單耗的比值,由式(9)計(jì)算:ηoc=34.1/boc=34.1×ηen×COP/b*es(9)4.2分量電耗量定義燃料的技術(shù)火用ε為單位燃料經(jīng)典型機(jī)組轉(zhuǎn)化成的電量,它等于該機(jī)組供電燃料單耗b*es的倒數(shù)。對(duì)于直燃型吸收式制冷機(jī),用燃料的技術(shù)火用來(lái)折算其供熱所消耗的當(dāng)量電耗量。設(shè)制冷量為Q0,燃料的消耗量為B,其當(dāng)量電耗量EECRb及當(dāng)量性能系數(shù)ECOPb為:EECRb=ε·B(10)ECOPb=Q0/ε·B(11)設(shè)直燃鍋爐和管道的效率為ηb和ηp,上式化簡(jiǎn)為:ECOPb=ηb·ηp·qolol·b*es(12)單位制冷量的燃料單耗為:bob=B/Q0=1/(ηb·ηp·qolol)(13)bob=b*es/ECOPb(14)相應(yīng)的一次能源的制冷效率為:ηob=34.1/bob=ηb·ηp(15)4.3發(fā)電機(jī)效率計(jì)算熱電冷聯(lián)供的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的當(dāng)量電耗量EECR為:EECR=Dh(h-hc)(1-ξ)ηmηg/3600(16)式中:Dh—抽氣量;h,hc—分別為抽氣焓和排氣焓;ηm、ηg—分別為機(jī)組機(jī)械效率和發(fā)電機(jī)效率;ζ—廠(chǎng)用電率。其熱當(dāng)量性能系數(shù)ECOP為:ECOP=Q0/EECR(17)設(shè)機(jī)組供電燃料單耗為bes,則單位制冷量的燃料單耗為:boa=bes·EECR/Q0(18)其一次能源的制冷效率為:ηoa=34.1/boa=34.1×ECOP/bes(19)5制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)是判斷制冷系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)重要組成部分,因此,建立統(tǒng)一化的制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)的績(jī)效性指標(biāo)體系,使各種制冷系統(tǒng)造成的環(huán)境影響具有可比性是關(guān)鍵。5.1壓縮式制冷的環(huán)境污染強(qiáng)度對(duì)于壓縮式制冷機(jī),制冷量為Q0,耗電量為W,假設(shè)消耗的電量來(lái)自電網(wǎng)主力機(jī)組,主力機(jī)組第i種污染物的平均排放強(qiáng)度為Cie,*,則壓縮式制冷的環(huán)境污染強(qiáng)度為:Cio,c=Cie,*·W/Q0=Cie,*/COP(20)5.2直燃型吸收式制冷的污染物排放強(qiáng)度設(shè)其制冷量為Q0,燃料的消耗量為B,流程泵功為WP,第i種污染物的排放量為mi,用燃料的技術(shù)火用ε折算其當(dāng)量電耗量EECRb,對(duì)應(yīng)的當(dāng)量性能系數(shù)為ECOPb。若忽略泵功及其污染物的影響,則直燃型吸收式制冷的污染物排放強(qiáng)度為:Co,bi=mi/Q0=Ce,bi/ECOPob(21)式中:Ce,bi—以電量為基準(zhǔn)的燃?xì)忮仩t供熱之當(dāng)量污染物排放強(qiáng)度。Ce,bi=mi/EECRb(22)5.3熱污染排放強(qiáng)度計(jì)算設(shè)供電量為Wn,制冷量為Q0,供熱機(jī)組少供的電量即供熱當(dāng)量電量消耗為EECRa,若第i種污染物的排放量為mi,則其制冷的污染物排放強(qiáng)度為:Co,ai=mi?EECRWn+EECR/Q0=Ce,ai/ECΟΡoa(23)Co,ai=mi?EECRWn+EECR/Q0=Ce,ai/ECOPoa(23)式中:Ce,ai—供電的熱污染排放強(qiáng)度。Ce,ai=mi/Wn+EECRa(24)5.4性能評(píng)價(jià)指標(biāo)由上述各式可知,以電量為基準(zhǔn)統(tǒng)一了制冷系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些統(tǒng)一化的熱力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和環(huán)境評(píng)價(jià)及前文算出的單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度,可作為全面評(píng)價(jià)各種制冷系統(tǒng)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。6不同制冷方式對(duì)比以FLZ-1000A型離心式壓縮制冷機(jī)和SCC-32雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)為例,制冷量分別為1255kW和1196kW。壓縮式制冷機(jī)的功率約為285kW,吸收式制冷機(jī)消耗0.6MPa的蒸汽1560kg/h(視為飽和蒸汽)。不同電源和熱源條件下制冷機(jī)的熱力性能、單位制冷量造成的熱污染的排放強(qiáng)度及單位制冷量的化學(xué)污染物排放強(qiáng)度如表1所示。比較而言,在各種制冷方式中,直燃型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的當(dāng)量性能系數(shù)最小,單位制冷量的燃料消耗最大,單位制冷量