基于㶲分析的空调系统节能潜力挖掘
2025-10-19

在现代建筑能耗中,空调系统占据了相当大的比例,尤其在夏热冬冷地区,其运行能耗可占建筑总能耗的40%以上。随着“双碳”目标的推进,如何高效挖掘空调系统的节能潜力成为暖通空调领域的重要课题。传统的能量分析方法(如热力学第一定律)仅关注能量的数量,难以揭示系统内部的能量品质损失和不可逆性。相比之下,基于㶲分析的方法从热力学第二定律出发,能够更准确地评估能量转换过程中的有效能损失,从而为系统优化提供科学依据。

㶲,又称“有效能”,是指在给定环境条件下,系统与环境达到平衡过程中所能做的最大理论功。它不仅反映能量的数量,还体现其做功能力,即能量的“品质”。在空调系统中,制冷剂循环、空气处理、风机水泵运行等环节均伴随着㶲的消耗与损失。通过构建系统的㶲平衡方程,可以量化各部件的㶲效率与㶲损,进而识别主要的节能瓶颈。

以典型的蒸汽压缩式空调系统为例,其主要组成部分包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。对这些部件进行分步㶲分析发现,压缩机和节流阀是㶲损失最为显著的两个环节。压缩机由于存在机械摩擦、电机损耗以及气体压缩过程中的不可逆性,导致其㶲效率通常低于80%。而节流阀作为等焓过程装置,虽然结构简单,但其节流过程属于典型的不可逆膨胀,造成大量㶲的直接耗散,㶲效率接近于零。此外,冷凝器和蒸发器虽以换热为主,但由于传热温差较大,也存在显著的㶲损失,尤其是在高温冷凝或低温蒸发工况下更为明显。

进一步拓展至整个空调系统,还包括空气处理单元(如表冷器、加热器、加湿器)、风机、水泵及风管水路系统。这些辅助设备在输送冷热量的过程中同样产生㶲损。例如,风机驱动空气流动时,电能转化为动能和压能,但因流动阻力和湍流效应,部分能量以㶲的形式耗散;水泵在输送冷冻水或冷却水时亦然。通过系统级㶲分析,可以建立全系统的㶲流图,清晰展示㶲的输入、利用与损失路径,为优化设计提供可视化支持。

基于上述分析,挖掘空调系统节能潜力的关键在于降低各环节的㶲损。首先,针对压缩机,可采用高效变频压缩机或磁悬浮压缩机,减少机械损失并实现负荷匹配,提升㶲效率。其次,替代传统节流阀的技术路径值得探索,如采用膨胀机回收部分膨胀功,或将系统改造为具有内部热交换功能的回热循环,从而减少节流过程的㶲破坏。对于换热设备,可通过优化换热面积、减小传热温差、采用高效换热表面(如翅片管、微通道)等方式降低㶲损。此外,在系统层面,合理匹配冷热源与末端需求,避免“大马拉小车”现象,也是提升整体㶲效率的重要手段。

智能化控制策略同样在㶲管理中发挥重要作用。基于实时运行数据与环境参数,结合模型预测控制(MPC)或人工智能算法,动态调节压缩机频率、水泵转速、风机风量等参数,使系统始终运行在高㶲效率区间。例如,在部分负荷工况下,通过调整冷冻水出水温度和流量,减少不必要的㶲耗散,实现按需供冷。

值得注意的是,㶲分析的应用不应局限于单一设备或系统,而应扩展至多联机系统、热泵系统、区域供冷系统乃至建筑能源集成系统。在建筑综合能源系统中,空调系统常与太阳能、地源热泵、余热回收等技术耦合,此时㶲分析有助于评估不同能源形式之间的品位匹配程度,指导能量梯级利用。例如,利用高温余热驱动吸收式制冷,相较于电制冷,可在特定条件下实现更高的㶲效率。

综上所述,基于㶲分析的节能评估方法突破了传统能量分析的局限,能够深入揭示空调系统中能量品质的演变规律与损失机制。通过精准定位高㶲损环节,并结合设备升级、系统优化与智能控制,可显著提升系统能效水平。未来,随着数字孪生、大数据分析等技术的发展,㶲分析有望实现在线监测与动态优化,为空调系统的低碳化、智能化运行提供强有力的技术支撑。在实现建筑节能与可持续发展的进程中,㶲分析必将发挥越来越重要的作用。

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