149談熵增理論與空調系統(tǒng)節(jié)能

1、談熵增理論與空調系統(tǒng)節(jié)能山東建筑大學 戎衛(wèi)國 孟繁晉摘要 熱力學關于熵的概念揭示了自然界中一切過程的不可逆性，即自然界中發(fā)生的一切過程總是朝著使孤立系統(tǒng)總熵增加的方向進行，并且隨著孤立系統(tǒng)總熵的增加，造成能量的作功能力的損失。本文從熱力學第二定律出發(fā)，將熵的觀念引申到空調系統(tǒng)領域，提出了在空調系統(tǒng)中能量利用的原則和應采取的措施。關鍵詞 熵 空調系統(tǒng) 節(jié)能原則1 引言自1865年，德國物理學家克勞修斯首次將熵這個概念引入熱力學后，隨著科學技術的發(fā)展，從平衡熱力學、線性非平衡熱力學到耗散結構理論，熱力學中熵的理論和概念也在不斷延伸和擴展。如今，不僅在科技領域，而且在社會科學甚至人文科學領域，都隨處

2、可見到熵這一概念。非平衡態(tài)熱力學從復雜開放系統(tǒng)出發(fā)，對系統(tǒng)熵的變化描述為 （1）式中，：開放系統(tǒng)熵變；：開放系統(tǒng)內部不可逆熵產；：開放系統(tǒng)與外界由于質量和能量交換引起的熵變，稱為熵流。由于一切實際過程都是不可逆的，因此由于過程不可逆所引起的熵產變化永遠是大于零的；而熵流的變化則根據(jù)開放系統(tǒng)與外界的能量和質量交換情況可正、可負，也可為零。開放系統(tǒng)的熵變等于熵產于熵流之和，總的變化趨勢有三種情況：如果兩者共同作用使系統(tǒng)熵變等于零，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果使系統(tǒng)熵變大于零，系統(tǒng)發(fā)生震蕩與崩潰；如果系統(tǒng)的熵變小于零，系統(tǒng)從一種穩(wěn)定結構向另一種穩(wěn)定結構進化。熱力學的基本理論是普遍適用的。小到一個能量傳遞與

3、轉換設備，大到整個地球都可以看作上述的開口系統(tǒng)進行分析。例如對于空調系統(tǒng)的供熱工況的分析，我們通常都習慣說是靠消耗能量來維持一定室內溫度，其實在穩(wěn)定工況下，房間得到的熱量等于傳出的熱量，房間是不消耗能量的，房間維持一定室內溫度是依賴于消耗較高溫度的低熵能量，排除低溫度的高熵能量，即依靠引入負熵流與熵產抵消，維持室內系統(tǒng)熵不變的穩(wěn)定狀態(tài)?？照{系統(tǒng)節(jié)能本質上是盡量減少不可逆造成的熵產，減少負的熵流的消耗。人類居住的地球實際上是一個依賴吸收來自太陽“負熵流”生存的開放系統(tǒng)。人類對能源的無節(jié)制使用必然造成地球生態(tài)系統(tǒng)熵值增加，引起能源枯竭、地力衰退、溫室效應、水土流失和荒漠化，生態(tài)系統(tǒng)對太陽能（負熵）

4、的吸收能力減弱，人類活動的綜合效應是使正熵增加和負熵減少。要減緩地球上的熵增過程，就要使其與來自太陽的“負熵流”相平衡，人們就要改變用能方式和生活方式，從浪費型向節(jié)約型轉變，從掠奪性的開采利用能量，貪婪地追求物質享受到追求低熵生活的內容與要求。2 空調系統(tǒng)科學用能的原則和節(jié)能措施吳仲華院士曾經(jīng)精辟地為科學用能原則總結了16個字：“分配得當、各得所需、溫度對口、梯級利用”。上述科學用能原則實際上是盡量減少用能過程熵產的具體體現(xiàn)，理應也是空調系統(tǒng)的用能的原則。2.1 空調系統(tǒng)能源方式的節(jié)能原則和措施空調系統(tǒng)最大的不合理性是什么？按照熱力學第二定律熵分析的觀點，空調系統(tǒng)最大的不合理性就是常規(guī)空調系統(tǒng)

5、靠消耗燃料化學能或電能等高品質能量來維持室內溫度、濕度環(huán)境，高級能干低級活，系統(tǒng)的不可逆性大，熵產大。同樣屬于消耗高品質能量，為什么熱泵供暖就變的較為合理了呢？原因在于熱泵供暖以消耗少量高級能量為代價獲得了更多的冷量和熱量，使得輸出熵增大，負熵流減小，與之平衡的熵產也減小，所以較消耗燃料化學能或電能將其直接轉變成熱能加以利用要合理，是將來應提倡和發(fā)展的能源利用方式。具有熱回收的熱泵機組能夠做到冷熱兼用，使消耗的負熵流進一步減小，就更為合理了?？傊照{系統(tǒng)節(jié)能應該首先要按照合理分配的原則正確選擇能源方式，不僅做到數(shù)量上節(jié)約，更要做到質量上匹配，盡量使空調系統(tǒng)的熵產量最小。2.2 空調系統(tǒng)轉換和

6、輸配環(huán)節(jié)的節(jié)能原則和措施空調系統(tǒng)較之制冷機組的本質差別，實際上就是通過增加轉換環(huán)節(jié)和輸配管網(wǎng)擴展了其蒸發(fā)器和冷凝器的作用范圍。但是隨著輸配管網(wǎng)的增大和轉換環(huán)節(jié)的增加，增加了輸配能耗和傳熱溫差，使得空調系統(tǒng)的不可逆性增加，系統(tǒng)熵產增加。特別是輸配能耗所消耗的是高級能量，由于克服摩擦最終轉換為低級能量-熱能，這是一部份很大的損失。據(jù)統(tǒng)計輸配能耗已占空調系統(tǒng)能耗的30%，此時再去千方百計的提高制冷機的性能系數(shù)，意義已經(jīng)不大。以往人們對于傳熱溫差和輸配能耗的影響并不重視，因為這兩種損失并不是能量的數(shù)量損失，而是能量的質量損失，在傳統(tǒng)的熱力學第一定律能量分析法中是體現(xiàn)不出的，而熱力學第二定律熵分析方法卻

7、將其看作真正的能量損失。在面臨能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為世界各國亟待解決的重大問題的今天，人們必須用熱力學第二定律熵分析的方法和觀點重新審視和分析傳統(tǒng)的空調用能方式和理念。按照熱力學的節(jié)能理念，空調系統(tǒng)節(jié)能就是要減少轉換環(huán)節(jié)，減少傳熱溫差，因為溫差越大、系統(tǒng)的不可逆性越大、熵產越大。目前常規(guī)空調系統(tǒng)的室內溫度為27，而制冷機蒸發(fā)溫度為0左右，有27的溫差，而溶液吸收式制冷、毛細管輻射供冷和獨立新風系統(tǒng)恰恰是降低了傳熱溫差，因此是一種符合熱力學節(jié)能原則的節(jié)能措施?？照{系統(tǒng)輸送能耗所消耗的是高級能量-機械能，因此空調系統(tǒng)節(jié)能分析中切不能將其與冷量、熱量等量齊觀，而要按質論價。以往空調系統(tǒng)的輸送能耗過大

8、，也與長期以來人們習慣于熱力學第一定律能量分析的觀點，缺乏對能量質量上差別的認識有關。對于熱電聯(lián)供或熱電冷聯(lián)供技術，雖然符合能量梯級利用原則，但在輸送過程中消耗了大量能量，加上隨著供熱、供冷規(guī)模的擴大帶來的調控困難、沿途損失，其優(yōu)勢會降低。因此在確定供熱、供冷方式時一定要具體分析，不能簡單認為集中的規(guī)模越大，就一定節(jié)能。隨著社會發(fā)展人們的個性化要求會越來越高，因此除非大型公共建筑，對于居住建筑和辦公建筑，就地處理、分散的空氣源熱泵系統(tǒng)的應用可能會越來越多。地源（含土壤源、水源）熱泵技術的應用目前很熱，幾乎成為空調節(jié)能的標志，但是在應用和推廣中切不可忽略增加的水源側水泵輸送能耗的影響，在評價其能

9、效系數(shù)時一定要考慮增加的水泵能耗的影響，這樣一來其優(yōu)勢、特別時供冷工況時的優(yōu)勢就會明顯減小。另外，地源熱泵技術的最大優(yōu)勢在于將地球內部看作一個蓄熱體，實現(xiàn)夏灌冬用，能量循環(huán)利用，如果不能做到冬夏季負荷基本平衡的話，從地下取熱或取冷就不是無償?shù)?，使空調系統(tǒng)的熵產增大，并對環(huán)境造成污染?？傊?jié)能措施也是要花費代價的，合適的地方要采用合適的能量，適合分散使用的能量，就沒有必要集中起來大規(guī)模使用，對于空調系統(tǒng)的任何一項節(jié)能措施都有其適用條件和范圍，應用過程中一定要進行客觀、公正的評價與分析。3 結論（1）隨著節(jié)能和環(huán)保意識的不斷增強,節(jié)能理論和觀點也在不斷進步和深化,應該改變以往只看數(shù)量,不看質量的簡單節(jié)能理念.利用熱力學第二定律“熵”的觀點指導空調系統(tǒng)節(jié)能。（2）按照不平衡熱力學的觀點，空調系統(tǒng)可以看作一個穩(wěn)定的開口系統(tǒng)，依賴吸入負熵流與系統(tǒng)熵產平衡，維持系統(tǒng)熵不變。按照熵理論，空調系統(tǒng)節(jié)能就是減少消耗的負熵流和熵產。（3）按照“熵”的觀點分析，傳統(tǒng)的空調方式存在著很大的不合理性，因此空調系統(tǒng)的理論和技術必然要面對一場深刻的變革，這場變革將會影響空調技術的推廣與普及。參考文獻（1） 傅秦生