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基于火用方法的暖通空调系统热力学分析研究

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附表索引

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究的主要内容与创新

第2章 火用分析的基本概念和方法

2.1 能量及能量守恒概念

2.2 火用分析的基本概念

2.3 火用传递过程的动力学方程

2.4 普遍化形式的能量传递方程及火用方程

2.5 一维稳态流动模型的能量及火用方程

2.6 本章小结

第3章 湿空气火用和水火用

3.1 概述

3.2 湿空气火用

3.3 水火用基本公式

3.4 基于火用分析方法计算饱和水的p-T关系

3.5 本章小结

第4章 自然通风系统的火用分析

4.1 自然通风系统的一维稳态控制方程

4.2 热压自然通风系统与机械通风系统的比较与分析

4.3 本章小结

第5章 蒸发冷却系统的火用分析

5.1 水火用、汽化潜热火用与蒸汽火用的关系

5.2 蒸发冷却系统的火用效

5.3 冷却塔的火用分析

5.4 本章小结

第6章 空调系统火用负荷及热湿独立评价方法

6.1 空调系统火用负荷

6.2 空调系统的动态火用负荷分析

6.3 热湿独立评价方法

6.4 本章小结

第7章 溶液除湿系统的火用分析

7.1 溶液除湿系统

7.2 溶液除湿系统的能量方程和火用方程

7.3 溶液除湿系统的火用传递分析

7.4 溶液除湿系统的影响因素分析

7.5 双效溶液除湿系统及其火用分析

7.6 本章小结

第8章 吸收式制冷、热泵系统的火用分析

8.1 概述

8.2 吸收式制冷系统的火用分析

8.3 第一类吸收式热泵系统的火用分析

8.4 第二类吸收式热泵系统的火用分析

8.5 有浓度差的吸收式制冷系统的火用分析

8.6 本章小结

第9章 吸收压缩式制冷、热泵系统的火用分析

9.1 概述

9.2 吸收压缩式制冷系统的火用分析

9.3 吸收压缩式第二类热泵系统的火用分析

9.4 吸收压缩式双效第二类热泵系统的火用分析

9.5 吸收压缩式双温制冷系统的火用分析

9.6 吸收压缩式双温第二类热泵系统的火用分析

9.7 吸收压缩式双温双效第二类热泵系统的火用分析

9.8 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的论文与获得成果

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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。

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