住宅用水源熱泵機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)

住宅用水源熱泵機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)研究摘要：本文以自行研發(fā)的住宅用水源熱泵機(jī)組為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)來說明其性能特性，在考慮部分負(fù)荷情況下與市場(chǎng)上同類住宅用水源熱泵做了經(jīng)濟(jì)性比較，得出了其良好的工作性能。對(duì)住宅和小型商用水源熱泵中央空調(diào)的設(shè)計(jì)開發(fā)和工程設(shè)備選型具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵字：水源熱泵COP能耗比較部分負(fù)荷0引言水源熱泵作為一種有益于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)科學(xué)發(fā)展的冷熱源形式，已經(jīng)倍受人們關(guān)注，國(guó)內(nèi)越來越多的生產(chǎn)企業(yè)紛紛推出各種形式的水源熱泵產(chǎn)品。然而，目前國(guó)內(nèi)外的理論研究多集中于地下部分，即地下盤管的耦合，土壤的傳熱等。對(duì)地下含水層的地質(zhì)分析、井的尺寸的合理設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足未來增長(zhǎng)的負(fù)荷需求，應(yīng)考慮井的供水和回灌能力在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的下降方面進(jìn)行了多方面的研究；對(duì)地上部分的水源熱泵機(jī)組則多限于經(jīng)濟(jì)性方面的研究，而對(duì)機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性、部分負(fù)荷情況下的能耗變化給予的關(guān)注比較少。本文將以自行研發(fā)的住宅用水源熱泵機(jī)組為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)來研究水源熱泵機(jī)組的性能特性及其在部分負(fù)荷情況下的能耗變化。1住宅用水源熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介在充分參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)后[1~3]，利用系統(tǒng)仿真學(xué)原理，在質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒的基礎(chǔ)上，對(duì)熱泵機(jī)組的冷凝器、蒸發(fā)器、毛細(xì)管和壓縮機(jī)外殼與外界的換熱環(huán)節(jié)分別建立了與其相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，而對(duì)響應(yīng)時(shí)間較短的壓縮機(jī)內(nèi)部的制冷劑壓縮輸送環(huán)節(jié)則建立了穩(wěn)態(tài)的數(shù)學(xué)模型，并首次將渦旋式壓縮機(jī)外殼的換熱環(huán)節(jié)視做了蒸發(fā)器的一部分，現(xiàn)將渦旋式壓縮機(jī)外殼的換熱環(huán)節(jié)所建模型簡(jiǎn)要列出，至于其他部件的建?？梢詤⒁娪嘘P(guān)文獻(xiàn)[4]~[7]。1.1制冷劑通過壓縮機(jī)筒壁與環(huán)境的換熱過程模型分析全封閉式渦旋壓縮機(jī)為中間進(jìn)氣，上部排氣的結(jié)構(gòu)，制冷劑兼起電機(jī)冷卻作用。制冷劑出蒸發(fā)器后首先進(jìn)入壓縮機(jī)的殼體側(cè)，系統(tǒng)停機(jī)時(shí)潤(rùn)滑油中溶解的那部分制冷劑液體，在壓縮機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)將與壓縮機(jī)外殼換熱，為了對(duì)制冷劑通過壓縮機(jī)筒壁與環(huán)境的換熱過程進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，建立了動(dòng)態(tài)模型，將其作為蒸發(fā)器的一個(gè)節(jié)點(diǎn)來研究，既提高了模擬的準(zhǔn)確性，又降低了模擬求解的難度。1.2蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型建立根據(jù)圖1給出的板式換熱器逆流換熱微元體，建立數(shù)學(xué)模型。質(zhì)量守恒方程：(1)動(dòng)量守恒方程：(2)能量守恒方程：(3)為解決研究中的特殊問題有必要對(duì)傳熱過程做出適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡(jiǎn)化：制冷劑流動(dòng)為一維流動(dòng)，速度分量U得到簡(jiǎn)化；在任何流動(dòng)截面上流體壓力相等；忽略流道內(nèi)壓力變化對(duì)制冷劑流速的影響；忽略制冷劑粘滯力的影響；在垂直于主流方向的截面上速度分量均為零；假定制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)部的干度呈線性分布。蒸發(fā)器包含幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的組成單元：制冷劑、板式換熱器間壁板、冷(熱)流體(這里采用水作為冷熱媒，并且忽略間壁板的傳熱熱阻)。除了制冷劑外，冷(熱)水的離散方程也可以通過控制方程(4)、(5)采用其控制參量來獲得。1.3數(shù)學(xué)模型的離散化本文采用控制容積積分法建立離散方程。首先將換熱器的計(jì)算區(qū)域沿著流體流動(dòng)的方向劃分出一系列控制容積，如圖2所示其中最后一個(gè)控制體是對(duì)制冷劑出蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)外殼后的狀態(tài)模擬。然后將式(5)、(6)在任一控制容積及時(shí)間間隔內(nèi)作空間與時(shí)間積分，得到下式：(6)(7)根據(jù)圖2以及控制容積積分時(shí)采用的階梯式分布型線，可以近似得到下述關(guān)系：對(duì)順流，當(dāng)m1j-1>0時(shí)：h1i-1=h1j-1；當(dāng)m1j>0時(shí)：h1i=h1j。對(duì)逆流，當(dāng)m1j-1<0時(shí)：h1i=h1j-1；當(dāng)m1j<0時(shí)：h1i+1=h1j。根據(jù)以上假設(shè)和公式推導(dǎo)，最終得到制冷劑通過壓縮機(jī)筒壁與環(huán)境的換熱過程的離散控制方程：(8)(9)(10)2實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)介紹由于本文重點(diǎn)研究的是熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀況，為降低實(shí)驗(yàn)臺(tái)成本縮短實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建時(shí)間，采用一臺(tái)活塞式冷水機(jī)組和一臺(tái)10kW電加熱器串聯(lián)為試驗(yàn)臺(tái)提供7℃~25℃冷卻(或熱源)用水，用以模擬地下水源出水情況?？蛲鉃閷?shí)驗(yàn)輔助設(shè)備，包括由原有的一臺(tái)活塞式制冷機(jī)和一臺(tái)電加熱器改造的冷卻水模擬設(shè)備(13，14)，三臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管(圖中只畫出一臺(tái))和兩套電加熱器(圖中只畫出一套作為示意)組成的室內(nèi)負(fù)荷系統(tǒng)(6，13)，數(shù)據(jù)測(cè)量和采集處理裝置(10，11，12)共三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中需要采集的數(shù)據(jù)包括：機(jī)組啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行過程中壓縮機(jī)進(jìn)出口、冷凝器出口、蒸發(fā)器進(jìn)口各點(diǎn)的溫度、壓力，冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫和流量。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能分析3.1熱泵機(jī)組供熱工況性能分析圖4表示了冬季運(yùn)行工況部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)輸入功率、制熱量及性能系數(shù)COP隨著水源側(cè)的進(jìn)水水溫(冷凝器進(jìn)水水溫)和蒸發(fā)器出水水溫的變化情況。圖4表示的制熱量、輸入功量可以發(fā)現(xiàn)，冬季運(yùn)行工況，當(dāng)蒸發(fā)器出水水溫保持不變時(shí)，隨著水源進(jìn)水溫度的升高，機(jī)組制熱能力升高，壓縮機(jī)輸入功率減小，COP增大。同樣，在水源進(jìn)水溫度不變時(shí)，隨著蒸發(fā)器出水水溫的降低，制熱能力也跟著增大，壓縮機(jī)輸入功率降低，COP值增大。冬季實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況(冷凝器進(jìn)出水溫度9/16℃，蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度40/45℃)條件下，該住宅用水源熱泵機(jī)組制熱量為12.6kW，輸入功率3.02kW,性能系數(shù)COP等于4.2。3.2組制冷工況性能分析圖5季運(yùn)行工況部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)輸入功率、制冷量及COP隨著冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的變化情況。從圖5所表示的制冷量、輸入功量可以發(fā)現(xiàn)，夏季運(yùn)行工況，在同一蒸發(fā)溫度下隨著冷凝溫度的降低，機(jī)組制冷能力升高，壓縮機(jī)輸入功率減小，COP增大。同樣，在冷凝溫度不變時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，制冷能力也跟著增大，壓縮機(jī)輸入功率降低，COP值增大。夏季設(shè)計(jì)運(yùn)行工況(冷凝溫度32℃，蒸發(fā)溫度4.4℃)條件下，該住宅用水源熱泵機(jī)組制冷量為11.3kW，輸入功率2.3kW,性能系數(shù)COP等于4.9。3.3與同類水源熱泵機(jī)組全年能耗比較由于水源熱泵全年大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，必須考慮由于部分負(fù)荷運(yùn)行所引起的效率降低的問題，為此有必要驗(yàn)證機(jī)組是否達(dá)到最優(yōu)制熱制冷綜合效率?，F(xiàn)將機(jī)組與市場(chǎng)中知名同類產(chǎn)品（稱為產(chǎn)品A和產(chǎn)品B）在理論上做全年部分負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性比較。為了使研究工作具有代表性,本文以一戶位于天津市某采用水源熱泵系統(tǒng)的住宅小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)戶型住宅（戶型分別為三室兩廳，空調(diào)面積150m2）為例,利用美國(guó)ASHRAE改進(jìn)的Bin能耗計(jì)算方法(ModifiedBinMethod)[8]，作了一些適合于我國(guó)華北地區(qū)民用住宅使用的修改后，對(duì)三者的全年經(jīng)濟(jì)狀況來加以比較。其結(jié)果見表1。表1機(jī)組全年部分負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性比較表熱泵機(jī)組樣機(jī)熱泵機(jī)組A熱泵機(jī)組B10kＷ空氣源源熱泵機(jī)組組制冷工況制熱工況制冷工況制熱工況制冷工況制熱工況壓縮機(jī)輸入功率率（W）：242034602760321027003350機(jī)組輸出冷（熱熱）量（W）：114001270011000130001190012100采暖運(yùn)行全年費(fèi)費(fèi)用(元/年)：2050206921663302制冷運(yùn)行全年費(fèi)費(fèi)用(元/年)：1862182117903176全年運(yùn)行費(fèi)用合合計(jì)(元/年)：3911389039566477采暖運(yùn)行全年費(fèi)費(fèi)用(元/m2·年)：13.6713.8014.4422.0制冷運(yùn)行全年費(fèi)費(fèi)用(元/m2·年)：12.4112.1411.9321.2全年運(yùn)行費(fèi)用合合計(jì)(元/m2·年)：26.0825.9326.3843.2從表1可以看出，新研制的熱泵機(jī)組在全年部分負(fù)荷運(yùn)行的情況下，具有較低的運(yùn)行費(fèi)用，甚至比機(jī)組B還要低一些，說明新研制的熱泵機(jī)組具有良好的工作特性；另外水源熱泵比同類風(fēng)冷熱泵具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，全年節(jié)能40%左右。從表1還可以看出，對(duì)于北方地區(qū)而言，冬季供暖負(fù)荷略高于夏季制冷負(fù)荷，所消耗的能源及費(fèi)用所占比重較大，因此，對(duì)于寒冷地區(qū)用熱泵，在研發(fā)時(shí)，一定要在兼顧制冷性能的同時(shí)，給予供熱性能足夠的重視。4結(jié)論本文通過理論與實(shí)驗(yàn)研究，給出了新研發(fā)的住宅用水源熱泵機(jī)組的工作性能曲線，并與當(dāng)前市場(chǎng)上同類水源熱泵機(jī)組作了相關(guān)比較，得出以下結(jié)論：（1）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的住宅用水源熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型，為日后熱泵機(jī)組的研發(fā)提供一定的參考。（2）住宅用水源熱泵機(jī)組采用板式換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器，對(duì)于減少熱泵機(jī)組的尺寸，減少安裝占地面積有很大優(yōu)勢(shì)。（3）考慮到水源熱泵全年運(yùn)行時(shí)，室外氣象條件造成的冬季和夏季能耗的不同，對(duì)于寒冷地區(qū)更應(yīng)該考慮冬季供熱要求，機(jī)組設(shè)計(jì)也應(yīng)給予相應(yīng)的重視。參考文獻(xiàn)：1)J.W.MacArthurandE.W.Grald,Unsteadycompressibletwo-phraseflowmodelforpredictingcyclicheatpumpperformanceandacomparisonwithexperimentaldata,Int.J.Refrig.1989,12(1):29~4142)陳芝久.制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，199873)張立群，劉永波．渦旋壓縮機(jī)工作特性的研究，流體機(jī)械，2003，31(3)：1~54)丁國(guó)良，張春路．制冷空調(diào)裝置的智能仿真，北京：科學(xué)出版社，20025)張春路，基于模型的制冷空調(diào)裝置智能仿真方法基礎(chǔ)研究，博士論文．上海：上海交通大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，19996)陳則韶，戚學(xué)貴．壓縮制冷空調(diào)裝置動(dòng)態(tài)仿真研究，低溫工程，2000，118(6)，35~387)BittleRR,PateMB.Atheor