1、空氣源熱泵熱水器的準穩態模型作者Farouk Fardouna, Oussama Ibrahima, Assaad Zoughaibb摘要 熱泵系統可以在大量的應用中被發現。其中之一是生產生活熱水。本文提出了一種準穩態仿真模型來預測一個簡單的空氣源熱泵熱水器（ASHPWH）的性能。數學模型包括了基本的系統組件模型，即，蒸發器，冷凝器，壓縮機和膨脹閥。這些模型的建立是基于傳熱和熱力學的基本原則。該模型被編碼到MATLAB軟件和用于預測系統參數的效益，如熱水溫度，蒸發和冷凝壓力，未傳遞給冷凝器的熱量，電功率輸入，供熱季節的性能系數，和性能系數。1. 介紹 有關能源危機和氣候變化問題在過去十年中顯著

2、上升，并且作為一個主要問題阻礙了許多國家社會經濟的發展。這些問題嚴重影響著能源需求和環境安全，并且由于地中海區域較高的自然氣候變化率和其獨特的地理位置，這些問題顯得尤為重要。在此基礎上，尋找新的無污染能源來確保地中海區域可持續的未來是相關政府部門的一個主要目標。熱泵是一種高效的機械設備，它通過采用可再生能源如太陽能，周圍空氣能，地熱能或廢熱產生低污染物的熱量?？諝庠礋岜脽崴鳎ˋSHPWH），基于卡諾循環的原理，可以在較低的溫度下從空氣中吸收熱量，并將其轉移到一個水箱一個處于較高溫度的吸熱設備。用于消耗來驅動系統的機械能僅僅是所傳送能量的一小部分。（約30%）專業術語LLLibanese Li

3、raA面積m2標識U傳熱系數w/m2k1,2,3第1，第2，第3區LMTD平均溫差ke蒸發器C熱容w/kc冷凝器Cp比熱J/kgk壓縮機h焓J/kgv閥密度kg/m3f飽和液體P壓強pag飽和氣體效率i內部m質量kgo外部qm質量流量kg/sw水轉速rpsr制冷劑V體積m3R水庫Q,q熱量wmec,ele機電T溫度Kvol體積熱泵已經開發拓展到很多種形式，但很少涉及熱泵熱水器。Fu等人1提出了用具有四個步驟的能力的螺桿式壓縮機的空氣水的雙模式熱泵的動態模型。研究了添加額外的壓縮機容量分段方式的動態響應。MacArthur和Grald 2 提出了一個蒸汽壓縮熱泵模型。該換熱器有著詳細的分布配方作

4、為藍本，而膨脹器件被建模為一個簡單的固定節流孔。Kima等人3提出了一種熱泵驅動的熱水器系統的動態模型，采用有限體積法來描述該熱交換器。Techarungpaisan等人 4提出了一種穩態仿真模型來預測一個配有集成熱水器的小型分體式空調機的綜合性能。模型采用的是旋轉式壓縮機和毛細管。2. 數學模型 一個典型的空氣源熱泵熱水器被應用到了這項研究中（圖1）。它是由熱泵系統的主要組件所構成，即壓縮機，蒸發器，冷凝器和節流裝置包括了熱水儲存裝置。在模擬的壓縮機中，簡單穩態模型采用適當的容積效率和壓縮過程被假定為是絕熱的以等熵效率。一個電子膨脹閥被用來控制蒸發器出口的過熱度。膨脹過程被認為是等焓的。關于

5、熱交換器，采用的是對數平均溫差法(LMTD)和傳熱單元數法(NTU-)。蒸發器的模型是一個由管子和散熱片組成的熱交換器，而逆流方向的同心管的熱交換器的模型被選擇為冷凝器。兩個熱交換器被假定為是長的，薄的，水平管道，與此同時忽略制冷劑在管路中的軸向流動和沿著熱交換器管路的壓降。平均空隙率5用于計算在兩相區的流體性質，而平均性質則被假定在單相區。圖12.1.壓縮機有三個關鍵參數與壓縮機模型的性能相關：質量流量（mk），出口焓值（hk,out），和輸入功率（Wk），這些是由方程（1），（2），和（3）分別給出的：式中，（1）（2）（3）2.2.膨脹閥有兩個關鍵的參數預計出閥模型：質量流量和出口焓這是

6、由方程（4）及（5）分別給出。 式中（4） （5）2.3.冷凝器冷凝器被分為三個區域，即過熱區，兩相區和過冷區。每個區域都有集總參數。傳熱率（qc1），出口水溫和過熱區的面積是分別是從方程（6），（7）與（8）計算得出。（6）（7）式中（8）傳熱速率（qc2），出口水溫和的兩相區的面積采用過熱區相同的方式計算。過冷區的面積是從之前的區域面積推算得到：，然后這個區域的傳熱單元數（NTU）和效率系數（）方程（9）和（10）中分別計算得出。接著，最大和實際傳熱率將從從方程（11）和（12）分別計算得出。（9）式中（10）（11）（12）最后，制冷劑與水在冷凝器出口溫度是從方程（13）和（14）分別計

7、算得出。（13）（14）因此冷凝器的總傳熱率是：。注意，一個區域的出口水溫等于下一個區域的進水溫度.在相同的方法下，蒸發器被分成兩個區，即兩相和過熱區并且幾乎采用在冷凝器用的相同計算過程。2.4.貯液器熱水貯存器存儲被加熱的水準備好被提供給需求站點。為了建造模型，以下制造了幾個假設：（1）熱水容器中是均勻溫度（不考慮分層），（2）從容器的壁面上沒有外部的熱損失，以及（3）在貯存器中的熱水總量是不變的（沒有在加熱過程消耗水量）。應當指出的是，在貯存器中的平均水溫（TR）首先在計算過程開始的時候被初始化，平均水溫的新值（TR,new）將由公式（15）來計算得出。如果TR,new與預先設定的熱水溫度

8、值不同，新的值用于接下來重復計算。此過程不斷重復，直到TR達到預先指定的值，通常為60。 （15）3. 系統模擬模擬空氣源熱泵熱水器的目的是預測某些工況下機組的性能。首先，輸入的幾何參數進行設置并且假定Pe，Pc和TR的初始值。其次，壓縮機，冷凝器，膨脹閥和蒸發器的子程序進行連續地運行。隨后，將冷凝器出口的質量流速與膨脹閥的質量流速進行比較。如果該差值大于某個預先指定的公差，然后就調整Pc，正值或負值的影響取決于質量流速的差異，并重復整個周期。另外，計算貯液器中的水溫并且新的時間迭代將開始。這將被不斷重復，直到在貯液器中的水溫達到一定預先設定的溫度。4. 結果與討論該模型被編碼成為MATLAB

9、仿真程序并且被用于預測系統參數的性能，如熱水溫度，冷凝和蒸發壓力，制熱量，電輸入功率和性能系數。下圖顯示了一些模擬結果在周圍空氣的溫度為15。圖2-A,2-B呈現了冷凝和蒸發壓力，輸入的電功率和制熱量隨時間的變化。冷凝壓力逐步上升，從仿真時間的開始到結束，這是由于水溫的不斷增加。此外，輸入電功率從500W逐漸上升到860W；但是，加熱量隨時間逐漸減小。圖3（a）顯示出在一個200L的貯液器中整個加熱過程中水溫的變化。圖3（b）顯示示出了性能系數相對于時間的變化，從中觀察到性能系數開始于一個峰值并且逐漸減小，直到模擬結束。使用簡單的電熱水器在一個200L的貯液器中將水溫從20加熱到60，我們會根

10、據下面的關系式消耗約9.3千瓦時，假設一個理想的電阻：。這意味著它的成本約1856 LL，轉換到電能平均為200 LL/千瓦時。然而，使用使用空氣源熱泵熱水器，并通過準穩態模型，它表明只有2.6千瓦時被消耗，并且成本大約只有520LL，在相同的工作條件。因此，通過簡單的計算，我們發現約70的能源和經濟性被節省下來。此外，從環保上考慮，在200L的貯液器中使用電阻熱水器會產生6.5公斤二氧化碳，而使用全空氣源熱泵熱水器將會減少1.82千克的二氧化碳。此外，供暖季節性能系數（HSPF）的計算，預計每天消耗200L，在冬季（1月，2月，3月）平均環境溫度為15，被認為是將近12.3。該系統的平均CO

11、P（=0.293 HSPF）為3.6左右。5. 結論準穩態模型是用MATLAB軟件開發的，以此來研究空氣源熱泵熱水器（ASHPWH）的特性進行開發的。換熱器是由LMTD和NTU-方法建立的并且執行器組件是由靜態設計建模的。在所創造模型的基礎上，對空氣源熱泵熱水器性能特點的研究有壓力，溫度，輸入電功率，加熱和制冷能力，采用R134a的200L貯液器和15環境溫度。模擬結果表明，約70的能量和成本降低，相比較傳統的電熱水器，與此同時70的環境污染被減少通過計算二氧化碳的產生量。6. 參考文獻 1 Fu L, Ding G, Zhang C. Dynamic simulation of air-to

12、-water dual-mode heat pump with screw compressor. Applied Thermal Engineering 2003, 23:1629-45 2 MacArthur JW, Grald EW. Jr. 1989 Unsteady compressible two-phase flow model for predicting cyclic heat pump performance and a comparison with experimental data. International Journal of Refrigeration 198

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