住宅用水源熱泵機組性能實驗研究摘要：本文以自行研發的住宅用水源熱泵機組為研究對象，通過實驗來說明其性能特性，在考慮部分負荷情況下與市場上同類住宅用水源熱泵做了經濟性比較，得出了其良好的工作性能。對住宅和小型商用水源熱泵中央空調的設計開發和工程設備選型具有一定的參考價值。關鍵字：水源熱泵COP能耗比較部分負荷0引言水源熱泵作為一種有益于環境保護和可持續科學發展的冷熱源形式，已經倍受人們關注，國內越來越多的生產企業紛紛推出各種形式的水源熱泵產品。然而，目前國內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。對地下含水層的地質分析、井的尺寸的合理設計和系統設計應滿足未來增長的負荷需求，應考慮井的供水和回灌能力在長時間運行后的下降方面進行了多方面的研究；對地上部分的水源熱泵機組則多限于經濟性方面的研究，而對機組的動態特性、部分負荷情況下的能耗變化給予的關注比較少。本文將以自行研發的住宅用水源熱泵機組為研究對象，通過實驗來研究水源熱泵機組的性能特性及其在部分負荷情況下的能耗變化。1住宅用水源熱泵機組數學模型簡介在充分參考了國內外相關文獻后[1~3]，利用系統仿真學原理，在質量守恒、能量守恒和動量守恒的基礎上，對熱泵機組的冷凝器、蒸發器、毛細管和壓縮機外殼與外界的換熱環節分別建立了與其相對應的動態數學模型，而對響應時間較短的壓縮機內部的制冷劑壓縮輸送環節則建立了穩態的數學模型，并首次將渦旋式壓縮機外殼的換熱環節視做了蒸發器的一部分，現將渦旋式壓縮機外殼的換熱環節所建模型簡要列出，至于其他部件的建模可以參見有關文獻[4]~[7]。1.1制冷劑通過壓縮機筒壁與環境的換熱過程模型分析全封閉式渦旋壓縮機為中間進氣，上部排氣的結構，制冷劑兼起電機冷卻作用。制冷劑出蒸發器后首先進入壓縮機的殼體側，系統停機時潤滑油中溶解的那部分制冷劑液體，在壓縮機再次啟動時將與壓縮機外殼換熱，為了對制冷劑通過壓縮機筒壁與環境的換熱過程進行準確的模擬，建立了動態模型，將其作為蒸發器的一個節點來研究，既提高了模擬的準確性，又降低了模擬求解的難度。1.2蒸發器數學模型建立根據圖1給出的板式換熱器逆流換熱微元體，建立數學模型。質量守恒方程：(1)動量守恒方程：(2)能量守恒方程：(3)為解決研究中的特殊問題有必要對傳熱過程做出適當的假設和簡化：制冷劑流動為一維流動，速度分量U得到簡化；在任何流動截面上流體壓力相等；忽略流道內壓力變化對制冷劑流速的影響；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；假定制冷劑在蒸發器和冷凝器內部的干度呈線性分布。蒸發器包含幾個相對獨立的組成單元：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數學模型的離散化本文采用控制容積積分法建立離散方程。首先將換熱器的計算區域沿著流體流動的方向劃分出一系列控制容積，如圖2所示其中最后一個控制體是對制冷劑出蒸發器進入壓縮機外殼后的狀態模擬。然后將式(5)、(6)在任一控制容積及時間間隔內作空間與時間積分，得到下式：謠扇洪(6)枝巾討(亭7)沒根據欄圖滔2態以及控制容積然積分時采用的抗階梯式分布型鵲線，可以近似愚得到下述關系?。簩樍?，當旅m璃1總j-1臟>濾0艙時：謝h武1婆i-1財=h干1省j-1恨留；當防m禮1苗j鬼>0妨時：架h容1義i欲=h腫1就j矩。對逆流，當慶m催1智j-1皇<皮0帆時：李h榆1好i屠=h土1票j-1于；當做m單1宴j其<0筋時：撇h貴1葡i+1脊=h廚1先j拌。波根據以上假設隙和公式推導，灌最終得到制冷青劑通過壓縮機代筒壁與環境的差換熱過程的離濤散控制方程：煎釣俗(8)琴勢栽(柔9)禍禁嗎(10)原2姥斤實驗測試系統重介紹蠶由于本文重點智研究的是熱泵陷機組的運行狀惜況，為降低實案驗臺成本縮短午實驗臺搭建時后間，采用一臺估活塞式冷水機域組和一斥臺儉10k沫W決電加熱器串聯嗚為試驗臺提供濕7拌℃鉤~腰2策5垂℃怒冷坐卻括(截或熱幫源顆)粗用水，用以模哲擬地下水源出球水情況?？蛲庾R為實驗輔助設耐備，包括由原芽有的一臺活塞辣式制冷機和一農臺電加熱器改畫造的冷卻水模公擬設劉備擁(1票3屑，騾14左)店，三臺風機盤何管百(蓄圖中只畫出一孝臺躺)伙和兩套電加熱翼器慧(島圖中只畫出一襪套作為示榮意救)障組成的室內負塘荷系攝統術(呼6唱，訊13若)軋，數據測量和些采集處理裝皺置身(1刻0批，耀1表1駛，伙12虹)艇共三個相對獨吼立的應用系統旨。實驗中需要即采集的數據包綿括：機組啟動盆和穩定運行過序程中壓縮機進甚出口、冷凝器推出口、蒸發器乞進口各點的溫侍度、壓力，冷牌凝器和蒸發器幕進出口水溫和陽流量。剩3持疤實驗結果及性須能分析殼3.1辱紡熱泵機組供熱煩工況性能分析雙圖老4銳表示了冬季運競行工況部分負宰荷運行時輸入蒜功率、制熱量怠及性能系報數仆CO襯P期隨著水源側的爐進水水養溫儲(堵冷凝器進水水幻溫用)帶和蒸發器出水誦水溫的變化情朽況。予圖融4割表示的制熱量瓣、輸入功量可夠以發現，冬季罰運行工況，當猜蒸發器出水水鴉溫保持不變時降，隨著水源進充水溫度的升高霜，機組制熱能章力升高，壓縮升機輸入功率減姿小妄，觸CO互P掛增大。同樣，銅在水源進水溫鞭度不變時，隨秋著蒸發器出水貴水溫的降低，殊制熱能力也跟艇著增大，壓縮蔽機輸入功率降搬低齊，唇CO剪P娃值增大狀。凍激冬季實驗運行辭工區況縣(義冷凝器進出水竄溫目度側9/1登6丹℃雀，蒸發器進出衰水溫否度職40/4體5?！嫜?詳條件下，該住筍宅用水源熱泵供機組制熱量脫為炮12.6k及W付，輸入功抄率搏3.02kW渡,短性能系幕數挽CO度P亞等牌于殼4.屈2譯。究3.2圍屬組制冷工況性胞能分析行圖油5鍋季運行工況部日分負荷運行時奇輸入功率、制汁冷量至及申CO想P銅隨著冷凝溫度役和蒸發溫度的湊變化情況。從什圖睡5翼所表示的制冷敗量、輸入功量管可以發現，夏踩季運行工況，彩在同一蒸發溫判度下隨著冷凝戒溫度的降低，狠機組制冷能力爽升高，壓縮機截輸入功率減小愉，即CO鄭P憐增大。同樣，論在冷凝溫度不剩變時，隨著蒸該發溫度的升高幫，制冷能力也攤跟著增大，壓畝縮機輸入功率道降低蹤，泄CO熄P蠢值增大伍。際灶夏季設計運行姥工嘉況第(湯冷凝溫度叨3脾2睬℃撇，蒸發溫度媽4.邁4匪℃箭)席條件下，該住耀宅用水源熱泵嶺機組制冷量壞為燕11.3k碼W低，輸入功括率購2.3kW宗,臭性能系壁數酸CO共P夢等想于卵4.亞9樂。狗3.3售壓與同類水源熱穴泵機組全年能典耗比較影由于水源熱泵詞全年大部分時刪間是在部分負民荷下運行，必聰須考慮由于部累分負荷運行所爺引起的效率降地低的問題，為醫此有必要驗證稻機組是否達到毅最優制熱制冷化綜合個效率?，F將機仍組與市場中知駝名同類產品（刃稱為產卡品仇A壞和產鎖品非B硬）在理論上做隸全年部分負荷柳的經濟性比較悠。經為了使研究工廟作具有代表星性銹,竄本文以一戶位竄于天津市某采劫用水源熱泵系救統的住宅小區顆的標準戶型住輛宅（戶型分別誤為三室兩廳，濕空調面積掃150m州2鉆）為拾例夕,篇燃利用美扣國麥ASHRA赴E款改進藝的改Bi懇n托能耗計算方丈法循(俘Modifi咸edBin命Metho財d)革[8]濁，作了一些適益合于我國華北染地區民用住宅麗使用的修改后顧，對三者的全齊年經濟狀況來瑞加以比較。其歐結果見宋表漢1黑。豈表討1芝戒機組全年部分患負荷的經濟性漸比較擦表獅柄宮任熱泵機組樣機擠熱泵機摘組龍A久熱泵機岸組魂B澆10蓬k擴Ｗ空氣源熱泵特機組饑制冷工況證制熱工況秋制冷工況嫁制熱工況我制冷工況棗制熱工況貍壓縮機輸入功鋪率紐（飲W竹）：籌2420煙3460鄰2760繞3210饒2700膜3350跟機組輸出冷（終熱）量隔（貓W抵）：各11400保12700農11000乏13000居11900蜂12100動采暖運行全年絨費優用鐘(杜元炸/減年歐)釋：扒2050擺2069拳2166姥3302緞制冷運行全年宏費莊用位(字元爛/涉年嚴)敘：田1862沃1821享1790亡3176胡全年運行費用狀合愿計麥(笨元爆/動年聲)冬：遵3911右3890閃3956浩6477閥采暖運行全年烘費貌用窮(央元覽/m禁2變·于年永)仰：懂13.67工13.80棕14.44圍22.0賢制冷運行全年擴費垮用旗(肥元孝/m頁2墊·伴年蹄)索：益12.41脖12.14凍11.93勻21.2駁全年運行費用焦合坊計藥(完元扒/m饑2津·姑年蓮)你：偏26.08朵25.93恐26.38監43.2進從競表順1壘可以看出，新可研制的熱泵機詠組在全年部分堤負荷運行的情次況下，具有較修低的運行費用日，甚至比機皇組表B賠還要低一些，帳說明新研制的醫熱泵機組具有成良好的工作特副性；另外水源巾熱泵比同類風稈冷熱泵具有明費顯的節能優勢竿，全年節曾能忘40落%圾左右。從蓮表緒1游還可以看出，建對于北方地區拉而言，冬季供轟暖負荷略高于長夏季制冷負荷儀，所消耗的能把源及費用所占逢比重較大，因陰此，對于寒冷豬地區用熱泵，軌在研發時，一緣定要在兼顧制臥冷性能的同時敬，給予供熱性涂能足夠的重視頌。4結論披本文通過理論大與實驗研究，臟給出了新研發橫的住宅用水源碧熱泵機組的工耕作性能曲線，州并與當前市場四上同類水源熱昌泵機組作了相貪關比較，得出框以下結論：錄（彼1箭）破赴實驗驗證了所謝建立的住宅用顛水源熱泵機組芳數學模型，為伍日后熱泵機組景的研發提供一雹定的參考。聚（躬2資）冶素住宅用水源熱胞泵機組采用板育式換熱器作為撲蒸發器和冷凝盯器，對于減少童熱泵機組的尺紐寸，減少安裝惱占地面積有很聯大優勢。周（覺3井）輔似考慮到水源熱旨泵全年運行時紋，室外氣象條負件造成的冬季阿和夏季能耗的抬不同，對于寒逝冷地區更應該貿考慮冬季供熱弊要求，機組設廣計也應給予相舟應的重視。參考文獻：首1)J.W投.MacAr芒thura吊ndE.W釣.Grald砍,Unst吵eadyc東ompres餓sible子two-ph疑rasef蜘lowmo鎮delfo勸rpred圍icting名cycli芳cheat從pump項perfor考mance晝anda裕compar頂isonw昂ithex期perime焦ntald缺ata,I任nt.J.普Refri域g.198障9,12(1矛):29~4芳14丟2)蟲異陳芝壘久窯.晴制冷系統熱動稿力學．北京：依機械工業出版革社應，久19987公3)腰池張立群，劉永妖波．渦旋壓縮練機工作特性的蟻研究，流體機惹械迷，漫200芝3暖，鳳31(3謀)鐘：財1~5恨4)青立丁國良，張春桿路．制冷空調頌裝置的智能仿繭真，北京：科嚇學出版社摔，密2002擁5)曲斑張春路，基于聯模型的制冷空董調裝置智能仿綠真方法基礎研待究，博士論文香．上海：上海金交通大學動力含與能源工程學誼院翼，裙1999性6)竄什陳則韶，戚學摘貴．壓縮制冷鐘空調裝置動態你仿真研究，低器溫工程荷，月200拾0暈，扶118(6還)礎，孫35~38霧7)Bit黎tleR返R,Pat悔eMB.臟Athe襯or