1、空氣源熱泵冷熱水機(jī)組全年運(yùn)行工況的模擬與分析程衛(wèi)紅姚楊馬最良摘要：對(duì)機(jī)組的空氣側(cè)換熱量、水側(cè)換熱量、壓縮機(jī)軸功率和供熱性能系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行綜合分析，尋求對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜特性影響最小的空氣側(cè)換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。用變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合夏季運(yùn)行工況，其空氣側(cè)換熱系數(shù)、管壁溫度、空氣側(cè)壓降也有所改善。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，兩者吻合很好，進(jìn)一步驗(yàn)證了所建模型的可靠性。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵冷熱水機(jī)組動(dòng)態(tài)模型穩(wěn)態(tài)模型結(jié)霜1空氣源熱泵冷熱水機(jī)組模型建立空氣源熱泵冷熱水機(jī)組由壓縮機(jī)、空氣側(cè)換熱器、水側(cè)換熱器、節(jié)流機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。在質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒的基礎(chǔ)上，利用空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的四大

2、部件的數(shù)學(xué)模型，并利用制冷劑在各部件的進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)把所建的四個(gè)部件模型耦合在一起，就構(gòu)成了空氣源熱泵冷熱水機(jī)組冬、夏季工況的模型。耦合過程中的質(zhì)量守恒是指各部件中的制冷劑質(zhì)量流量相等，單位時(shí)間內(nèi)流入某部件的制冷劑質(zhì)量等于流出該部件的制冷劑質(zhì)量；能量守恒是指機(jī)組的制冷量與壓縮機(jī)對(duì)制冷劑作功之和等于冷凝器的熱負(fù)荷；動(dòng)量守恒即壓力平衡，是指經(jīng)過壓縮機(jī)后制冷劑壓力的提高值等于制冷劑在空氣側(cè)換熱器、膨脹閥、水側(cè)換熱器等部件中的壓力降之和。2典型冬季工況的模擬與分析對(duì)于所建立的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1，采用計(jì)算機(jī)求解，計(jì)算工況見表1，計(jì)算從某一時(shí)刻壓縮機(jī)吸入口開始。調(diào)用各子程序，可以計(jì)算出空

3、氣側(cè)換熱器的換熱量以及結(jié)霜等情況。我國大部分地區(qū)處于季風(fēng)氣候區(qū)，熱泵適宜應(yīng)用的地區(qū)濕度普遍比較大，例如長江以南地區(qū)，相對(duì)濕度一般都在75%以上，若溫度在0左右，極易結(jié)霜。下面將采用機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算機(jī)組在一些典型地區(qū)，如對(duì)于重霜區(qū)成都所對(duì)應(yīng)的工況b（0，85%）、一般結(jié)霜區(qū)上海、杭州所對(duì)應(yīng)的工況c（-4，75%）2，用變化后的空氣側(cè)換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)一步對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況進(jìn)行計(jì)算及分析。2.1工況b（0，85%）空氣側(cè)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)采用變化后值：管徑為8mm，分液路數(shù)10，管間距為27.4mm，翅片間距分別為3.5mm和4mm時(shí)，與采用原始的結(jié)構(gòu)參數(shù)（管徑為10mm，分

4、液路數(shù)10，管間距為25.4mm，翅片間距為2mm）相比，分析空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況下，機(jī)組性能參數(shù)隨時(shí)間的變化。圖1至圖4是機(jī)組空氣側(cè)換熱量、水側(cè)換熱量、壓縮機(jī)軸功率和供熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化。由圖可見，水側(cè)換熱量、壓縮機(jī)軸功率和供熱性能系數(shù)在翅片間距取3.5mm時(shí)優(yōu)于翅片間距取4mm時(shí)。圖1空氣側(cè)換熱器換熱量隨時(shí)間的變化圖2水側(cè)換熱器換熱量隨時(shí)間的變化圖3壓縮機(jī)軸功率隨時(shí)間的變化圖4供熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化采用原始的結(jié)構(gòu)參數(shù)與變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組各性能參數(shù)的影響作了對(duì)比，從而得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后，機(jī)組運(yùn)行到35分鐘時(shí)，壓縮機(jī)軸功率從72.36kw增加到72.9k

5、w，增加了0.75%；水側(cè)換熱量從285.843kw增加到287kw，增加了0.4%；因此，對(duì)于工況b，采用變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)（翅片間距3.5mm），機(jī)組結(jié)霜工況性能改善明顯。2.2工況c（-4，75%）空氣側(cè)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后值：管徑為8mm，分液路數(shù)10，管間距為27.4mm時(shí)，翅片間距分別取2.5mm和3mm時(shí)，與采用原始的結(jié)構(gòu)參數(shù)相比，分析空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況下，機(jī)組性能參數(shù)隨時(shí)間的變化。圖5至圖8是機(jī)組空氣側(cè)換熱量、水側(cè)換熱量、壓縮機(jī)軸功率和供熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化。由圖可見，空氣側(cè)換熱量、水側(cè)換熱量、壓縮機(jī)軸功率和供熱性能系數(shù)在翅片間距取2.5mm時(shí)明顯優(yōu)于翅片間距取3mm

6、時(shí)。采用原始的結(jié)構(gòu)參數(shù)與變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)組各性能參數(shù)的影響作了對(duì)比，從而得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)參數(shù)變化后，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間延長，供熱性能系數(shù)從4.1172增加到4.1267，增加了0.27%；壓縮機(jī)軸功率從59.1kw增加到59.55kw，增加了0.76%；水側(cè)換熱量從243.35kw增加到245.75kw，增加了0.58%,因此，對(duì)于工況c，采用變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)（翅片間距2.5mm），機(jī)組結(jié)霜工況的性能改善明顯。圖5空氣側(cè)換熱器換熱量隨時(shí)間的變化圖6水側(cè)換熱器換熱量隨時(shí)間的變化圖7壓縮機(jī)軸功率隨時(shí)間的變化圖8供熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化3典型夏季工況的模擬與分析通過對(duì)結(jié)霜工況bc，空氣側(cè)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)

7、空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜特性影響的計(jì)算和研究，得出結(jié)論：采用變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)機(jī)組性能尤其是減少結(jié)霜、延長機(jī)組運(yùn)行時(shí)間有明顯效果。機(jī)組夏季按制冷工況運(yùn)行，用變化后的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)在夏季工況對(duì)機(jī)組運(yùn)行是否產(chǎn)生影響，下面分別對(duì)工況b、c所對(duì)應(yīng)的夏季工況d、e用變化后結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)組進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。3.1工況d（31.6，86%）空氣源熱泵冷熱水機(jī)組夏季運(yùn)行時(shí)，空氣側(cè)換熱器作為冷凝器使用。空氣側(cè)換熱器是以空氣作為冷卻介質(zhì)，靠空氣的溫升帶走冷凝熱量。夏季工況機(jī)組運(yùn)行時(shí)，隨著時(shí)間的變化，機(jī)組各性能參數(shù)基本不改變，因此，夏季工況采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算。圖9至圖10分別為夏季工況下，空氣側(cè)換熱器在采用變化前后

8、的結(jié)構(gòu)參數(shù)，空氣側(cè)換熱系數(shù)、管壁溫度沿管長的變化。可以看出，變化后的空氣側(cè)換熱系數(shù)明顯增大，空氣側(cè)管壁溫度提高。這是因?yàn)殡S著翅片間距的增大，使流過換熱器的空氣產(chǎn)生擾動(dòng)變化，空氣側(cè)換熱能力增強(qiáng)，冷凝熱量迅速傳遞給空氣，降低了空氣與管壁的溫差。圖9空氣側(cè)換熱系數(shù)沿管長的變化圖10空氣側(cè)管壁溫度沿管長的變化采用變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于夏季工況d，制冷性能系數(shù)為4.59，制冷量為339.115kw，空氣側(cè)平均溫度為35.585，平均相對(duì)濕度為71.3%。這是由于空氣側(cè)換熱器作為冷凝器向空氣中傳遞冷凝熱量，使空氣溫度升高，絕對(duì)含濕量不變，相對(duì)濕度降低。因此，對(duì)于夏季工況d，機(jī)組空氣側(cè)換熱器采用變化后的結(jié)構(gòu)

9、參數(shù)，機(jī)組緊湊性差，設(shè)備龐大，空氣側(cè)壓降從319.028pa降低到244.54pa，降低了23.3%，空氣側(cè)管壁溫度也升高了5.65%，使管壁溫度與空氣溫度的溫差減小，空氣側(cè)換熱系數(shù)增大，強(qiáng)化了空氣側(cè)換熱。3.2工況e（34，83%）圖11至圖12分別為空氣側(cè)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)在變化前后空氣側(cè)換熱系數(shù)、空氣側(cè)管壁溫度沿管長的變化。可以看出，變化后的空氣側(cè)換熱系數(shù)明顯增大，空氣側(cè)管壁溫度提高。圖11空氣側(cè)換熱器換熱系數(shù)沿管長的變化圖12空氣側(cè)管壁溫度沿管長的變化因此，用變化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于夏季工況e，制冷性能系數(shù)為4.59，制冷量為339.115kw，空氣側(cè)平均溫度為37.571，平均相對(duì)濕度為6

10、9.1%。這是由于空氣側(cè)換熱器作為冷凝器使用，向空氣中傳遞冷凝熱量，使空氣溫度升高，絕對(duì)含濕量不變，相對(duì)濕度降低。除機(jī)組緊湊性差，設(shè)備龐大，空氣側(cè)壓降從322.289pa降低到264.436pa，降低了17.95%，管壁溫度升高6.4%，使管壁溫度與空氣溫差減小，空氣側(cè)換熱系數(shù)增大，強(qiáng)化空氣側(cè)換熱。4結(jié)論在質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒的條件下建立了空氣源熱泵冷熱水機(jī)組全年運(yùn)行工況的數(shù)學(xué)模型。采用該模型對(duì)機(jī)組的冬季工況b、c進(jìn)行了計(jì)算分析，通過改變翅片管換熱器的片距、管徑、管間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)，從減少結(jié)霜量，延緩結(jié)霜，延長融霜時(shí)間間隔為出發(fā)點(diǎn)，采用變化后的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算分析各參數(shù)對(duì)空氣源熱泵冷熱水機(jī)組性能的影響，得到了機(jī)組的空氣側(cè)換熱量、水側(cè)換熱量、壓縮機(jī)軸功率和供熱性能系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)合夏季工況，運(yùn)用變化后的換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用夏季穩(wěn)態(tài)模型對(duì)機(jī)組的夏季工況進(jìn)行計(jì)算分析，得到了機(jī)組空氣側(cè)換熱系數(shù)、空氣側(cè)管壁溫度等的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明，處于重霜區(qū)的成都所對(duì)應(yīng)的冬季工況b（0，85%），相對(duì)濕度比較高，冬季溫度處于易結(jié)霜溫度范圍內(nèi)，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)：翅片間距取3.5mm，管徑取8mm，分液路數(shù)取10，管間距取27.4mm；處于一般結(jié)霜區(qū)的上海、杭州所對(duì)應(yīng)的冬季工況c（-4，75%），得出結(jié)構(gòu)參數(shù)：翅片間距取2.5mm，管徑取8mm，分液路數(shù)取10，管間距取27.4mm，結(jié)合全